Раздел 9. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ТВЁРДЫХ ТЕЛАХ. НАМАГНИЧИВАЕМОСТЬ
Перенос электричества без переноса вещества.
После того, как в физике было установлено, что электричество не является отдельной субстанцией, и что носителями электричества, т.е. электрических зарядов, являются только частицы вещества – стало считаться само собой разумеющимся, что упорядоченные движения электричества, т.е. электрические токи, возможны только при соответствующих движениях заряженных частиц вещества. Это кажется настолько самоочевидным, что обычно не допускается даже мысль о том, что может происходить перенос электричества без переноса вещества. «Заряды же – на частицах! Если частицы не перемещаются, то и заряды остаются там же, где были!»
Эта логика безупречна – но она работает при важном неявном допущении о том, что каждая частица, обладающая элементарным электрическим зарядом, обладает им постоянно во времени. По этой логике, суммарный заряд атома, имеющего равные количества протонов и электронов, всегда тождественно равен нулю. Однако, по логике «цифрового» физического мира, сама процедура связывания пар «протон-электрон» в атомах осуществляется через циклические попеременные «отключения» элементарных зарядов того и другого (6.4), а отклонение скважности этих попеременных отключений от центрального значения в 50% даёт доминирование одного из этих зарядов во времени – зарядовый разбаланс (7.1). Имея зарядовый разбаланс, атом с равными количествами протонов и электронов ведёт себя как обладатель ненулевого электрического заряда. Такой подход позволяет прояснить многое: природу нерезонансного квантового возбуждения атомов (7.2), свойства диэлектриков (7.3), природу радиоволн (7.4), разницу между валентными и невалентными атомарными электронами (7.5), тайну химической связи (8.3) и невероятную реакционную способность свободных радикалов (8.9).
|
|
|
Но чудеса – продолжаются! При тесном контакте атомов, особенно через химическую связь, статический зарядовый разбаланс – т.е., ненулевой заряд – может быть передан с одного атома на другой, соседний. Обратите внимание: при этом, оба атома остались там, где были – со всеми своими субатомными частицами – а ненулевой электрический заряд переместился. Он может и дальше перемещаться – с атома на атом, с атома на атом… Т.е., в конденсированных средах, особенно в твёрдых телах, при определённых условиях возможен перенос электричества без переноса вещества. Упорядоченное движение электричества в таком режиме – это тоже, по определению, электрический ток. Этот ток зарядовых разбалансов оказывает такие же действия на заряженные частицы, как и привычный нам ток проводимости: вызывает индукционные токи, производит магнитное действие, и т.д. Вспомним, что Максвелл [М3] говорил о двух типах токов: «токах обычного вида» и «токах смещения». Эти два типа токов входили в уравнения Максвелла на равных правах. «Токи обычного вида» – это токи проводимости, обусловленные упорядоченным движением заряженных частиц. А что такое «токи смещения», Максвелл не пояснил – он же не знал про зарядовые разбалансы и про то, что они могут передаваться с атома на атом. Но в реальности «токов смещения» Максвелл не сомневался – будучи честным и здравомыслящим исследователем. Наука же пошла по другому пути…
|
|
|
В этом разделе мы постараемся показать, что токи зарядовых разбалансов встречаются в Природе едва ли не чаще, чем обычные токи проводимости. Причём, в проявлениях тех и других всё-таки имеется важное различие: поскольку при токах зарядовых разбалансов не происходят никакие подвижки вещества, то эти токи не сопровождаются потерями на джоулево тепло.
Металлы: два механизма электропроводности.
Как отмечалось выше (8.6), в металлах совсем немного свободных электронов – даже в меди, одном из лучших проводников, один свободный электрон приходится на полтора-два миллиона атомов [Г5]. Этими электронами и обеспечиваются обычные токи проводимости в металлах. Но не следует думать, что электрон в металлическом проводнике, подчиняясь приложенной разности потенциалов, способен продвинуться на всю длину этого проводника – с «отрицательного» его конца на «положительный» – оставаясь свободным. Атомы в металлах упакованы довольно плотно, так что в поперечном сечении проводника нет просветов, дающих лазейки для свободных электронов на всю длину проводника. Пронизывать атомы насквозь – этого электроны с малой энергией тоже не могут, из-за наличия в атомах сфер непроницаемости (6.5). Фактически, для свободных электронов с малой энергией, плотная упаковка атомов в твёрдом теле является препятствием, которое «в лоб» непреодолимо. Иначе в Природе не было бы твёрдых диэлектриков.
