Краткий анализ основных теорий «сверхпроводимости» электрического тока

Понятия об электрических зарядах, электрическом токе и электросопротивлении проводников

Проблема «сверхпроводимости», т. е. проблема создания адекватной теории этого физического явления и материалов с умеренной (близкой к комнатной) температурой перехода в «сверхпроводящее» состояние не может быть решенной без нового осмысления, что такое электричество, электрические заряды, электрическое и магнитные поля, электрический ток в проводнике и т. п. Кратко рассмотрим эти понятия.

История электричества началась более чем 2000 лет тому назад, когда было обнаружено, что если потереть шерстью янтарь, то он приобретает свойство притягивать к себе легкие предметы (перья, нити и т. п.). Это свойство назвали электричеством (от грсч. elektron - янтарь), т. е. свойством янтаря. Позднее обнаружили, что электричество стеклянной палочки, натертой кожей, действует противоположно электричеству янтаря. Практические действия по электризации янтарной и стеклянной палочек названы заряжением. Слово «зарядить» означает повторяющиеся одинаковые действия. Поэтому натирание электризующих палочек для наведения в них электричества было названо заряжением, а величина заряженного, приобретенного электричества - электрическим зарядом. Электрический заряд стеклянной палочки получил условное название «положительный», а заряд смолы (янтаря), которую потерли мехом, назвали «отрицательным». Вскоре же было установлено, что предметы с одноименными зарядами отталкиваются друг от друга; с разноименными зарядами - притягиваются друг к другу, а при соединении двух предметов с разными зарядами, но одинаковыми по величине - нейтрализуются.

Для того чтобы количественно определять величину заряда, введено понятие единичного, или точечного, заряда. Точечным зарядом q называется наэлектризованное тело, размеры которого предельно малы по сравнению с расстоянием до другого заряженного тела, с которым оно взаимодействует.

Факт, что электрические заряды взаимодействуют между собой. Вопрос: что является носителем (объектом), осуществляющим взаимодействия электрических зарядов? Ответ: электрические поля наэлектризованных тел. Следовательно, заряды - это сами взаимодействующие электрические поля тел и их частиц.

Зная, что разные электрические заряды и, следовательно, их электрические поля бывают положительными (отталкивающими) и отрицательными (притягивающими, к себе противоположно заряженные и незаряженные тела), т. е., понимая, что электрические заряды и электрические поля являются одновременно и магнитными, так как они притягивают или отталкивают другие тела, можно с уверенностью утверждать, что электрическое и магнитное поля - это две составляющие, два вектора состояния или движения единого электромагнитного поля. Но что такое электромагнитное поле вокруг заряженных тел? Это движущаяся невещественная (бесструктурная) материя [105], называемая материальным вакуумом, полевой материей или эфиром. Движение вещественной (структурной) материи (вещества) приводит в движение полевую материю (материю вакуума), и, наоборот, движение материи, называемой вакуумной, или полевой, вызывает движение электрических частиц, атомов, молекул веществ, малых и больших тел.

В вопросе о зарядах давно существуют правильные догадки о том, что в телах есть домены, диполи, молекулярные и атомные магнитики, поляризация и т. д.

Диполь - совокупность двух равных по величине разноименных точечных (единичных) электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

Домен - отдельные микроскопические области тела, намагниченные до насыщения. Под влиянием внешнего воздействия диполи в доменах ориентируются в объеме тела по направлению электрической (Е) или магнитной (И) составляющей единого поля. Названные магнитики (домены, диполи), параллельно выстроенные в теле, намагничивают его, и такое тело становится ферромагнетиком, парамагнетиком или диамагнетиком.

Если атомная или молекулярная микроструктура тела позволяет внутриатомным диполям разворачиваться в направлении приложенного поля, но если после прекращения воздействия полем диполи не удерживаются в этом направлении, то такое тело размагничивается. В случае, если микромагнитики не имеют возможности ориентироваться в направлении действующего поля, т. е. они не могут составлять цепочки диполей (доменов), то, следовательно, они не способны воспринимать и передавать энергию приложенного поля. Такие тела являются диэлектриками (изоляторами) и немагнетиками.

