Три мифа электродинамики

 

Для того чтобы заниматься физикой, нужна большая фантазия. Это известная шутка, но мало кто догадывается, насколько это правда. Электродинамика сейчас стоит на трёх физических мифах, как плоская Земля стояла на трёх слонах в представлениях древних учёных.

Три мифа электродинамики придуманы для трёх основных величин электродинамики:

1. Электрического тока.

2. Силы Ампера.

3. Магнитного поля проводника с током.

Достаточно просто можно показать, что существующие теоретические предположения не соответствуют экспериментальным данным.

 

Миф первый.

Электрический ток

 

 

Явным пробелом теории электродинамики в настоящее время является отсутствие физического механизма электрического тока, соответствующего реально наблюдаемому физическому явлению.

Критерием любого научного исследования должна быть научная честность. Даже самые дорогостоящие эксперименты и самая тяжёлая математика не могут приблизить к истине, если исследователи используют физический эксперимент исключительно для подтверждения своей правоты.

Результаты физических экспериментов, которые, как считается, открыли электрический ток, были с самого начала истолкованы односторонне. Эксперименты проводились с целью доказать, что ток в проводниках переносится свободными электронами. Других вариантов не рассматривалось. Механизм электрического тока представляется физикам примитивным потоком электронного газа в границах проводника, как воды в шланге.

«Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о природе носителей тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде (1863 - 1906) и разработанной впоследствии нидерландским физиком Х. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.

Первый из таких опытов - опыт К. Рикке (1901), в котором в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндра (Сu, Al, Cu) одинакового радиуса. Несмотря на то, что общий заряд, прошедший через эти цилиндры, достигал огромного значения (Кл), никаких, даже микроскопических, следов переноса вещества не обнаружилось. Это явилось экспериментальным доказательством того, что ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897г. английским физиком Д. Томсоном (1856 - 1940) электроны.

Для доказательства этого предположения необходимо было определить знак и величину удельного заряда носителей (отношение заряда носителя к его массе). Идея подобных опытов заключалась в следующем: если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока; по направлению тока можно определить знак носителей тока, а, зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей.

Идея этих опытов (1913) и их качественное воплощение принадлежат российским физикам С.Л. Мандельштаму (1879 - 1944) и Н.Д. Папалекси (1880 - 1947). Эти опыты в 1916 году были усовершенствованы и проведены американским физиком Р. Толменом (1881 - 1948) и ранее шотландским физиком Б.Стюартом (1828 - 1887). Ими экспериментально доказано, что носители тока в металлах имеют отрицательный заряд, а их удельный заряд примерно одинаков для всех исследованных металлов. По значению удельного заряда носителей электрического тока и по определенному ранее Р. Милликеном элементарному электрическому заряду была определена их масса. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпадали. Таким образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой.

По теории Друде - Лоренца, электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, применяя выводы молекулярно - кинетической теории, можно найти среднюю скорость теплового движения электронов

, (1)

которая для Т=К равна м/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока.

При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник, кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток. Средняя скорость упорядоченного движения электронов можно оценить согласно формуле для плотности тока.

, (2)

Выбрав максимальную допустимую плотность тока, например для медных проводов , получим, что при концентрации носителей тока средняя скорость упорядоченного движения электронов равна м/с. Следовательно, , т.е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обусловливающих электрический ток, значительно меньше скорости их теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость можно заменять скоростью теплового движения ». [3]

В результате опыта К. Рикке можно было сделать два предположения: первое - что ток переносится электронами и второе - что ток переносится стационарным электрическим полем проводника. Однако проверялось только одно предположение. Это не означает, что направленного движения электронов нет, но не нужно путать причину и следствие. Сначала возникает поле проводника, потом начинают двигаться электроны.

Второй эксперимент, давший начало современному представлению об электрическом токе, был поставлен физически не корректно. При резком торможении катушки с проводом электроны действительно смещаются, и возникает постоянный ток, возбуждаемый силами инерции, но этот эксперимент не доказал, что носителями электрического тока являются именно электроны, ведь в этом эксперименте магнитное поле также было.

Если носителями тока являются электроны, то это означает, что при постоянном токе электроны от электростанции до потребителя дойдут лет через сто, а при переменном токе – никогда.

При выводе механизма электрического тока описании не был учтён важнейший фактор – скорость электрического тока. Именно скорость не позволяет электронам быть носителем электрического тока. Внешнее электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света, и только оно может быть переносчиком электрического тока. Это очевидно, и в некоторых исследованиях это признаётся.

«Мы бы еще хотели подчеркнуть, что явление магнетизма - это на самом деле чисто релятивистский эффект. В только что рассмотренном случае двух зарядов, движущихся параллельно друг к другу, можно было бы ожидать, что понадобится сделать релятивистские поправки к их движению порядка . Эти поправки должны отвечать магнитной силе.

Но как быть с силой взаимодействия двух проводников в нашем опыте (рис.1)? Ведь магнитная сила - вся действующая сила. Она не очень - то смахивает на "релятивистскую поправку". Кроме того, если оценивать скорости электронов в проводе, то их средняя скорость вдоль провода составляет около 0,01 см/сек.

рис. 1

 

Итак, равно примерно . Вполне пренебрежимая "поправка". Но нет! Хоть в этом случае магнитная сила и составляет от "нормальной" электрической силы, действующей между движущимися электронами, вспомните, что "нормальные" электрические силы исчезли в результате почти идеального баланса из - за того, что количества протонов и электронов в проводах одинаковы.

Этот баланс намного более точен, чем , и тот малый релятивистский член, который мы называем магнитной силой, - это единственный остающийся член, он становится преобладающим.

Почти полное уничтожение электрических эффектов и позволило физикам изучить релятивистские эффекты (т.е. магнетизм), и открыть правильные уравнения (с точностью до ), даже не зная, что в них происходит». [1]

Это признание не только того, что физики не понимают природу физических процессов, ответственных за магнетизм, но и того, что их не интересует познание самих физических процессов.

Число (10.000.000.000.000.000.000.000.000) показывает несоответствие реальной и требуемой скорости электронов. Предполагать, что такое расхождение теории и эксперимента допустимо, могут только люди с очень большой фантазией.

 

 

Не корректное физическое определение постоянного электрического тока

 

Неправильные выводы из экспериментов по открытию электрического тока привели к физическому определению постоянного тока, которое ничего не определяет.

«В электродинамике - разделе учения об электричестве, в котором рассматриваются явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов или макроскопически заряженных тел, важнейшим понятием является понятие электрического тока.

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов». [3]

«Количественной мерой электрического тока служит сила тока - скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоянного тока

,

где - электрический заряд, проходящий за время через поперечное сечение проводника. Единица силы тока - ампер ». [3]

Существующее физическое определение предполагает,что постоянный ток есть направленное движение электронов. Направленное движение в физике описывается векторами, а величина постоянного электрического тока определяется скалярной величиной. Это очевидное противоречие связано с непониманием природы электрического тока. Но и это ещё не всё.

Всем известно, что есть переменный электрический ток, но он существует без своего физического определения.

Если мы попытаемся применить единственное существующее физическое определение к переменному электрическому току, то увидим, что определения переменного тока нет.

Единственное существующее физическое определение электрического тока (определяющее его как направленное движение зарядов) в применении к цепям переменного тока даёт «ноль» при достаточно большом времени измерения, и случайный результат по величине и направлению при малом времени измерения.

Такой пробел в точной науке, которой должна быть физика, не допустим. Можно конечно, воспользоваться не совсем корректным методом определения электрического тока через его тепловое воздействие, но этот метод годится только для обмана студентов. Физического механизма электрического тока классическая электродинамика предложить не может, а квантовой теории электрического тока в ней нет.

 

Миф второй

Сила Ампера

 

Вторая основная величина электродинамики сила Ампера также не достаточно определена. В настоящее время закон Ампера не полный. В электродинамике есть три вида электрических цепей: полная цепь, участок цепи – источник тока, участок цепи – потребитель тока. Закон Ампера в настоящее время существует только для участка цепи – потребителя тока. Для полной цепи и участка цепи – источника тока закон Ампера не сформулирован.

Это происходит потому, что сила Ампера, действующая на проводник с током, при переходе проводника из участка цепи – источника тока на участок цепи – потребитель тока (например, при переходе генератора в режим двигателя), меняет знак, а формула закона Ампера смены знака не предусматривает. Физикам нечем объяснить этот феномен, поскольку (по правилу буравчика) при смене направления силы Ампера, направление электрического тока остаётся неизменным, направление собственного магнитного поля проводника тоже.

 

 

Миф третий

Магнитное поле проводника с током

 

Отсутствие механизма электрического тока в электродинамике приводит к противоречию двух законов, определяющих магнитное поле проводника с током: эмпирического правила буравчика и теоретического закона Био – Савара – Лапласа.

Эмпирическое правило правого винта (буравчика), определяющее направление магнитного поля проводника с током - сформулировано следующим образом:

«Головка винта, ввинчиваемого по направлению электрического тока, вращается в направлении линий магнитной индукции».[3]

Для определения величины магнитного поля этого правила недостаточно, и здесь начинаются проблемы теории. Неправильное представление об электрическом токе не позволило физикам вывести корректную формулу для количественного определения магнитного поля проводника с током. При выводе основной формулы закона Био – Савара – Лапласа использовался метод подгонки теоретического результата под известный из эксперимента ответ с помощи большого количества эмпирических коэффициентов. Однако и это не позволило угадать направление магнитного поля.

Направление магнитного поля, получаемого из закона Био – Савара – Лапласа, не совпадает с направлением магнитного поля, получаемого из правила буравчика.

Правило правого винта (буравчика) описывает перекрещивающиеся вектора, а закон Био – Савара – Лапласа описывает пересекающиеся вектора. Перекрещивающиеся вектора не могут быть приведены к общему началу, поэтому основная формула закона Био – Савара – Лапласа физически не корректна.

«Магнитное поле постоянных токов различной формы изучалось французскими учеными Ж. Био (1774 - 1862) и Ф. Саваром (1791 - 1841). Результаты этих опытов были обобщены выдающимся французским математиком и физиком П. Лапласом.

Закон Био - Савара - Лапласа для проводника с током , элемент которого создает в некоторой точке А (рис. 2) индукцию поля , записывается в виде

, (4)

где - вектор, по модулю равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с током,

- радиус - вектор, проведенный из элемента проводника в точку А поля,

- модуль радиуса - вектора .

Направление перпендикулярно и , т.е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной». [3]

Последнее утверждение написано специально для студентов. Из формулы (4) следует совсем другой вывод: направление перпендикулярно касательной. В формуле (4) есть три вектора - , и . Остальные величины – эмпирические коэффициенты.

 

Рис. 2. Тройка векторов, построенная из закона Био – Савара - Лапласа.

 

Вспомним из векторной алгебры несколько условий векторного произведения векторов.

1. Вектор ортогонален векторам и .

2. Если и не коллинеарны, то векторы , и образуют правую тройку векторов.

В законе Био – Савара – Лапласа специально не называются физические величины, которые могли бы привести к вопросам, на которые у теории нет ответов.

1. Вместо электрического тока ввели вектор , “по модулю равного длине элемента проводника и совпадающего по направлению с током”.

2. Не называется физическая природа радиус - вектора , “проведенного из элемента проводника в точку поля”. А это важнейший вектор электродинамики. Именно он определяет силовое взаимодействие (силу Ампера).

Тройку векторов, получаемых из закона Био – Савара – Лапласа (рис. 2) можно сравнить с тройкой векторов , и , наблюдаемой в реальном физическом эксперименте (рис. 3).

Рис. 3. Тройка векторов, наблюдаемая в физическом эксперименте.

 

Тройки векторов на рис. 2 и рис. 3 различны, что говорит о некорректности закона Био – Савара – Лапласа.

Вектор на рис. 2 имеет точку приложения , а на рис. 3 - точку приложения . На рис. 2 вектор перпендикулярен касательной, а на рис. 3 совпадает с ней. Если при чтении возникает проблема открытия формул и рисунков, три мифа электродинамики можно прочитать на http://sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9500.html

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Фейнмановские лекции по физике. М., Изд. Мир, 1976.

2. Королев Ф.А. Курс физики. Оптика, атомная и ядерная физика: Учеб. пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов. 2-е изд., перераб. М.: Просвещение, 1974.

3. Трофимова Т. И. Курс Физики. «Высшая школа». М.,1997.

4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М., Квантовая механика. Нерелятивистская теория, 3 изд., М., 1974.