|
|
|
Но что тогда отличает от диэлектриков металлы, которые славятся своей электронной проводимостью? На наш взгляд, это отличие заключается в том, что структура металлов держится на переключаемых химических связях между атомами (8.6). При этом, возможность продвижения в металле свободного электрона к аноду реализуется, как это ни парадоксально, через потерю этой свободы.
|
|
|
Действительно, переключения направленных валентностей у атома металла и его ближайших соседей не могут быть согласованы идеально, поэтому в атомах металлического образца всегда имеется некоторый процент валентных связок «протон-электрон», которые являются временно свободными, т.е. не задействованными в химических связях. Свободная валентная связка «протон-электрон», имея квант теплового возбуждения, испытывает осцилляции зарядового разбаланса на частоте, соответствующей энергии этого кванта (7.2). Когда электрон из этой связки находится в «тепловом небытии», а протон из этой связки – в «тепловом бытии» (7.5), для находящегося рядом свободного электрона есть вероятность войти в область удержания атомарного электрона (6.4) и стать охваченным действием алгоритма, связующего его с протоном (6.4), т.е. войти в состав атома – с освобождением электрона, который занимал это место прежде. Этот новый свободный электрон, двинувшись к аноду, упрётся в следующий атом, где возможно повторение сценария – включение этого электрона в состав атома, с освобождением следующего электрона, и так далее. Продвижение электронов к аноду будет происходить по цепочкам «ротации кадров» между свободными и связанными электронами. Так, на наш взгляд, и работает механизм электронной проводимости в металлах. Интересно: эксперименты по измерению подвижности свободных электронов в металлах дают, что при протекании постоянного электрического тока, скорость перемещения роя электронов составляет миллиметры в секунду [П1,К9].
По логике нашего подхода, вероятность вышеописанного замещения атомарного электрона тем больше, чем дольше валентная связка «протон-электрон» пребывает в свободном состоянии. При увеличении температуры металлического образца, в нём увеличивается частота валентных переключений [Г6], отчего укорачиваются времена пребывания валентных связок «протон-электрон» в свободном состоянии – и, значит, затрудняется продвижение электронов в режиме «ротации кадров». Таким образом, электропроводность металлического образца будет зависеть от температуры. В условиях одной и той же разности потенциалов на его концах, при более высокой температуре через его поперечное сечение будет продвигаться, в среднем, меньшее количество электронов в единицу времени, т.е. сила тока электронов в нём будет меньше – это интерпретируется как увеличение омического сопротивления металлов с увеличением температуры.
Но металлы способны проводить электричество не только с помощью свободных электронов. Смотрите: если в проводнике течёт ток, то не всегда очевидно, зарядами какого знака он обеспечивается – ведь как отличить движение отрицательных зарядов «туда» от движения положительных зарядов «обратно»? А вот, есть замечательное явление – эффект Холла. Образец, через который пропускают ток, помещают в поперечное магнитное поле. Если ток в образце создаётся отрицательными зарядами, то, из-за действия силы Лорентца, они испытывают снос к той же боковой грани образца, к которой испытывают снос и положительные заряды, если ток создаётся ими. В холловской методике исключена эквивалентность тока отрицательных зарядов противотоку положительных зарядов, поэтому по холловской разности потенциалов любят определять знак доминирующих зарядов, отвечающих за электропроводность образца. Так, вот: оказалось, что есть металлы, в которых доминирует мобильное положительное электричество. Уже Поль [П1] называл два таких металла – цинк и кадмий. На сегодня таких металлов известно десятка полтора. Заметим, что когда мобильное положительное электричество в металле доминирует – это аномалия. А когда оно не доминирует, но всё-таки есть – это норма. Не хотелось бы Вам, дорогой читатель, задать академикам вопрос – а что представляют собой мобильные носители положительного электричества в металлах?
Наша же версия такова. Поскольку достоверно известно, что в металлах нет мобильных частиц, несущих положительный заряд, мы обратимся к модели переноса электричества без переноса вещества (9.1). Ненулевые эффективные заряды, в форме статических зарядовых разбалансов, имеются в валентных атомарных связках «протон-электрон» (7.5). При переключениях направленных валентностей в атомах металлов (8.6), состояния статических зарядовых разбалансов передаются из тех связок «протон-электрон», которые временно перестают быть валентными, в те, которые временно становятся валентными. А, по химическим связям, эти состояния могут передаваться с атома на атом (9.1). При отсутствии внешних электрических воздействий, общая картина таких подвижек зарядовых разбалансов в металлическом образце является хаотической: это движение неупорядоченно. При наличии же внешнего электрического воздействия, общее движение зарядовых разбалансов в металлическом образце приобретает ту или иную степень упорядоченности, что проявляется как нескомпенсированное движение электричества – и это без каких-либо подвижек вещества.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 95; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!