Что больше скорость света или скорость тока

Почему ток в розетке и проводах не бежит со скоростью света? Или все-таки.

Любой человек, разбирающийся в физике, скажет, что скорость движения электрического тока равна скорости света и составляет 300 тысяч километров в секунду. С одной стороны он прав на 100%, но есть нюансы.

Со светом все просто и прозрачно: скорость полета фотона равна скорости распространения светового луча. С электронами сложнее. Электрический ток сильно отличается от видимого излучения.

Почему считается, что скорость полета фотонов в вакууме и скорость электронов в проводнике одинакова? Утверждение основано на фактических результатах. В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц экспериментально установил, что электромагнитная волна распространяется в вакууме так же быстро как свет. Но можно ли говорить, что электроны в проводнике летят со скоростью света? Надо разобраться с природой электричества.

Теория Эйнштейна опровергнута: скорость света может быть превышена. Репортаж Адели Калиниченко из Европейского центра по ядерным исследованиям

На прошлой неделе физики Европейского центра по ядерным исследованиям CERN опровергли основное положение теории Эйнштейна, доказав, что скорость света может быть превышена

Адель Калиниченко, Женева

Что такое 60 наносекунд? Миг, который никто из людей не способен даже ощутить. Во всем мире найдется вообще всего три прибора, способных зафиксировать этот временной отрезок. И тем не менее именно эти наносекунды в буквальном смысле перевернули вверх тормашками жизнь физиков всего мира: как оказалось, нейтрино смогли на 60 наносекунд превысить скорость света.

Произошло это еще два года назад в ходе эксперимента на детекторе OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), который находится на глубине 1400 метров под итальянскими Апеннинами в подземной лаборатории Гран-Сассо. Именно сюда сквозь толщу земли прилетают пучки тау-нейтрино, создаваемые на протонном суперсинхротроне SPS в подземной лаборатории CERN, расположенной в 732 километрах. Поскольку тау-нейтрино свободно пролетают сквозь любую материю (к примеру, подсчитано, что сквозь наше тело ежедневно пролетает до 10 в 14-й степени нейтрино, порожденных Солнцем), ученые подсчитали, что этот путь они должны преодолеть примерно за 3 миллисекунды — как обычный фотон света. Но случилось непредвиденное: измерив время попадания нейтрино в мишень, исследователи вдруг обнаружили, что нейтрино прибыли раньше расчетного времени примерно на 60 наносекунд. Естественно, ученые сначала просто не поверили своим глазам: ведь еще со школьной скамьи всем нам прекрасно известно, что скорость света в вакууме, достигающая 299 792 458 метров в секунду, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, является универсальной физической константой, то есть ничто и никогда не способно двигаться быстрее. Это предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

Поэтому исследователи решили перепроверить свои датчики, а потом повторили эксперимент — с тем же результатом. С тех пор прошло более двух лет непрерывной бомбардировки тау-нейтрино, и, как заявил Дарио Аутьеро, один из руководителей проекта OPERA, они зафиксировали свыше 16 тысяч событий превышения скорости света. Согласитесь, это уже не тот случай, от которого можно просто так отмахнуться.

И вот 23 сентября 2011 года в конференц-зале CERN профессор Дарио Аутьеро от лица международной команды исследователей прочитал специальный доклад, в котором он не только официально подтвердил результаты этого сенсационного эксперимента, но и поставил под сомнение сам фундамент современной науки — теорию Эйнштейна. (Интересная деталь: доклад Аутьеро подписали 174 ученых, тогда как в эксперименте участвовали 216 человек, вероятно, далеко не все ученые согласились подписаться под документом, который фактически выносит приговор одному из постулатов физики элементарных частиц.) Зато свое одобрение коллегам высказал лауреат Нобелевской премии 1976 года Самуэль Тинг, заведующий лабораторией физики высоких энергий Массачусетского технологического института.

Детектор OPERA (на фото) зафиксировал четкий след нейтрино раньше расчетного времени

Ошибки быть не может

Поскольку сам профессор Дарио Аутьеро отказался отвечать на какие-либо вопросы журналистов, специальный корреспондент «Огонька» решил попросить прокомментировать это событие Ставроса Катсаневаса, замдиректора французского Национального института ядерной физики и физики элементарных частиц, который также является участником эксперимента OPERA.

