Переход на главную страницу "Белые пятна в физике"

 

 

Квантовая физическая модель

 электрического тока.

 

Решение любой задачи начинается с её постановки. Для начала процесса решения нужно хотя бы осознание того факта, что проблема существует. В электродинамике сейчас нет квантового описания электрического тока, нет квантового описания магнитного поля проводника с током,  нет квантового описания силы Ампера.

В этой работе предложен квантовый механизм электрического тока. Скорость квантового электрического тока равна скорости света, как в эксперименте. В квантовой теории электрического тока устранены многие противоречия между теорией и экспериментом, характерные для классической теории электрического тока.

Квантовая теория электрического тока выводится из классической. Для перехода к квантовой теории электрического тока, необходимо вспомнить ещё раз, что нам известно об электрическом токе на участке цепи – потребителе тока.

1. Для существования электрического тока к проводнику необходимо подвести энергию извне в виде электрического поля.

2. Электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света и взаимодействует с уже находящимися в проводнике электронами материала проводника.

3. Это взаимодействие неизвестным сейчас образом образует магнитное поле проводника.

Классическая электродинамика предполагает, что в процессе электрического тока участвуют следующие физические величины:

1. Напряжение  или разность потенциалов . Возникает в момент замыкания цепи. Характеристики этого вектора – направление вдоль проводника от плюса к минусу.

2. Электрический ток . Скалярная величина. Направления нет.

 Возникает на участке цепи – потребителе тока после того, как на этот участок подаётся напряжение или разность потенциалов от внешнего источника. Существует за счёт энергии источника тока.

3. Магнитное  поле . Направление – по правилу буравчика.

Расположение – вне проводника, в плоскости, перпендикулярной направлению разности потенциалов.

4. Радиус – вектор . В настоящее время безымянный, поскольку неизвестен тип взаимодействия, который он переносит.

Физический смысл радиус – вектора :  промежуточный вектор между вектором электрического тока и вектором магнитного поля. Переносит силовое взаимодействие. Из известных физических полей для него подходит только гравитационное поле .

Этот вектор меняет знак при изменении направления энергии. При потреблении электрической энергии его направление - от вектора электрического тока к вектору магнитного поля. При генерации электрической энергии его направление - от вектора магнитной индукции к вектору электрического тока.

 

Один квант электрического тока

 

В квантовой физической модели электрического тока наименьшее количество электричества – один квант.

Из квантовой физики известно, что в твёрдом проводнике первого рода электронный газ сильно вырожден. Это означает: во – первых, что классическое представление об электрическом токе как о направленном движении электронного газа, не имеет физического носителя электрического тока. Во – вторых,  это означает, что каждый электрон в каждый момент времени, принадлежит какому – то определённому атому, т.е. находится на определённой квантовой орбите.

Плюсовой конец проводника отличается от минусового конца меньшей концентрацией электронов. Если каждый электрон принадлежит какому – то атому, то меньшая концентрация электронов  означает, на плюсовом конце проводника электроны находятся на более удалённых орбитах, чем на минусовом.

 

Рис. 1. Один квант электрического тока на участке цени – потребителе тока.

 

За направление тока в проводниках первого рода в электродинамике принимают направление плюсовых зарядов. Направление магнитного поля определяется по правилу буравчика. Величина одного кванта магнитного потока также известна:

 

                                      (1)

 

Электроны, участвующие в процессе прохождения электрического тока по проводнику на участке цепи – потребителе тока, совершают квантовые переходы за счёт энергии источника тока по всей длине проводника. Переход электрона с одного квантового уровня на другой на участке цепи – потребителе тока сопровождается испусканием кванта энергии в виде гравитона. И наоборот, переход электрона с одного квантового уровня на другой на участке цепи – источника тока сопровождается поглощением кванта энергии в виде гравитона.

Электроны, не участвующие в процессе протекания электрического тока, не изменяют своего энергетического состояния.

В квантовой физической модели электрического тока предполагается, что при протекании электрического тока на участке цепи – потребителе тока, происходит последовательное преобразование трёх физических полей: разность электрических потенциалов , направленная вдоль проводника, последовательно, в два этапа, преобразуется в энергию  гравитационного поля проводника с током ,  затем в энергию магнитного поля .

Рассмотрим прохождение одного кванта электрического тока по проводнику в два этапа.

Первый этап прохождения одного кванта электрического тока на участке цепи – потребителе тока: преобразование кванта электрического поля проводника в квант гравитационного поля.

 

Рис. 2. Первый этап прохождения одного кванта электрического тока (участок цепи – потребителя тока) - преобразование кванта электрического поля в квант гравитационного поля.

 

К проводнику с током на участке цепи – потребителе тока, подводится внешняя энергия в виде разности потенциалов или напряжения (рис.1). Эта энергия расходуется на то, чтобы электрон проводимости перешёл с одной квантовой орбиты на другую. При этом энергия внешнего источника выделяется в виде кванта гравитационного поля (рис.2).

Предлагаемый физический механизм позволяет объяснить  физическую природу силы Ампера с позиций близкодействия.

Второй этап прохождения одного кванта электрического тока на участке цепи - потребителе тока: преобразование одного кванта гравитационного поля в один квант магнитного потока.

Излученный квант гравитационной энергии (гравитон) на некотором расстоянии от проводника преобразуется в квант магнитной энергии. Направление кванта магнитного потока определяется правилом правого винта (буравчика).

Рис. 3. Второй этап прохождения одного кванта электрического тока (участок цепи – потребителя тока) - преобразование кванта гравитационного поля в квант магнитного поля.

 

Величина электрического тока в квантовой теории определяется количеством электронов, совершивших квантовый переход. Скорость движения электрического тока в квантовой модели равна скорости света, поскольку определяется скоростью движения электрического поля вдоль проводника.

На участке цепи – источнике тока происходит обратный процесс.

При входе энергии в  проводник с током, кванты гравитационного поля поглощаются валентными электронами. Их энергия преобразуется в электрическое поле проводника и происходит выдача электрической энергии к потребителю тока.

То, что смена направления гравитационного излучения проводника на участке цепи - источнике тока и участке цепи - потребителе тока есть, подтверждает длительное существование эмпирических правил правой и левой руки, сменяющих друг друга, например, при переходе электродвигателя из режима потребления электрической энергии в генераторный режим. При этом происходит реверс электрического тока, и вместо потребления электрического тока (например, от аккумулятора) происходит зарядка аккумулятора.

   Рис.4. Прохождение одного кванта электрического тока на участке цепи – источнике тока.

 

Направление тока в квантовой теории электрического тока определяется направлением передачи энергии по проводнику – от генератора к потребителю тока.

Квантовая теория электрического тока имеет чёткий критерий, позволяющий отделить хаотическое движение электронов от электрического тока - при хаотическом движении электронов не излучается гравитационная энергия и не образуется собственное магнитное поле проводника. В соответствии с этим критерием можно предложить квантовое физическое определение электрического тока.

Электрический ток – это квантовый процесс передачи электрической энергии от источника тока к потребителю тока, связанный с образованием собственного магнитного поля проводника.

Направление тока в соответствии с квантовой физической моделью электрического тока определяется направлением передачи энергии, т.е. от источника тока к потребителю тока. Направление движения электронов в этом процессе не имеет значения.

Величина электрического тока в квантовой теории определяется количеством электронов, совершивших квантовый переход. Скорость движения электрического тока в квантовой модели от величины тока не зависит, и равна скорости света, поскольку определяется скоростью движения электрического поля вдоль проводника.

 

 

Приведение закона Ампера к корректному физическому виду

 

Квантовый механизм электрического тока предполагает, что электрический ток является более сложным физическим явлением, чем сейчас описывается в электродинамике. В настоящее время в электродинамике физический смысл силы Ампера не известен, поэтому в формуле, определяющей эту силу, есть величины, не имеющие физического смысла.

 «Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие. Следовательно, вращающий момент, испытываемый рамкой, есть результат действия сил на отдельные её элементы. Обобщая результаты исследования действия магнитного поля на различные проводники с током, Ампер установил, что сила , с которой магнитное поле действует на элемент проводника  с током, находящегося в магнитном поле, равна

 

,                        (2)

где  - вектор, по модулю равный  и совпадающий по направлению с током,  - вектор магнитной индукции.

Направление вектора  можно найти по общим правилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в неё входил вектор , а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на ток». [3]

Формула (2), определяющая силу Ампера физически не корректна:  В векторном произведении  вектор  не имеет физической природы.

Зная квантовый физический механизм электрического тока можно привести эту формулу к виду, в котором все величины будут иметь физический смысл. Для этого нужно заменить не физическую величину  в векторном произведении формулы (2) на физическую векторную величину . Выведем её из закона Ома.

 

,                                     (3)

Учитывая, что ,

 

,                                    (4)

Заменяя  в формуле (2), получим:

 

,                     (5)

где  - сила Ампера,

  - вектор напряженности электрического поля. Этот вектор направлен вдоль проводника и является  величиной, имеющей физический смысл.

  - вектор магнитной индукции внешнего магнитного поля, в которое помещен проводник с током. Это также величина, имеющая физический смысл.

 - электрическое сопротивление проводника.

Формула (5) выражает закон Ампера для участка цепи – потребителя тока, приведенный к корректному физическому виду в рамках классической электродинамики. Левая часть выражает изменение гравитационного поля проводника, правая – изменение электромагнитного поля. Формулу (10) можно также преобразовать для участка цепи – источника тока и полной цепи электрического тока.

Закон Ампера для участка цепи – источника тока выглядит следующим образом:

 ,                          (6)

И для полной цепи электрического тока:

 

.                          (7)

Знак (-) перед правой частью уравнения (6) означает изменение потока энергии при переходе проводника на участок цепи – источник тока.

Таким образом, даже в рамках классической электродинамики можно вывести формулы для определения силы Ампера для цепи – потребителя тока, цепи – источника тока и полной цепи. Однако вывод этой формулы не даёт физического представления об электрическом токе.

Для того, чтобы понять физическую природу возникновения силы Ампера, рассмотрим этот физический феномен с позиций квантовой теории электрического тока.