Очевидно, что каждый диполь в теле обладает своим замкнутым электромагнитным полем. А множество однонаправленных диполей создают общее (коллективное) поле, уже жестко не связанное с отдельными диполями (зарядами). Это обобщенное поле, относительно свободное от диполей (спаренных единичных зарядов), будучи движением вакуумной материи вне заряженных частиц вещества, влияет на соседние, хаотически расположенные диполи, разворачивает их в своем направлении и таким образом, перемещаясь, распространяется по телу проводника. Следовательно, носителем электрической энергии являются нс заряды или диполи токопроводящего тела, а их обобщенное энергетическое поле вакуумной материи проводника. Работа, затрачиваемая на поляризацию диполей в проводнике, есть основная часть его электросопротивления электрическому току. Кстати, становится объяснимым, почему общее поле может отрываться от своего проводника (от радиоантенны, от антенны локатора, от телепередающей антенны, от сварочного электрода и т. д.) и распространяться не только вдоль проводника, но и в свободном пространстве вплоть до космического. Волновой характер радиоизлучения подтверждает, что носителем излучаемой энергии является общее поле источника этого излучения (проводника), а не какие-либо его вещественные частицы, например, электроны. Так в общих чертах представляется автору процесс распространения тока электрической энергии по проводнику и вне его.

В настоящее время считается, что электрический ток - это направленное движение электрических зарядов. Примером такого тока является перенос электрической энергии заряженными телами и частицами. Такой ток происходит, в частности, в жидком аккумуляторе, и он называется конвекционным (переносным).

Считается, что и в проводнике под воздействием внешнего электрического поля Е свободные электрические заряды двигаются так: положительные - по полю, а отрицательные - против действующего поля. Случай, когда микроскопические электрические заряды движутся внутри неподвижного макроскопического тела (твердого, жидкого или газообразного), носит название тока проводимости.

Третьей разновидностью тока проводимости считается ток в вакууме, когда микроскопические электрические заряды движутся в пустоте, независимо от их телесных источников [47]. В качестве примера тока в вакууме приводят потоки электронов в электронной лампе, что не корректно. Вполне возможно, что здесь все наоборот: эмиссия и движение электронов происходят не независимо от макроскопических тел (катода и анода), а в результате разогрева катода и влияния электрического поля Е, т. е. потока энергии от катода к аноду.

Если действительно «электрический ток - это поток свободных электронов, несущих заряды через кристаллическую решетку металла» [72. С. 328], то для потока электронов в металле принципиально важным показателем является скорость распространения тока, или скорость движения «свободных» электронов. Известно, что скорость распространения электричества вдоль проводника очень большая. Например, если включить электрический ток, например, в Красноярске, то через мгновение в Санкт- Петербурге загорится лампочка от «пришедшего по проводам» электрического тока. Но не может такого быть, чтобы «красноярские» электроны так быстро преодолели расстояние в тысячи километров.

Считается, что скорость электронов в постоянном токе определяется из уравнения плотности тока проводимости в металлах

где п - число электронов проводимости в единице объема (концентрация носителей тока),

е - абсолютное значение заряда электрона,

U - вектор средней скорости упорядоченного движения электронов.

В металлах п и е являются постоянными величинами, а модуль вектора О имеет значения порядка 10 4 м/с при максимальных значениях плотностей токов. Например, в медном проводнике п « 8,5-1025 м 3, наибольшая плотность тока J = 1,1-107 А/см2, тогда и » 8-10 4 м/с « 0,8 мм/с [124. С. 233]. С такой скоростью электроны проводимости большие расстояния и быстро преодолеть не могут. Следовательно, передает энергию по проводам «тонкая, бесструктурная материя», т. е. материя вакуума, называвшаяся когда-то эфиром.

По имеющимся оценкам, скорость распространения электрического тока равна скорости света. Скорость света - это константа, характерная для движений «тонкой и бесструктурной» материи вакуума. Из этого следует, что ток электрической энергии не есть движение электронов, что переносчиком электричества является напряженное электромагнитное поле, распространяющееся нс внутри, а в основном вне проводника.

По поводу полевой электромагнитной, а нс электронной природы электрического тока есть множество суждений ученых. Например, в случае переменного тока проводимости «под электрической энергией понимают энергию электромагнитного поля», а не движущихся электронов; или еще: «нестатические, переменные электрические поля могут существовать совместно с переменными магнитными полями в отрыве от электрических зарядов» [47. С. 15].

