Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Не «сверхпроводимость» электричества, а сверхдианамагничиваемость и электроизоляционность веществ при низких температурах
Посмотреть оригинал

Новый подход к развитию полевой теории электрического тока и намагничиваемости тел

Сущности любых объектов природы (предметов и явлений) таковы, что в них обязательно есть противоположные и противодействующие свойства, соотношения которых в определенных условиях характеризует и предопределяет процессы изменений, движений и направление развития объекта. Комплексное рассмотрение всех противоположных свойств объекта в их единстве, взаимосвязи и борьбе (противодействии), с учетом количественно-качественных закономерностей и обратимых переходов из одного качественного состояния объекта в другое, есть диалектический подход (метод) его исследования. В явлении «сверхпроводимости» есть хорошо известные противоположные свойства, постоянно проявляющиеся на практике. Эти противоположные пары свойств (например, электрические и диэлектрические, магнитные и диамагнитные и др.) органически взаимосвязаны и находятся в обратной зависимости друг от друга, что свидетельствует об их «борьбе» в философском и в прямом смыслах этого слова. В данном параграфе изложена попытка обобщенного диалектикоматериалистического описания электромагнитных свойств тел с выходом их на другой уровень качества - на переход к сверхдиамагнетизму и в абсолютно диэлектрическое состояние при низких температурах, меньших критического значения для каждого конкретного вещества.

Известно, что М. Фарадей еще в 1831 г. «изучая природу электрического действия» экспериментально обнаружил у различных материалов одновременное существование противоположных электрических и магнитных свойств. Так, например, в отношении электрического тока он написал: «...Оказывается, что обычные явления изоляции и проводимости друг с другом тесно связаны, или, вернее, представляют собой предельные случаи одного и того же состояния» [103. С. 552]. Изоляция или диэлектризация, по Фарадею «означает индукцию», т. е. противоположное действие, сопротивление электрическому току от индуцированных током диэлектрического и диамагнитного полей.

Впоследствии Максвелл рассматривал раздельно индукцию диэлектрического D и диамагнитного В полей в теле с постоянным током и его не- измсняющимися полями Е и Н от источника постоянного тока (батареи). Для указанных полей индукции Максвелл написал следующие общеизвестные формулы:

где е - диэлектрическая проницаемость;

р - магнитная (правильнее назвать диамагнитная) проницаемость.

Признавая у тел диэлектрическую проницаемость, т. е. проницаемость противополя D, необходимо ввести понятие и обозначение прямой электрической проницаемости поля Е в тело, тем более что электрическая проницаемость проявляется не менее явно, чем диэлектрическая проницаемость. Точно так же, если в макроскопической теории о магнетизме есть магнитная проницаемость, а в токопроводящем теле есть магнитное и индуцированное диамагнитное поле, то должна быть характеристика и диамагнитной проницаемости. В соответствии с этим и, следуя логике Максвелла, считаем, что если электрическое поле Е воздействует на тело, то в нём возникает (индуцируется) два поля: положительное электрическое Е„ и отрицательное диэлектрическое D„. В таком случае получаем, что

где Е„ и D„ - удельные электрическое и диэлектрическое поля проводника;

s, и ёд - электрическая и диэлектрическая проницаемости соответственно;

Е - электрическое поле источника электрической энергии, т. е. внешнее воздействующее на проводник электрическое поле.

В ряде работ, в частности в [66. С. 73—74], количественная зависимость вектора диэлектрической индукции Д, («электрического смещения») определяется выражением:

где Е - напряженность электрического поля,

Р - вектор электрической поляризованное™ вещества,

е0 - электрическая постоянная равная * 0,885-10'" Ф/м.

Считается, что векторы Р Е связаны следующим соотношением:

где у - некоторый безразмерный коэффициент пропорциональности, названный показателем диэлектрической восприимчивости.

Отсюда следует, что

Выражение 1 + у, где присутствует показатель восприимчивости у, почему-то часто называют диэлектрической проницаемостью, и считают, что

Поэтому пишут, что Д, = е0е? и, следовательно, Е зависит только от величины диэлектрической проницаемости е.

Здесь наблюдается явное смешение разных по содержанию понятий, следовательно, приведенные выше три формулы должны быть уточнены.

Вероятно, что электрическая проницаемость проводника с током е, = 1 - Ед, а сумма их абсолютных величин | е, + (- ёд)| = 1. Поэтому 0 < е, < 1 так же как и 0 < ед < 1. При е, * 1 - идеальный проводник, а при ед * 1 — идеальный диэлектрик (абсолютный изолятор).

Общее электрическое поле Е„ проводника с электрическим током можно записать так:

здесь и далее знак с означает «влечет за собой» (например, приложенное поле Е влечет за собой появление в теле поля ?„).

При еэ = ?д проводник становится слабым диэлектриком.