— Почему объявили об этих результатах именно сегодня?

— Мы отдавали себе отчет, какой это невероятный шок, когда вы сообщаете, что есть нечто, что летит быстрее света. Это настолько не укладывается в сознании, что мы обязаны были сделать бесконечное число проверок. Мы постоянно учитывали возможность «систематической ошибки», которую в качестве объяснения явления в первую очередь выдвигают скептики. Но проверять можно было действительно до бесконечности. И мы поняли, что пора остановиться, так как помимо нашей воли наши результаты стали просачиваться во вне нашего научного сообщества. Мы не хотели утечки информации до нашего собственного оглашения результатов. А она становилась неизбежной. Ясно было, что пришло время обнародовать наши результаты.

— Тем не менее скептики требуют новых проверок, но уже в других лабораториях мира.

— Я доверяю команде, с которой работал все это время. Наши предосторожности во время эксперимента были очень велики, и весь процесс проходил в высшей степени добросовестно, тщательно, то, что называется «на самом высоком уровне». Но я согласен с заявлением о том, что возможность так называемой систематической ошибки теперь желательно проверить в лаборатории Ферми близ Чикаго. Раньше можно было рассчитывать на действенное участие японских коллег, однако в настоящее время их исследования приостановлены в результате разрушений, случившихся во время землетрясения и цунами. Если и в лаборатории Ферми будет найдено реальное подтверждение наших результатов, то это можно будет считать эпохальным открытием для всей мировой науки.

— Если ваш опрокидывающий основы физики вывод подтвердится и скорость света — действительно не предел, что это даст человечеству?

— Любая теория создается как знаменитая русская кукла матрешка, когда внутри одной матрешки находится другая, поменьше. А потом еще поменьше. И еще. Но сразу увидеть, сколько их внутри и какие они, невозможно. Пока мы открыли только первую матрешку. Закон науки: от общего к частностям, от большого к малому. Видите ли, мы никогда до этого не проверяли теорию Эйнштейна в кинетических условиях. А теперь мы проверяем то, что до нас никто не проверял. И если результат получился таким, значит, не надо пугаться и говорить, что этого не может быть. Надо искать научную истину.

— В вашем эксперименте участвовали российские ученые?

— У нас очень хорошие отношения с Дубной. В составе нашей группы есть немало российских физиков. Мой коллега Александр Ольшевский, руководивший российскими коллегами, очень много сделал для успеха всего эксперимента.

— А что планируете сделать на следующем этапе программы?

— Еще и еще раз с помощью мирового научного сообщества проверить и перепроверить наши результаты.

— Ну, а потом, если не ошиблись?

Нейтринная бомба

Досье

Нейтрино — сверхлегкие элементарные частицы, которые из-за малого размера практически не взаимодействуют с обычной материей (или, как говорят физики, участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях). Впервые были описаны в работах итальянца Энрико Ферми. Сегодня физики разделяют три типа нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино (друг от друга они отличаются характеристиками заряда). Последний тип нейтрино был открыт в 1975 году на коллайдере SPEAR (Stanford Positron Electron Accelerating Ring) в лаборатории Стэнфордского центра линейного ускорителя в США: в ходе эксперимента пучок протонов направлялся на вольфрамовую мишень, а одним из продуктов распада ядер атомов вольфрама и стали тау-нейтрино (и за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике 1995 года).

Целью же эксперимента OPERA стало наблюдение за процессом осцилляции нейтрино, то есть превращение одного типа нейтрино в другое.

— Начинать переосмысливать законы физики молекулярных частиц и астрофизики, космологии и всего, если хотите, мироздания.

Великий запрет снят

Еще в 1930 году в Лондоне на банкете, устроенном в честь Альберта Эйнштейна, Бернард Шоу сказал: «Птолемей создал универсум, который просуществовал 1400 лет. Ньютон создал универсум, который просуществовал 300 лет. Эйнштейн создал еще один универсум, и я не могу сказать вам, как долго он будет существовать».

Детектор OPERA зафиксировал четкий след нейтрино (на фото) раньше расчетного времени

Что ж, получается, что сегодня и универсум Эйнштейна заканчивает свое существование? Однако не стоит так торопиться.

Дело в том, что специальная теория относительности (СТО) гласит, что мы живем в четырехмерном пространстве и не можем в рамках этого пространства преодолеть скорость света. В то же время СТО не отрицает само по себе существование частиц, способных двигаться со сверхсветовой скоростью. Причем для таких частиц, существующих пока лишь в теории, придумали даже специальное название — тахионы. Правда, их существование физики признают с одной оговоркой: тахионы не могут двигаться медленнее скорости света. При этом зависимость энергии частиц от скорости получается обратной: чем больше энергия, тем ближе скорость тахионов к скорости света.

А для объяснения феномена тау-нейтрино ученые из CERN уже выдвинули первые рабочие гипотезы, подтверждающие положения СТО. Например, одна из гипотез гласит, что тау-нейтрино стало причиной «короткого замыкания» между мирами, благодаря чему они и сократили свой путь.

Кстати, ученые уже не раз фиксировали случаи превышения скорости света — например, 23 февраля 1987 года во время знаменитой вспышки сверхновой звезды SN1987A в Большом Магеллановом облаке. Тогда были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, разошлись не более чем на несколько часов, ученые сделали вывод, что скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.

Но пока даже самые отъявленные революционеры из OPERA не спешат прогнозировать, в какую сторону может повернуть наука. Дело в том, что современная физика базируется не только на теории Эйнштейна, но и на квантовой механике, также возникшей в начале XX столетия. И попытка совместить эти две теории, создав Общую теорию всего (или Стандартную модель физики), является сегодня самой амбициозной задачей всех ученых мира. И кто знает, может быть, именно отмена Великого запрета Эйнштейна как раз и сможет помочь ученым сделать то, до чего у самого Альберта Эйнштейна так и не дошли руки?

PDF-версия

• 36
• 37
• 38

Скорость тока и скорость света – можно ли поставить знак равенства?

Очевидно, что быстрота движения электрических зарядов в проводах даже не близка к световой. Если бы это было правдой, современная энергетика не существовала в том виде, в котором она представлена сейчас. Добавилась бы необходимость решения сложных технических задач: на скорости 300 000 км/с заряженные частицы не способны следовать за поворотами. После разгона на прямом участке частицы бы просто вылетали по касательной, что в свою очередь требовало бы установок электромагнитных ловушек в проводах. Из-за этого участки проводки напоминали бы фрагменты адронного коллайдера.

Скорость передвижения элементарных частиц намного меньше, чем скорость света, несмотря на то, что в школе учат правилу: «Скорость тока в проводнике идентична быстроте распространения электромагнитной волны». Чтобы убедиться в этом, достаточно провести простые опыты с постоянными магнитами или эбонитом.

Скорость, с которой энергия или сигналы проходят по кабелю, на самом деле является скоростью электромагнитной волны, распространяющейся по кабелю (направляемой). Т.е. кабель — это форма волновода . На распространение волны влияет взаимодействие с материалом (ами) в кабеле и вокруг него, вызванное наличием носителей электрического заряда (взаимодействующих с составляющей электрического поля) и магнитных диполей (взаимодействующих с составляющей магнитного поля). Эти взаимодействия , как правило , описывается с помощью теории среднего поля со стороны проницаемости и диэлектрической проницаемости материалов , участвующих. Энергия / сигнал обычно проходит вне электрического проводника кабеля; Таким образом, цель проводника — не проводить энергию, а направлять несущую энергию волну.

Скорость электромагнитных волн в хороших диэлектриках

Скорость электромагнитных волн в диэлектрике с малыми потерями определяется выражением

v знак равно 1 ϵ μ знак равно c ϵ р μ р < displaystyle quad v = < frac <1>< sqrt < epsilon mu>>> = < frac < sqrt < epsilon _ mu _ >>> > .