Очевидно, что электромагнитная природа электрического тока носит волновой, а не корпускулярный характер. Корпускулярные электроны при пропускании электрического тока вдоль проводника остаются на своих местах - в структуре атомов. Предположение о существовании в металлах и других проводниках «свободных» электронов ничем не обосновано и противоречит фактам. Отрыв электронов от атомов и их локальные (например, тепловые) движения происходят только вследствие чрезмерного тока, разогрева проводника и действия электрических или магнитных сил.

Для понимания «сверхпроводимости» нас весьма интересует механизм (физическая природа) передачи электрической энергии (электричества, т. е. электрического тока) в обычном проводнике. По данному вопросу, как обычно, читаем: «Электрический проводник - вещество, основным свойством которого является электропроводность. В металлах и сплавах протекание электрического тока является следствием направленного движения носителей заряда - свободных электронов, не связанных жестко с кристаллической решеткой металла. Различная проводимость различных металлов и сплавов обусловлена разным числом в них свободных электронов на единицу объема, а также их подвижностью» [9. С. 565]. Под электрическим сопротивлением понимается противодействие, которое оказывает проводник движущимся в нем электрическим зарядам, в частности, свободным электронам. Считается, что электросопротивление при нормальных температурах обусловлено тепловым движением атомов проводника. При возрастании температуры повышаются тепловые колебания атомов проводника и увеличиваются столкновения электронов (носителей зарядов) с атомами, что препятствует движению электронов и этим повышает сопротивление электрическому току. Снижение температуры, наоборот, уменьшает амплитуду колебаний атомов и, следовательно, уменьшает количество столкновений электронов с атомами, потери энергии электронов уменьшаются, сопротивление проводника движению в нем электронов уменьшается. Однако оказывается, что это не так.

Прежде предполагалось, что при абсолютном нуле температуры атомная структура вещества неподвижна, и если размеры атомов становятся ничтожно малыми, то электросопротивление такого идеального проводника должно быть равным нулю (рис. 5, кривая 1). Исходя из этих предположений и опытов по «сверхпроводимости», был сделан ошибочный вывод: «сверхпроводящие» материалы являются идеальными проводниками. Позднее под давлением фактов этот вывод-предположение был опровергнут, да он и изначально-то был неправдоподобным, так как движущиеся электроны не могут абсолютно не взаимодействовать с атомами, а увеличивающаяся при охлаждении плотность атомов (и без того плотно- упакованной кристаллической решетки, например, металлического проводника) должна увеличивать электросопротивление (рис. 5, кривая 5).

Так как любой проводник не идеален, то электроны непременно сталкиваются с атомами проводника даже при абсолютно нулевой температуре, поэтому электросопротивление не может быть меньше некоторого минимального значения, что было подтверждено еще Оннссом при исследовании электрических свойств платины при сверхнизких температурах. Этот факт схематично показан на рис. 5, кривая 2.

Считается, что у некоторых металлов наблюдалось увеличение электросопротивления при очень низких температурах. Это объясняется предполагаемой конденсацией свободных электронов на атомы, вследствие чего проводимость (количество проводимого электричества), определяемая числом свободных электронов в теле, уменьшается (рис. 5, кривая 3), а так как при температуре ОК все свободные электроны закрепляются в атомах, то электросопротивление должно стремиться к бесконечности (R —> со), а не к нулю (R = 0) [9]; [119].

В работе [9] правильно указывается, что «приведенные точки зрения не могут объяснить, почему при некотором значении температуры (ниже Ткр - В. Ф.) между электронами и решеткой внезапно прекращаются соударения - обмен энергией, т. е. возникает сверхпроводимость» [9. С. 329].

Мнимая зависимость электросопротивления проводников от температуры

Рис. 5. Мнимая зависимость электросопротивления проводников от температуры

На основе вышеизложенного надо привести нижеследующее ключевые суждения, необходимые для соответствующего понимания физики электрических зарядов, электрического и магнитного полей, электрического тока и электросопротивления, которые, вероятно, помогут понять загадочную «сверхпроводимость» и создать наиболее адекватную модель этого необыкновенного явления.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >