— Published on 05/12/2021 / Bug.hr.
Električna struja je usmjereno gibanje električnog naboja pa električnu energiju u strujnom krugu valjda prenose ti naboji; krivo!; energiju u strujnom krugu prenosi vanjsko elektromagnetsko polje
Tvari su građene od atoma, atomi od elektrona i jezgri, a gibanje tih najsitnijih čestica odgovorno je za razna makroskopska svojstva tvari. Primjerice, toplina – čije je razumijevanje pokrenulo industrijsku revoluciju koja je pak oblikovala našu civilizaciju – energija je prijelaza koja proizlazi iz unutrašnje energije koja opet proizlazi iz unutrašnjeg gibanja atoma. Čak i u krutim tijelima atomi se neprekidno gibaju: titraju oko svojih ravnotežnih položaja. A zbroj kinetičkih energija svih tih atoma čini unutrašnju energiju (kod krutih tijela i tekućina, doduše, značajan doprinos daju i potencijalne energije atoma). Toplinska energija temelji se, dakle, na unutrašnjem gibanju atoma.
Zato je sasvim razumno očekivati da se i električna energija temelji na nekom unutrašnjem gibanju čestica. Tim više što električnu struju u vodičima čini usmjereno gibanje električnog naboja, konkretno elektrona, pa električnu energiju u strujnom krugu, od izvora do potrošača, valjda prenose ti isti elektroni. Skroz krivo! Ne samo da električnu energiju kroz vodič ne prenose elektroni, nego tok energije uopće ne ide kroz vodič. Ide izvan vodiča, kroz prostor oko njega. A prenositelji energije nisu elektroni nego blisko elektromagnetsko polje. Zvuči čudno, i skroz je kontraintuitivno, ali je tako.
Električno polje, magnetsko polje i Poyntingov vektor
Za istosmjernu struju bismo još možda mogli povjerovati da je električna energija sadržana u kinetičkim energijama elektrona. Ali, ta naivna ideja pada u vodu u slučaju izmjenične struje. Kad bi električnu energiju prenosili elektroni onda bi, u slučaju izmjenične struje, energija malo tekla od izvora prema potrošaču, a malo od potrošača prema izvoru, u prosjeku energija se ne bi prenosila. Iz iskustva znamo da se energija itekako prenosi. Prema tome, naivna ideja da električnu energiju prenose elektroni očito nije dobra. Što onda prenosi električnu energiju?
Električni naboj u okolnom prostoru stvara električno polje. Usmjereno gibanje električnog naboja, ili električna struja, u okolnom prostoru stvara magnetsko polje. I električno i magnetsko polje, u zajedničkoj slici elektromagnetsko polje, fizički su entiteti (nisu tek matematičke apstrakcije) koji nose energiju. U tim je poljima, dakle, pohranjena energija.
S druge strane, usmjereno gibanje elektrona postoji, ali je maleno. I vrlo sporo. Teorijski računi i eksperimenti pokazuju da ono nema nikakve veze s prijenosom energije. Električnu energiju zapravo prenosi elektromagnetsko polje, polje koje je izvan vodiča. Električna struja teče kroz vodič, ali električna energija teče izvan vodiča, s vanjske strane vodiča, poput neke mistične, pseudoznanstvene aure.
Električno polje je svojstvo u prostoru koje stvara raspodjela električnih naboja. Slično tome, magnetsko polje je svojstvo u prostoru koje stvara električna struja, odnosno električni naboji u usmjerenom gibanju. Vektorski umnožak električnog i magnetskog polja (podijeljen s permeabilnošću vakuuma, μo) daje fizičku veličinu koju nazivmo Poyntingov vektor, prema fizičaru Johnu Henryju Poyntingu, koji je tu veličinu izveo još 1884. godine. Iznos tog vektora odgovara intenzitetu, energiji po jedinici površine po jedinici vremena. A smjer Poyntingovog vektora, smjer u kojem se prenosi energija, okomit je i na smjer električnog polja i na smjer magnetskog polja.
Kako se zapravo prenosi električna energija
Najjednostavniji istosmjerni strujni krug sastoji se od baterije (istosmjernog izvora napona), trošila (nekog otpornika) te vodiča kojima su baterija i trošilo povezani. Električna struja teče od pozitivnog pola izvora, kroz otpornik, prema negativnom polu pa kroz samu bateriju ponovo do pozitivnog pola. To je, takozvani, tehnički smjer struje. U stvarnosti, elektroni se gibaju u obrnutom smjeru, no to sad nije važno.
Ono što jest važno je ovo: električna struja izvor je magnetskog polja, a vektor magnetskog polja ima smjer tangente na kružnicu u čijem je središtu vodič (ili baterija ili otpornik). Na gornjoj slici vektori magnetskog polja prikazani su kao zelene strelice. Električno polje ima smjer od pozitivnog prema negativnom naboju. Unutar baterije i unutar otpornika ima smjer prema dolje, kao što pokazuju crvene strelice na slici. U prostoru između vodiča električno polje ima smjer tangente na silnice, crtkane linije koje povezuju vodiče. Te silnice su zamišljene linije kojima vizualiziramo polje. Premda su zamišljene (povezuju točke krivulje okomite na plohe istog električnog potencijala) nisu izmišljene, mogu se precizno izračunati ovisno o geometriji vodiča i iznosu struje. Vektori električnog polja prikazani su kao crvene strelice.
Konačno, Poyningovi vektori prikazani su kao plave strelice. Oni se dobiju matematičkim postupkom vektorskog množenja električnog i magnetskog polja i predstavljaju smjer toka električne energije. Kao što se vidi na slici, u prostoru oko vodiča energija teče od izvora prema trošilu. Također, teče iz baterije i u trošilo. Unutar vodiča, električna energija se „troši”, što zapravo znači da zagrijava vodič. To je onaj dio energije koji se ne prenosi od izvora do trošila nego se pretvara u toplinu, koju nazivamo Jouleova toplina. Sam materijal vodiča je svojevrsna smetnja prijenosu energije. Energija zapravo teče oko vodiča. Prenosi ju elektromagnetsko polje koje nije tek matematički konstrukt nego stvarni fizički entitet. Nematerijalan, ali stvaran. To je dobar protuargument onima koji tvrde da su fizičari „materijalisti koji vjeruju samo u ono što mogu opipati”.