Так как «всякий электрический ток сопровождается магнитным действием соответствующей интенсивности» [103. С. 12], то в проводнике с током индуцируются два противоположно действующих силовых поля: положительное ферромагнитное или парамагнитное и отрицательное диамагнитное или сверхдиамагнитное. Для этих полей, в развитие и дополнение максвелловской общей формулы В = р/7, можно записать зависимости магнитного поля внутри проводника с током Н„ и диамагнитного поля Вл

от магнитного поля, создаваемого источником электрического тока Н„, так:

где Ям и В л — магнитное и диамагнитное поля в проводнике с электрическим током,

рм и Цд - магнитная и диамагнитная проницаемости,

Я„ - магнитное поле проводника, создаваемое источником тока электрической энергии.

Если не учитывать магнитную восприимчивость материалов, что часто делается, а считать намагничиваемость проводника с током зависящей исключительно от магнитной проницаемости, то общее магнитное поле проводника Я„ с электрическим током запишется как геометрическая разница значений //„ и Вл:

где, если Вл < Ни, то магнитное поле проводника равно Н„ = Ям - Вл, но если численное значение Вл (при понижении температуры проводника) становится больше или Ям ~ Н„ = Я, то проводник становится диамагнетиком и диэлектриком (изолятором) с диамагнитным полем этого тела равным:

Эти формулы показывают только то, что в любом проводнике с электрическим током индуцируется два взаимопротивоположных магнитных поля Ям и Вл. Их количественные соотношения предопределяют магнетизм и проводимость электричества или диамагнетизм и диэлсктрич- ность (изоляционную способность) материала.

В случае воздействия на тело только внешним магнитным полем Я, то в теле возникают два поля: Ям - внутреннее магнитное поле и встречное, противоположно направленное, т. е. диамагнитное поле Вл. Поэтому, как и в случае с магнитным полем от электрического тока, в теле создается результирующее внутреннее магнитное поле тела Ят, состоящее из собственного магнитного поля Ям ~ Н и индуцированного диамагнитного поля Вл. При этом, по аналогии с известной общей формулой В = цЯ можно точнее записать, что

Следовательно, обычно

где Ят - итоговое (обобщенное) магнитное поле тела, находящегося во внешнем магнитном поле Я (обычно Ят < Я).

У ферромагнетиков и парамагнетиков характеристики проницаемости электрического и магнитного полей имеют знак плюс. Показатели (коэффициенты) проницаемости индукции полей ?д и рд имеют отрицательный знак. Эти знаки указывают направление индуцированного поля по отношению к внешнему воздействию.

Опыт показывал, что численные значения проницаемостей полей в данное тело практически не зависят от направления действия этих полей. Отсюда следует, что для крайних случаев показатели (коэффициенты) электрической и магнитной проницаемостей при умеренных температурах одинаковы (изотропический эффект) и близки к единице. Аналогичное суждение распространяется и на проницаемости отдельно рассматриваемых магнитного и диамагнитного полей в конкретном теле. Однако при одновременном взаимовлиянии рассматриваемых полей (при их наложении) значения проницаемостей должны быть разными.

Вполне очевидно, что у любого тела есть противоположные (противоборствующие) свойства и соответствующие характеристики как электрической, так и диэлектрической проницаемости, а также есть коэффициенты магнитной и диамагнитной проницаемости. В теории суммы взаимосвязанных коэффициентов ?т и ?д, а также цм и цд всегда должны быть равными единице.

Если ?, немного больше ?д, то это относительно слабый проводник электрического поля и, следовательно, электрического тока; при ?, » ?д - хороший проводник; при ?д ~ ед - неустойчивое состояние (полупроводник); при ?,д - стабильный диэлектрик (изолятор), а при е1« ?д - абсолютный диэлектрик (абсолютный изолятор).

Если рм нс намного больше цд, то это означает малую намагничи- ваемость объемного тела (возможно, намагничивается нс весь его объем); при ц„ »цд - возможность намагничиваемое™ большого тела; при цм = цд сумма цм + цд = 0 тело находится в нестабильном состоянии в отношении намагничиваемое™; при цм < цд и при р„ « цд - материал тела становится устойчивым диамагнетиком. Численные значения проницаемостей материалов е„ ?д, рм и цд зависят от многих факторов: от величин Е и Н, от температуры, механического напряжения, проникающего облучения и других внешних условий для данного тела.

Напряженность магнитного поля тела зависит не только от магнитной проницаемости, но и от магнитной восприимчивости материала % и от его массы т.