 

Гравитационная природа силы Ампера

 

Сила Ампера в квантовой теории электрического тока имеет гравитационную природу. Рассмотрим механизм её возникновения. 

Выделение энергии проводником на участке цепи - потребителе тока  связано с потреблением внешней энергии от источника тока.

 При выходе из проводника, гравитон уносит с собой импульс движения

 

,                                 (8)

где  - импульс выхода гравитона из проводника,

 - масса гравитона,

 - скорость выхода гравитона из проводника.

При выходе нескольких электронов из проводника образуется реактивная сила , направленная противоположно направлению выхода гравитонов из проводника.

Процесс выхода гравитонов из проводника и его беспорядочное перемещение в результате реакции на выход гравитонов можно наблюдать в специально поставленном эксперименте, при токах порядка А. При больших токах без внешнего магнитного поля, происходит равномерное распределение выхода гравитонов во все стороны, и реакции проводника на выход гравитонов нет.

При прохождении по проводнику тока  выделяется  количество гравитонов .

Рис. 2.  При отсутствии внешнего магнитного поля происходит равномерное распределение выхода гравитонов из проводника.

 

Гравитоны, обладая массой, отличной от нуля, при выходе из проводника приобретают импульс. Этот импульс, в соответствии с третьим законом Ньютона,  противоположен импульсу, получаемому проводником. Общий импульс  гравитонов равен:

 

,                         (9)

где - суммарный импульс выхода всех гравитонов.

Совсем другая картина получается, если проводник с током находится во внешнем магнитном поле. Внешнее магнитное поле будет затруднять возникновение магнитного поля проводника с одной стороны проводника, и усиливать с другой стороны.

В результате этого процесса магнитное поле проводника деформируется (рис. 3). Поскольку каждому кванту магнитного поля соответствует квант гравитационного поля, происходит искажение гравитационного поля проводника. В результате этого процесса возникает сила Ампера .

Рис. 3.  Внешнее магнитное поле искажает распределение выхода гравитонов из проводника и образует силу Ампера (участок цепи – потребителя тока).

 

Для описания влияния магнитного поля на выход гравитонов, нужно ввести коэффициент искажения гравитационного поля проводника с током . Равнодействующую силу импульсов выходящих гравитонов в этом случае можно описать формулой:

,                         (10)

где - равнодействующая сила импульсов выходящих гравитонов.

 - сумма импульсов всех гравитонов.

 - искажение симметрии выхода гравитонов, связанное с воздействием на проводник внешнего магнитного поля.

 В соответствии с третьим законом Ньютона равнодействующая сила выхода гравитонов уравновешивается силой Ампера

 

,                             (11)

 

И окончательно силу Ампера в квантовой теории электрического тока можно определить по формуле:

                                              (12)

Сила Ампера зависит как от количества выделившихся гравитонов (величины электрического тока), так и от асимметричности их выхода из проводника (от напряжённости внешнего магнитного поля).

Направление силы Ампера в квантовой физической модели электрического тока совпадает с эмпирическим правилом для определения силы Ампера на участке цепи - потребителе тока.

«Правило левой руки определяет направление силы, которая действует на находящийся в магнитном поле проводник с током. Если ладонь левой руки расположить так, чтобы вытянутые пальцы были направлены по току, а силовые линии магнитного поля входили в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник». [6]

Из квантового механизма возникновения силы Ампера видно, что на участке цепи – источнике тока сила Ампера меняет своё направление (рис. 4). Это отражено в эмпирическом правиле правой руки.

«Правило правой руки определяет направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле. Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый палец направить по движению проводника, то 4 вытянутых пальца укажут направление индукционного тока». [6]

Квантовая теория электрического тока позволяет достаточно просто объяснить одновременное существование правил левой руки и правой руки  изменением направления потока энергии в полной цепи электрического тока.

 В случае работы электрической машины в качестве генератора гравитоны поглощаются проводником с током. В случае работы электрической машины в качестве двигателя гравитоны излучаются.

Рис. 4.  Внешнее магнитное поле искажает распределение входа гравитонов в проводник и образует силу Ампера (участок цепи – источника тока).

 

Квантовая теория электрического тока впервые позволила дать объяснение силы Ампера с позиций близкодействия. Квантовая теория электрического тока не противоречит классической электродинамике, а только её дополняет. Силу Ампера в классической электродинамике определяют формулы (5) и (7), в квантовой теории - формула (12).

Запись силы Ампера в квантовой теории может быть различна, но смысл силы Ампера как гравитационной силы отличает её от классической электродинамики.

 

 

 

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.

5. Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Проектирование новых физических технологий. Вопросы  оборонной техники.  Научно - технический сборник. № 1-2. М:, Н.Т.Ц. «Информтехника»  1995.

6. Советский энциклопедический словарь. М., «Советская энциклопедия1985.

7. Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Квантовая физическая модель электрического тока. Тула, 1997.

8. Дрюков В.М. О чём молчат физики. Тула 2004.

 

 

 

 

 

каталог сайтов


Hosted by uCoz