c < displaystyle quad c> = скорость света в вакууме. μ 0 < displaystyle quad mu _ <0>> = проницаемость свободного пространства = 4π x 10 −7 Гн / м. μ р < displaystyle quad mu _ > = относительная магнитная проницаемость материала. Обычно в хороших диэлектриках, например. вакуум, воздух, тефлон, . μ р знак равно 1 < displaystyle mu _ = 1> μ < Displaystyle quad mu> = . μ р < displaystyle mu _ > μ 0 < displaystyle mu _ <0>> ϵ 0 < displaystyle quad epsilon _ <0>> = диэлектрическая проницаемость свободного пространства = 8,854 x 10 -12 Ф / м. ϵ р < displaystyle quad epsilon _ > = относительная диэлектрическая проницаемость материала. Обычно в хороших проводниках, например. медь, серебро, золото, . ϵ р знак равно 1 < displaystyle epsilon _ = 1> ϵ < displaystyle quad epsilon> = . ϵ р < displaystyle epsilon _ > ϵ 0 < displaystyle epsilon _ <0>>

Скорость электромагнитных волн в хороших проводниках

Скорость электромагнитных волн в хорошем проводнике определяется выражением

mathrm )> < sigma _ mu _ >>>> .

ж < displaystyle quad f> = частота . ω < displaystyle quad omega> = угловая частота = 2 π f. σ c < displaystyle quad sigma _ > = проводимость отожженной меди = 5,96 × 10 7 См / м . σ р < displaystyle quad sigma _ > = проводимость материала относительно проводимости меди. Для жестко вытянутой меди может составлять всего 0,97. σ р < displaystyle sigma _ > σ < Displaystyle quad sigma> = . σ р σ c < displaystyle sigma _ sigma _ >

μ 0 < displaystyle quad mu _ <0>> = проницаемость свободного пространства = 4π x 10 −7 Гн / м. μ р < displaystyle quad mu _ > = относительная магнитная проницаемость материала. Магнитопроводящие материалы, такие как медь, обычно имеют коэффициент около 1. μ р < displaystyle mu _ > μ < Displaystyle quad mu> = . μ р < displaystyle mu _ > μ 0 < displaystyle mu _ <0>>

В меди при 60 Гц — 3,2 м / с. Вследствие закона Снеллиуса и чрезвычайно низкой скорости электромагнитные волны всегда входят в хорошие проводники в направлении, которое находится в пределах миллирадиана нормали к поверхности, независимо от угла падения. Эта скорость представляет собой скорость, с которой электромагнитные волны проникают в проводник, а не скорость дрейфа электронов проводимости. v ≈ < Displaystyle v приблизительно>

Электромагнитные волны в цепях

При теоретическом исследовании электрических цепей обычно не учитывается скорость распространения электромагнитного поля в пространстве; Предполагается, что поле в качестве предварительного условия присутствует во всем пространстве. Считается, что магнитная составляющая поля находится в фазе с током, а электрическая составляющая считается синфазной с напряжением. Электрическое поле начинается у проводника и распространяется в пространстве со скоростью света (которая зависит от материала, через который оно проходит). Обратите внимание, что электромагнитные поля не перемещаются в пространстве. Это электромагнитная энергия, которая движется; соответствующие поля просто увеличиваются и уменьшаются в области пространства в ответ на поток энергии. В любой точке пространства электрическое поле соответствует не состоянию потока электроэнергии в этот момент, а состоянию потока в момент раньше. Задержка определяется временем, необходимым для распространения поля от проводника до рассматриваемой точки. Другими словами, чем больше расстояние от проводника, тем больше запаздывает электрическое поле.

Поскольку скорость распространения очень высока — около 300 000 километров в секунду — волна переменного или осциллирующего тока, даже высокой частоты, имеет значительную длину. При 60 циклах в секунду длина волны составляет 5 000 километров, а даже при 100 000 герц длина волны составляет 3 километра. Это очень большое расстояние по сравнению с теми, которые обычно используются при полевых измерениях и применении.

Важная часть электрического поля проводника распространяется на обратный проводник, который обычно находится всего в нескольких футах от него. На большем расстоянии совокупное поле может быть аппроксимировано дифференциальным полем между проводником и обратным проводником, которые имеют тенденцию сокращаться. Следовательно, напряженность электрического поля обычно незаметна на расстоянии, которое все еще мало по сравнению с длиной волны. В диапазоне, в котором существует заметное поле, это поле практически синфазно с потоком энергии в проводнике. То есть скорость распространения не оказывает заметного влияния, если обратный проводник не расположен очень далеко или полностью отсутствует, или если частота не настолько высока, что расстояние до обратного проводника составляет значительную часть длины волны.

Проект Заряд

Да, электрические фокусы смотреть так же интересно, как и профессиональные на сцене. Только на сцене труднее догадаться, где нас разводят. Начнем с двухлучевого осциллографа. В его трубке рядышком находятся одинаковые электронные пушки с одинаковыми отклоняющими системами и поэтому происходит их взаимовлияние. Эти трубки не способны работать на большой частоте. На наносекундах что-либо сравнивать таким осциллографом у Вас просто не удастся. А если это так уж необходимо, то приходится пользоваться не двухлучевым, а двухканальным осциллографом. В цифровом виде можно измерять одновременно оба канала. Но в аналоговом осциллографе мы хоть и видим графики одновременно, на самом деле они показываются поочередно. Скорее всего, Вы пользовались именно двухканальным. Далее, смещение в 20 наносекунд Вы объяснили влиянием разницы длины входных проводов (думаю, там не более 10 см разница). В таком случае, фокус заключается либо в неисправности одного из каналов осциллографа, либо Вашими скрытыми действиями с применением реактивных элементов. А потом Вы доказываете, что 40 метров «безиндуктивной катушки» оказывают меньшее влияние на электрический сигнал, чем сами щупы осциллогафа. Для передачи мощного импульса через емкостную связь на высокой частоте достаточно просто рядом проложить два проводника (или два витка) провода, даже если катушка «безиндуктивная». Далее, Вы нам наглядно показали, как, в зависимости от отвода катушки, импульс постепенно уменьшается, и в конце он никуда не делся, только стал очень маленьким, а в начале осциллограммы мы видим совсем не тот импульс, а другой, задержанный на целый период. Кстати, поскольку на столе творится полный хаос, Вы могли нам показать вообще любые измышления, особенно в сочетании с плохим качеством видео. И не надо так огульно хаять Нобелевских лауреатов только потому, что у Вас не хватило желания разобраться в сути их открытий. Например, Дарвин не говорил, что человек произошел от обезьяны. Это Энгельс сказал, что труд из обезьяны сделал человека. А то, что некоторые снобы считают питекантропов и негров обезьянами, то это их ошибка, а не Дарвина. Лобачевский тоже не говорил, что параллельные линии где-то вдали пересекаются. Этот миф родился тоже от невежества. Параллельными линиями называются линии, равноудаленные друг от друга. Равноудаленные, даже если и закручены в спираль. А если пересекутся, значит они не были равноудаленными и поэтому их нельзя называть параллельными… А теперь вот Вам заумная задачка из теории относительности. Два луча движутся навстречу друг другу, каждый со скоростью 300 000 км/сек. Какова суммарная скорость их сближения? Если Вы думаете, что 600 000 км/сек, то Вы глубоко ошибаетесь. Ровно в два раза…

Скорость света в различных средах

Свет распространяется в разных средах по-разному. В вакууме и в воздухе скорость света почти не различается, а вот в других средах она меньше. Это зависит от оптической плотности среды — чем она больше, тем меньше скорость распространения света.

Основной характеристикой в данном случае служит показатель преломления среды. Он равен отношению скорости света в вакууме к скорости распространения света в среде.

Показатель преломления среды

n — показатель преломления среды [-]

с — скорость света [м/с]

v — скорость света в заданной среде [м/с]

Ниже представлена таблица скоростей света в разных средах и показателей преломления в них.

Среда

Скорость света, км/с

Показатель преломления среды

Что быстрее: молния или гром?

Этот детский вопрос имеет простой ответ – молния. Из того же школьного курса физики известно, что скорость звука в воздухе равна примерно 331 м/сек. Почти в миллион раз медленнее электромагнитной волны. Зная это, легко понять, как высчитать расстояние до молнии.

Свет вспышки доходит до нас в момент разряда, а звук летит дольше. Достаточно засечь промежуток времени между вспышкой и громом. Теперь просто считаем, насколько далеко от нас ударила молния, по простой формуле:

L =T × 331

Где T – это время от вспышки до грома, а L – это расстояние от нас до молнии в метрах.

Например, гром прогремел через 7.2 секунды после вспышки. 331 × 7.2 = 2383. Получается, что молния ударила на высоте 2 километра 383 метра.