«Опыт дает, что для диа- и парамагнетиков намагниченность пропорциональна напряженности поля:

Для парамагнетиков величина х положительна, для диамагнетиков - отрицательна» [70. С. 423]. Следует уточнить, что здесь и далее слово «отрицательное» означает, не то, что арифметически х < 0, а то, что этот коэффициент со знаком «минус» указывает на противоположную направленность, образующегося в теле диамагнитного поля по отношению к внешнему для тела полю Н. Количественно х всегда больше нуля, так как абсолютных значений натуральных чисел объективно меньше нуля, т. е. меньшс чем нисколько, не бывает. Численное значение % у магнетиков и диэлектриков существенно разнятся. Это учитывается при определении намагничиваемое™ разных материалов.

Представляется, что известную формулу р = 1 + х, показывающую связь проницаемости и восприимчивости намагничивания тел [47. С. 294], нельзя считать абсолютно правильной, так как в ней сопоставлены разные по физической природе характеристики. Хорошо, что в физике есть понятия диэлектрической и диамагнитной восприимчивости. Но пока нс определена их взаимозависимость, взаимообусловленность. Численные соотношения названных восприимчивостей и соответствующих проницаемостей совместно предопределяют величины электрических и магнитных свойств материалов. Так, например, характеристики диамагнитного и магнитного полей, а также диэлектрического и электрического полей в магнетике имеют обратные зависимости: чем больше В, тем меньше #т; чем больше D, тем меньше Ет = ?, - D. В этом проявляются сопротивления магнитному потоку и распространению (току) электрического поля.

С другой стороны, если магнитная восприимчивость ум больше диамагнитной Хя и магнитная проницаемость рм больше диамагнитной проницаемости цд, то материал является магнетиком (ферро- или парамагнетиком) и проводником электричества. Если Хм = Хд> т- е- когда Хч + (- Хя) = 0 и Хм= Хд, то материал не обладает магнетизмом, т. е. является слабым и неустойчивым диамагнетиком и слабым диэлектриком (полупроводником?). Если же Хд > Хм> то это относительно стабильный диамагнетик. При Хд » Хм - сверхдиамагнетик. Относительно «сверхпроводников» достоверно утверждение о том, что «поведение сверхпроводника в магнитном поле схоже с поведением идеального диамагнетика» [74. С. 10] и оно «соответствует представлению о сверхдиамагнитном теле» [111. С. 11]. Очевидно, что идеальный диамагнетик или сверхдиамагнетик это одновременно и сильный диэлектрик (абсолютный диэлектрик, хороший изолятор).

Суждения о магнитных свойствах, аналогичные вышеизложенным, будут справедливы и для соотношений электрических полей и электрического тока в различных телах.

Итак, в макроскопической теории электрического тока, электрических и магнитных полей необходимо учитывать единство и противодействие противоположных свойств реальных тел. При таком диалектическом подходе появляется возможность выяснить физическую природу (сущность, содержание) рассматриваемых явлений: проницаемости электрического и магнитного полей, проводимости и электросопротивления току электрической энергии, «сверхпроводимости» и изоляции, а также магнитных и диамагнитных свойств, включая свсрхдианамагничивасмость веществ.

При решении проблемы «сверхпроводимости электрического тока», а, по существу, проблемы сверхдиамагнетизма, требуется не только адекватное макроскопическое описание проявлений электрических и магнитных свойств, но и модельное представление о микроскопических процессах, происходящих внутри тела при макроскопическом проявлении его свойств, в частности, магнетизма или диамагнетизма, проводимости или непроводимости (изоляции) электрического тока. Поэтому вопрос о микроскопическом представлении и научнообоснованном описании ферро- и парамагнетизма, диамагнетизма и сверхдиамагнетизма и других свойств с позиций строения веществ и их атомов имеет принципиальное и весьма существенное значение.

Известно, что диамагнетизм - один из видов магнетизма, проявляющийся в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля любого другого вида (ферромагнитного или парамагнитного). Диамагнетизм присущ всем веществам, но проявление его часто затруднено из-за преобладания обычного магнетизма, совпадающего по направлению поля с направлением действия внешнего намагничивающего поля. Ферромагнетики и парамагнетики в своей электронной структуре атомов имеют готовые магнитные диполи с N и S полюсами. В таком случае внешнее магнитное поле /У, не изменяя орбитальные движения дипольных пар электронов, легко разворачивают диполи так, чтобы их магнитные моменты Pmi совпадали с направлением действия внешнего магнитного поля. Так, по существу, происходит ферро- или паранамагничиванис.

У немагнитных веществ в их электронной структуре атомов нет естественных магнитных диполей и поэтому их намагничивание сильно затруднено, так как спаренные электроны атомов не обладают магнитным моментом. Это обусловлено тем, что электроны атомов, попарно взаимодействуя и вращаясь по удаленным от своих ядер круговым стационарным орбитам, имеют противоположные спины. При этих условиях магнитные моменты спаренных атомов, складываясь, компенсируют друг друга. Из таких магнитонейтральных атомов и молекул состоят немагнитные вещества при соответствующих для этого температурных условиях.

Примером простейшего и слабого диамагнетика является нейтральный гелий. Атом гелия имеет два взаимоотталкивающихся электрона с противоположными спинами и вращающихся по устойчивым круговым, внецентровым, по отношению к ядру атома, и равноудаленным от ядра орбитам. При этом орбитальные магнитные моменты парных электронов равны по величине, но противоположны по знаку, и поэтому суммарный магнитный момент Pm атома равен нулю. Такая модель атома гелия приведена в работе [124. С. 304-306, рис. 6.3], и она вполне согласуется с предлагаемой микроскопической моделью электронного строения атомов (см. разд. 4).

Принято считать, что спины электронов оцениваются, как ±1/2, т. е. электрон имеет спин +1/2 или -1/2. Исходя из того, что в атоме электроны взаимодействуют попарно, и если оба электрона имеют спины +1/2, то их общий спин равен +1. Это означает, что образованный парой электронов магнитный диполь, имея характеристику +1, является пара- или ферромагнитным. В случае, когда оба электрона вращаются вокруг собственной оси в другую сторону, то их спины равны -1/2, то суммарно эта пара электронов образует магнитный диполь с характеристикой -1, что означает диамагнетизм данного диполя. Когда в атоме внешние «спаренные» электроны имеют разные спины, т. е. если один электрон имеет спин -1/2, а другой + 1/2, то в сумме их общее магнитное поле равно нулю. В таком случае атом в магнитном отношении нейтрален: он при естественных температурах не намагничивается и не реагирует на внешнее магнитное поле.

Количество магнитных или диамагнитных атомных диполей в теле определяет степень его намагничиваемости или дианамагничиваемости. Если в сложном по химическому составу теле количество магнитных и диамагнитных диполей равно или все атомы в магнитном отношении нейтральны, то тело немагнитно. Под влиянием внешнего магнитного поля и при благоприятных (низких) температурах спины электронов могут изменяться. При этом магнетик может становиться диамагнетиком, немагнетик может превращаться в магнетик или в диамагнетик с разной степенью намагничиваемости (поляризуемости диполей). Процесс магнитного превращения тел из любого состояния в сверхдиамагнитное следует называть фазовым превращением третьего рода.

По степени (силе) и виду намагничиваемости тела можно классифицировать так: ферромагнетик - это сверхпарамагнетик, а свсрхдиамагнетик - это более сильный низкотемпературный диамагнетик. Эксперименты показали, что сверхдиамагнетик в 2 и более раза сильнее намагничивается, чем комнатнотемпературный ферромагнетик.

При внесении вещества в магнитное поле Н на движущиеся по круговым орбитам электроны действует магнитная индукция Ва, которая создает свой дополнительный магнитный момент электрону АР. Этот наведенный магнитный момент АР всегда, по закону Ленца, противоположен внешнему магнитному полю И (Н = В). При условии АР > Р электрон меняет направление своего движения так, что направления действия АР и Р совпадают, но при этом Вл становится направленным против внешнего намагничивающего поля Н. В результате этого процесса сопряженная пара электронов становится диамагнитным диполем, а его суммарный магнитный момент равен Р = 2т + АР,„). Учитывая, что при АР > Р большинство атомов тела становятся диана- магниченными, то суммарное диамагнитное поле Вл оказывается намного больше внешнего намагничивающего поля Н (В ,» И), а это и есть сверхдиамагнетизм. Схема намагниченного, диаполяризованного (с диамагнитным диполем) атома гелия показана далее в гл. 4.

При нормальных (близких к комнатным) температурах магнитная восприимчивость (намагничиваемость) одного моля парамагнитного, ферромагнитного и диамагнитного веществ х мала и составляет от 10 8 до К) 3. Однако среднее значение х~Ю 6. Так, например, у одного моля гелия х = 1,9-10 Но намного большие значения диамагнитной восприимчивости имеют вещества («свсрхдиамагнстики») при закритических, экстремально низких температурах. В этих условиях практически любое вещество становится диамагнетиком с диамагнитной восприимчивостью, равной в среднем х = -8 • 10 '= -0,8. Такое близкое к 1,0 значение х почти идеальной магнитной восприимчивости вещества предопределяет сверхбольшое значение напряженности диамагнитного поля Вл, т. е. их сверхдианамаг- ничиваемость. Так вещества становятся свсрхдиамагнстиками.

Приведенное здесь краткое описание природы сверхдиамагнетизма вполне согласуется с предлагаемой автором моделью электронного строения атомов и с обоснованием перехода веществ в свсрхдианамагниченное состояние при криогенных температурах в результате воздействия на твердые тела постоянным магнитным полем электрического тока или внешним постоянным магнитным полем.

Далее переход веществ в сверхдиамагнитное состояние будет рассмотрен более подробно.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы