Необходимость перехода к квантовой теории электрического тока

 

 

Самой мистической величиной в физике является электрический ток. Скорость движения направленных зарядов меньше, чем скорость черепахи, но электрический ток везде поспевает вовремя. Даже включив рубильник на расстоянии в тысячи километров от потребителя, мы мгновенно получим электрический ток на другом конце. В классической электродинамике ток имеет направление, но при этом описывается не векторной, а скалярной величиной.

Ещё более мистическим в классической электродинамике является переменный ток. Если судить по единственному, официально признанному физическому определению электрического тока, он вообще не может никуда дойти, поскольку средняя скорость его носителей равна нулю, т.е. вся энергосистема России не имеет права на существование, поскольку тока она (по существующим теоретическим представлениям) тока она передать не может. Это происходит потому, что до сих пор в электродинамике не перешли от классических представлений к квантовым, и не вывели квантового определения электрического тока. Это явная ошибка теории электродинамики.

Если быть логичными, то ошибки теории нужно исправлять не там, где хочется, а там, где они возникли, даже если ошибки возникли в самом начале. Чрезмерная почтительность к уже признанным теориям и возведение их в ранг абсолютно правильных сужает пространство для поиска истины. Очевидно, что нужно ещё раз провести анализ уже сделанных экспериментов по открытию электрического тока.

Результаты физических экспериментов, которые, как считается, открыли электрический ток, были с самого начала истолкованы односторонне. Эксперименты проводились исключительно с целью доказать, что ток в проводниках  переносится свободными электронами. Других вариантов не рассматривалось. Механизм электрического тока представляется физикам достаточно примитивным – как  поток электронного газа в границах проводника, примерно как поток воды в шланге. То, что механизм тока может быть более сложным, и то, что природа может быть более разнообразной, физиками даже не рассматривался.

«Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о природе электрического 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 ». [2]

По результатам опыта К. Рикке  можно было сделать два предположения:

1.     Первое - что ток переносится электронами.

2. Второе - что ток переносится стационарным электрическим полем проводника. В этом случае также не было бы следов переноса вещества.

Однако было сделано только одно предположение – то, что ток переносится электронами.

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 ток, возбуждаемый силами инерции, но этот эксперимент не доказал, что носителями электрического тока являются именно электроны, ведь в этом эксперименте магнитное поле проводника также возникало.

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.

 

Очевидно, что физического механизма электрического тока классическая электродинамика предложить не может, а квантовой теории электрического тока в ней нет.

Квантовый механизм электрического тока можно посмотреть на этом сайте в разделе единая теория электродинамики.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

 

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

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