Думаю, многих любителей электроники зацепила волна обсуждений видео на канале Veritasium ( EN | RU ). Я его видел в рекомендациях на YT, но смотреть не стал, так как заголовок «Большое заблуждение об электричестве», скорее, оттолкнул. Через какое-то время мой друг-физтех задал мне задачу из этого видео, я интуитивно выбрал тот ответ, который был указан как правильный в видео. Но потом в рекомендации YT полетели «В чём ошибся Veritasium?» и так далее, тут я уже не смог пройти мимо. И делюсь своими мыслями.
Сразу скажу, что я за интересный и развивающий YT и очень уважаю англоязычный сегмент за множество качественных каналов, популяризующих науку, причём с миллионами подписчиков. Поэтому базово я на стороне Veritasium. Но тут он заигрался с популяризацией немного. И сейчас я поясню эту мысль.
Какую цель преследовал автор?
Допустим, что цель была бескорыстная. Рассказать о том, что электрическая энергия переносится ЭМП.
Какая стратегия достижения цели была выбрана?
Он взял за основу сюжета рассмотрение задачи с контринтуитивным ответом. Задача, кстати, не самая простая с точки зрения строгого рассмотрения. Но он и тут подстраховался - и обсудил её решение с уважаемыми специалистами и в описании к видео приложил строгие выкладки. В первый вариант я при беглом прочтении не въехал, а второй совпадал с тем, как я сам рассматривал эту задачу.
Какая аудитория у канала?
Очевидно, это не разработчики электроники, хотя и для нас тут есть, что на ус намотать, до этого тоже дойду. Но всё же основная часть аудитории - люди, интересующиеся наукой, но без специальных знаний и опыта. Поэтому нужно упрощать, максимально упрощать. Это и была роковая ошибка.
Я считаю, что упрощать имеют право только эксперты, которые при этом могут занять позицию не-эксперта. Автор канала экспертом не является, поэтому он упустил один важный вывод, заигравшись в разрушителя мифов об электричестве. Поэтому в комментариях легко было встретить комментарии типа «Мне казалось, что я что-то понимал об электричестве» или «Зачем тогда нужны провода?». Ведь действительно, если электрическую энергию переносит ЭМП, то долой провода, особенно толстые, и давайте уже разбираться с тем, с чем экспериментировал загадочный Тесла.
Автору канала достаточно было предвосхитить этот ошибочный вывод и уточнить, что всё же в линиях передачи ЭМП сконцентрировано вдоль проводов, особенно для постоянного тока и для тока низких частот. И как раз там основная часть энергии. Высокие частоты - это больше про информацию. И именно информация о включении мгновенная доходит до источника за счёт ёмкостной связи. Возможно, вообще вектор Умова-Пойнтинга слабо применим для стационарных полей - тут мне подскажут специалисты в физике электромагнетизма.
Но он это не сделал - и на него набросились эксперты-комментаторы и авторы каналов, специализирующихся на теме электричества. Сразу скажу, что из четырёх видео, которые я из интереса посмотрел, было два на русском и два на английском. И проследил такую закономерность - чем больше автор нападал на исходное видео, тем он более некомпетентен. И тем более жёлтая была вывеска у видео, в общем, на первый план уже выходила не образовательная цель, а маркетинговая.
Выводы
Изначальная цель, если она была образовательная не решена на 100%. Часть неподготовленной аудитории только запуталась. Это и есть обратная сторона популяризации науки. По тонкому льду ходить приходится.
Видео вызвало YT-дискуссию. Это интересный феномен, в том числе и с точки зрения маркетингового продвижения. Может, это было двухходовка от Veritasium? Вряд ли, конечно, так как с подписчиками проблем у него нет и авторитет тут дороже. При этом, на мой взгляд, в видео нет фактологических ошибок. В том, что он сказал. Ошибка была - не сказать то, что обсуждалось выше.
Я не стал эту задачу рассматривать с точки зрения электроники, но если это интересно, сделаю это. Пока скажу, что самые точные комментарии - на EEVBlog. Я посмеялся на его реакцию на портрет и уравнения Максвелла. Плюсом - ссылка на разбор, который сам автор Veritasium выкладывал.
Разработчикам печатных плат важно помнить про то, что энергия на ВЧ переносится полем. И задача как раз и заключается в разработке таких линий передачи, которые будут концентрировать эту энергию вокруг печатной дорожки. О том, как это делать, я много писал, в том числе на Хабре.
Комментарии (40)
GospodinKolhoznik
12.12.2021 21:32+1А разве с помощью такой штуки нельзя передавать информацию быстрее скорости света? Ну например возле лампочки сидит A, на расстоянии светового года от него Б, от А до Б протянуты провода. Посредине между ними синхронизатор С. Далее рассматриваем все в СО связанной с С. С посылает в обе стороны световой импульс. В момент прихода импульса А включает рубильник, а Б размыкает, или не размыкает цепь в зависимости от того, какой бит он хочет передать. Передали информацию от Б к А с бесконечной скоростью. Либо лампочка включается не сразу, либо ошибка в моих рассуждениях, но не могу понять где.
SnakeSolid
12.12.2021 21:45+2Очень упрощенно - при включении провода работают как антенны, при этом первый передает часть импульса на второй за 1/с (по воздуху), а через секунду приходит основной сигнал (по проводу). Если на луне поставить резистор, то наводка останется прежней, но резисторе мы узнаем только через секунду.
GospodinKolhoznik
12.12.2021 21:50Ну то есть загорится ли лампочка или нет зависит от того была ли разомкнута или нет цепь в прошлом, в момент времени L/C секунд назад. Где L это расстояние от лампочки до точки потенциального разрыва. Так?
SnakeSolid
12.12.2021 22:02Да, и не зависит от того, что происходит на луне. Более формально - лампочка "горит" если на стороне переключателя был переходный процесс 1/с секунд назад. И чем дальше в прошлом был импульс тем тусклее горит лампочка.
Можете посмотреть вот это видео - https://www.youtube.com/watch?v=OSkudhqU3Ck , там более менее наглядно показано как это работает
iamsam Автор
12.12.2021 22:42+1Нравятся мне эти мужики из Новосибирска, но тут не очень они точны, неверно распределение заряда показали в конце, без учёта емкостной связи. Лучше смотреть видео EEVBlog или читать второе объяснение по ссылке на Veritasium.
iamsam Автор
12.12.2021 22:39+1Лучше к таким выкладкам чертёж прикладывать, иначе можем не разобраться. Ошибка точно где-то есть. Мне непонятно откуда взялся тезис о бесконечной скорости передачи от А к Б. Возможно, неверно обобщёны выводы для задачи из видео.
kudar
13.12.2021 13:46Я задумывался о том же самом, что и GospodinKolhoznik, вот схема. Если утверждается, что лампочка загорается через 1/с, и при этом не уточняется, что лампочка сверхчувствительная, а зажёгший ее импульс не зависит от всей схемы, то может сложиться впечатление, что А спустя 1/с после нажатия своего переключателя может узнать о состоянии выключателя Б. Это все, в принципе, уже разобрано выше в этой ветке.
iamsam Автор
13.12.2021 14:19Да, там всё правильно написано, лампочка загорится сразу, а о состочнии дальнего конца узнаем после того, как волна от него отразится. По типу переходного процесса. Скорость света тут не обогнать, даже в 2 раза медленнее будет, чем просто отправить данные от Б.
Indemsys
12.12.2021 22:07Что-то я не понял официальное разъяснение.
Там так легко расщепили источники ссылаясь на эквивалентность суперпозиции при этом проигнорировав расстояние.Откуда берётся этот ток антенного режима ? Где тут рубильник?
.
omxela
12.12.2021 23:43+4Исходное видео посмотрел. По-моему, автор в стремлении пролить свет истины на не очевидный в быту вопрос, впал в несколько противоположную крайность. Вопрос-то школьный. Раньше его любили задавать на устных вступительных экзаменах по физике: отчего течет ток в цепи (если он там течет)?
(1) А он там течет? Это не теоретический вопрос. Вот у вас есть лампочка. К ней подходят провода. Берёте вольтметр, амперметр - ток течет.
(2) Так это, оказывается, вектор Пойнтинга срывается с полей вокруг проводов и жадно всасывается нашей лампочкой (так у автора). Использовать вектор потока энергии очень заманчиво. Но таит некоторые неприятности.
(3) Пусть у нас есть некая электрическая цепь неизвестной топологии. Найдём её удаленный участок. Посмотрим, что там делается. Измеряем разность потенциалов. Она есть. Когда по проводнику течет ток, то он уже не является эквипотенциальной поверхностью, как в статике. Значит, вдоль проводника направлено электрическое поле (откуда оно взялось - это, собственно, и есть вопрос). В проводнике есть свободные электроны. Под действием поля они двигаются. То есть, есть ток. То есть, имеется локальное кольцевое магнитное поле вокруг проводника. Всё, как у автора. Только вот с вектором Пойнтинга беда - он направлен, очевидно, внутрь проводника перпендикулярно его поверхности. Это не я такой умный - у Фейнмана в лекциях этот вопрос разобран.
(4) Я уже не говорю о том, что вектор Пойнтинга неоднозначно определён (с точностью до ротора любого вектора). Поэтому физический смысл имеет только поток этого вектора и только через замкнутую поверхность.
(5) Сам тезис "ток вызывается внешним электрическим полем" тоже нельзя понимать буквально. Простой мысленный эксперимент. Есть заряженный плоский конденсатор. Соединим его пластины тоненьким "пробным" проводником хитрой формы: он идёт от отрицательной пластины к положительной, не доходит, поворачивает обратно, не доходит, обратно - и на положительную пластину. Такой сифон. Ток пойдёт? Конечно. Но если ток определяется внешним полем, то средний участок сифона не даст ему пройти.
(6) Так что же гонит электроны через амперметр в локальном участке цепи? Это же экспериментальный факт. Уж точно не внешнее поле. Можно, как в конденсаторе, придумать завитой проводник так, что ток скомпенсируется и его не будет. А он будет, что очевидно, если есть батарейка.
(7) Раз внешнее поле не при чём, остаётся только внутреннее электрическое поле в самом проводнике. А откуда оно берётся? А ему неоткуда больше взяться, кроме как от распределения зарядов в самом проводнике. Этим, собственно, батарейка и занимается - создаёт "волну" разностей потенциала, которые устанавливаются в цепи рано или поздно (зависит от протяженности и сложности цепи, и от элементов, включенных в неё, скажем, ёмкостей, индуктивностей и всего прочего).
(8) Остальные выводы на усмотрение читателя.
iamsam Автор
13.12.2021 00:03+2Заигрался - это точно :-). Для постоянного тока вектор Пойнтинга направлен внутрь провода, да, это про тепловые потери как раз. Про проводник хитрой формы - у меня сомнения в том, что электрическое поле не изменится между обкладками.
technic93
13.12.2021 00:40У меня бомбануло уже от самой первой картинки (скриншот с вектором Пойтинга). Он нарисован неправильно и по амплитуде и по направлению :)
iamsam Автор
13.12.2021 01:04+2Рисунок условный с точки зрения амплитуды, конечно же. И там ещё есть момент, что проводники сверху и снизу идеальные - это эквипотенциальные поверхности, так что тут нормально всё с направлениями, на мой взгляд.
technic93
13.12.2021 01:09Да, идеальные проводники и идеальная лампочка это выдумка, после которой я считаю видео можно не смотреть.
iamsam Автор
13.12.2021 01:13+2Ну, некоторые идеализации всё же помогают понять важные вопросы. Главное всегда понимать границы применимости упрощений - в этом мастерство :-).
omxela
13.12.2021 11:56Тут Вы правы, безусловно. В составлении физических задач (в этом есть и были большие мастера) есть важнейший принцип: задача должна быть корректно поставленной. То есть, вы не должны двумя разными решениями получать два противоречащих друг другу решения. У одного моего знакомого мастера был хороший пример задачи, которая реально стояла в задачниках: кирпич на наклонной плоскости. Если это реальный кирпич на реальной плоскости - то нужно смотреть на этот конкретный кирпич. Если это идеальный параллелепипед на идеальной плоскости, то решающий вправе сделать свои предположения о том, где именно приложена равнодействующая сил. и от этого предположения будет зависеть ответ.
Данная задача про Луну и лампочку является типичным примером такой противоречивой задачи. Действительно, а почему Луна? Давайте с тем же успехом забросим провода в одну далёкую галактику. Сопротивление? Уберём. Упс. И вот тут всё ломается. Электроны на длинных локальных участках цепи будут разгоняться до релятивистских скоростей - батарейка не выдержит. Выдержит? Пусть. Но вот коварный инопланетянин (типа, демон Максвелла) в той галактике перережет провод. А наш друг в ролике включит рубильник. Что с лампочкой? Загорится, говорит автор. ОК. А зачем вам тогда провода-то нужны? Выкинем их (хотя жалко). Лампочка горит. А откуда тогда батарейка знает, какую именно лампочку зажигать?
AiratGl
13.12.2021 14:18+1Если лампочка загорается от сколь угодно малого тока, как у Дерека, то провода действительно не нужны. Можно поднести к полюсу батарейки кусочком металла, заряды в ней начнут перераспределяться, движение зарядов создаст ЭМ волну, она наведет в лампочке ток и она загорится. Ток конечно будет ниже квантовых флуктуаций и исчезнет, если ничего не двигать, но такая идеальная лампочка загорится.
omxela
13.12.2021 11:35Это аналог пробного заряда в электростатике. Ток через проводник можно сделать сколь угодно малым (сопротивление в нашей власти). Тут важен принцип - пойдёт или не пойдет этот малый ток. Он точно пойдёт.
technic93
13.12.2021 00:13Не понял название этого блог поста - "SamsPcbLab, часть 3", а где часть один?
iamsam Автор
13.12.2021 00:32+3Исторически была серия публикаций по проектированию печатных плат с общим названием SamsPcbGuide, потом возникли заметки про калькуляторы SamsPcbСalcs, а SamsPcbLab - это колонка на общие темы около разработки электроники. Часть первая где-то есть в статьях, там про запуск сообщества.
technic93
13.12.2021 00:55+1Я остался не доволен видео Дерека, на мой взгляд одно из худших видео в его карьере. И я также остался не удовлетворён теми видео-ответами что я увидел. Была одна симуляция более менее адекватная в каком-то пакете где рассмотрен кусок железа прямоугольный, но там явно не ютубер делал и получилось занудно и долго, так что я просто прокликал и не понял какой вывод. Были симуляции в каких-то пакетах для электросхем, через набор нескольких десятков идентичных елементов, но там не решён вопрос с изначальным пиком. Так же там цифры для емкостей и индуктивностей брались непонятно откуда, а обычного джоулевского сопротивления вообще не было.
Хотя я уверен что задача о двух параллельных проводах, это что-то очень элементарное. Просто "shut up and calculate". Но видимо как написал выше, негласное правило ютуб блогеров заключается в том что они делают контент для деградантов.
MinimumLaw
13.12.2021 07:44+2Да, смотрел я то видео. На заданный вопрос ответил что-то другое. Ибо да, проф деформация, самоиндукция и все такое однозначно не дают привязаться к скорости света, а ответ 1/С для практика выглядит чем-то совсем не тем.
Правда видео посмотрел только вчера. И комментировать не стал. А смысл? В идеальном мире с отсутствующими RLC у линии связи наверное так и будет. А в видео специально оговаривалось, что речь именно о таком идеальном мире.
В целом, я согласен с выводами @iamsamЛюбая популяризация всегда должна заканчиваться фразой про то, что реальный мир сильно сложнее и даже в первых трансатлантических (сильно более коротких!!!) кабелях качество довольно низкоскоростного телеграфного сигнала падало очень и очень существенно. Но, пожалуй, я готов оставить это на совести автора. В конце-концов у меня всегда есть способ простенько и наглядненько опровергнуть данное утверждение. И лишний раз доказать умеющим гуглить всезнайкам что реальный мир сильно сложнее представления о нем экспертов из интернета.
Потому у меня не бомбануло. Но задуматься заставило. А ведь именно это основная цель популяризаторских видео. И в этом смысле оно вполне сработало.
iamsam Автор
13.12.2021 11:05+1Ценная мысль, что популяризаторское видео должно заставлять задуматься! При этом тогда оно и сценарировано должно с соответствующим акцентом. А тут всё же по схеме "задача - ответ". И есть иллюзия того, что тебе всё рассказали. Было бы здорово в конце делать или ещё один вопрос на подумать, или предостерегать от неправильных обобщающих выводах. Но то, что многие задумались - это, действительно, здорово, околонаучная дискуссия интересная получилась на YT.
Shiny2
13.12.2021 10:54Там важна форма проводника, это прямоугольник с микроскопической длинной и огромной шириной, почему-то в видео на этом внимание не заостряется, видимо чтобы потролить зрителей. Если бы это были не просто провода а кремниевая микросхема такой формы, то вопросов почему она так быстро работает возникло меньше.
juramehanik
А всего бы этого шума не было, если бы он сразу в видео рассказал бы про длинные линии, о которых и была задача, если я правильно понял.
iamsam Автор
А как это просто объяснить? Это уже из разряда специальных знаний и делает видео менее понятным, снижает рейтинг.
Я как-то предлагал автору одного популярного русскоязычного YT-канала сотрудничество по теме разработки печатных плат. Было сказано, что такое у нас трудно развить, аудитория YT, цитата, дегродная. Я тогда, конечно, очень удивился такому отношению. Но цифры говорят сами за себя - у того же Дэйва с EEVBlog подписчиков в 6 раз меньше, чем у мужика, который бьёт себя электрическим током на канале ElectroBOOM.
Моя позиция тут, что, во-первых, аудиторию нужно направлять и ожидать от неё большего, а во-вторых, именно те, кто подписываются на интересный контент, меняют мир и развивают технологии, ради них и стоит что-то делать.
old_gamer
Очень согласен с Вашей позицией, есть тому и пожтверждения в виде Numberphile, 3blue1brown и т.п. с огромной базой подписчиков.
ElectroBOOM, кстати, тоже выкатил ответ Veritasiumy, видели?
iamsam Автор
3blue1brown - это вообще гениальная вещь, при этом настолько интеллигентная и интересная!
Да, он как раз один из двух англоязычных авторов, которых посмотрел, второй - Дэйв с EEVBlog. Он там что-то более-менее адекватное рассказывал, но, похоже, просто подсмотрел у того же Дейва. Я не знаю его компетенций, но не кажется, что он больше в развлекательный уходит контент, клоунаду. При этом совершенно безответственно - кто-то может и умереть, если такие фокусы попробует повторить.
lz961
а если линия "короткая", энергия не вдоль вектора Пойнтинга распространяется, а как-то по другому?
iamsam Автор
Вектор Пойнтинга и теорема выводятся из уравнений Максвелла, коим подчиняется всё, так что ничего другого быть не может. Но глубокая математика электромагнетизма - это не то, чем я сходу могу жонглировать, так что могу где-то ошибиться. Насколько я понял из вывода теоремы Пойнтинга, там эта история теряет смысл для статической задачи, для случая постоянного тока. Но тут, конечно, хочется, чтобы в чат зашёл специалист в этом вопросе :-).
lz961
>> Насколько я понял из вывода теоремы Пойнтинга, там эта история теряет смысл для статической задачи, для случая постоянного тока.
Почему теряет? Ток течёт -- есть магнитное поле. Напряжение на нагрузке падает -- есть электрическое поле. Учитывая, что силовые линии электрического поля начинается на проводниках и почти (с поправкой на конечную проводимость) перпендикулярны им, а магнитные поля практически параллельны поверхностям проводников, получаем ненулевое векторное произведение E и B, направленное в нужную сторону. Доказательство теоремы Пойнтинга не требует, хотя и допускает, изменения электромагнитного поля с течением времени.
>> Но тут, конечно, хочется, чтобы в чат зашёл специалист в этом вопросе :-).
Вопрос уровня институтского курса общей физики и вполне может быть уточнён даже по статьям в Википедии. Стоит ли из-за этого беспокоить специалистов?
iamsam Автор
Если Вы посмотрите на вывод теоремы Пойнтинга на той же Википедии, то увидите там производные векторов напряжённости ЭП и МП по времени. Вектор Пойнтинга был введён в это уравнение как обозначение, после чего из математической записи уравнения получалось, что вектор с таким определением играет роль плотности потока энергии.
Следует ли из этого, что его можно применять для статических полей - я не знаю, я бы задался этим вопросом, по крайней мере. Например, таким вот дурацким. Вот у меня статическое поле плоского конденсатора, и я перпендикулярно ему направляю поле постоянного магнита. Там где будет перенос энергии в пространстве?
Посмотрел третий том великого и прекрасного Сивухина, по которому учились в институте, и там он очень спокойно выводит для постоянного тока джоулевы потери из определения вектора Пойнтинга. Красиво? Красиво, но я бы не был уверен в простоте сложных задач всё же.
lz961
>> Вот у меня статическое поле плоского конденсатора, и я перпендикулярно ему направляю поле постоянного магнита.
И чему у вас будет равна дивергенция такого вектора?
iamsam Автор
Вот, правильные вопросы, дивергенция равна нулю, поэтому потока не должно быть по определению. То есть тут нельзя просто с таким вектором ассоциировать какие-то потоки энергии, как минимум.
В общем, Вы заставляете меня курс общей физики вспоминать. Это интересно всегда как упражнение, но тут мне цель не понятна.
Если Вы этим не занимаетесь по основной работе, но держите это всегда в голове - почёт и уважение. Я с этими уравнениями давно не сталкивался, потому что прекрасно получается печатные платы разрабатывать без теоремы Пойнтинга :-). Поэтому я и назвал специалистами тех, кто решает реальные научные задачи в своей профессиональной деятельности, используя этот математический аппарат. И они бы сразу ответили. Например, а что в зоне краевых эффектов поля конденсатора? Что там с этой дивергенцией? Для меня этот вопрос не очевиден, надо разбираться. Но понятно, что никакого потока энергии там тоже нет.