13-11-2012_19-44-53 / материалы для воспитателя

Вы, может быть, заметили, что все наши рассуждения начинаются с хорошо известных фактов, в которые не вызывают никаких сомнений. И в дальнейшем будем придерживаться такой же тенденции. Вспомните первую условную часть этого раздела, про опыты Мандельштама и Папалекси, а также Толмена и Стюарта. Они брали катушку с проводом и раскручивали ее до большой скорости, а затем резко тормозили. В момент торможения приборы регистрировали протекание по проводу катушки электрического тока.

Эти опыты прежде всего говорят о том, что внутри провода есть какие-то объекты, обладающие массой. Именно это (наличие массы) заставляет их продолжать двигаться по инерции после того, как сам провод уже перестал двигаться. Эти объекты не закреплены внутри провода, т.к. если бы они были жестко закреплены, они бы останавливались вместе с проводом. В то же время какая-то связь с материалом проводника у этих объектов все же имеется, т.к. если бы такой связи не было, они бы не раскручивались вместе с проводником. Эти объекты несут на себе отрицательный электрический заряд, потому что электрический ток, который зарегистрировали приборы в опыте Толмена и Стюарта, по определению, есть не что иное, как перемещение в пространстве электрических зарядов. Точные расчеты, произведенные с результатами измерений в опытах Толмена и Стюарта, показали, что заряды объектов должны иметь отрицательный знак, а отношение величины заряда к величине массы каждого объекта с большой степенью точности совпадает с величиной этого отношения для электрона.

Объяснение, что электрический ток - это движение электронов, довольно убедительно. Электроны обладают массой, электроны связаны с атомными ядрами, расположенными, как мы теперь знаем, в узлах кристаллической решетки посредством электромагнитного поля. Атомные ядра, кстати сказать, и составляют основу проводника. Так вот, электромагнитное поле - это именно такой вид связи, который заставляет электроны участвовать в общем движении проводника и в то же время позволяет им двигаться еще некоторое время после остановки катушки с проводом. Измеренная величина отношения заряда к массе тоже не может получиться в результате случайного совпадения.

Ну а теперь не в первый раз представим кристалл изнутри. В узлах кристаллической решетки - атомные ядра. Эти ядра расположены друг от друга на расстояниях в 100 000 превышающих радиусы самих ядер. С точки зрения объектов, не имеющих электрических зарядов, кристаллическое твердое тело - это просто пустота, где встречаются крохотные ядрышки. Так, например, нейтрино может пролететь насквозь весь земной шар, но ни разу не встретит ни одного ядра. Но это с точки зрения нейтральных объектов. Если объект несет на себе электрический заряд, картина резко меняется. Все пространство внутри кристалла заполнено электрическим полем, прием настолько мощным, что для того, чтобы сжать кристалл, т.е. чуть-чуть изменить расстояния между атомными ядрами, приходится затрачивать огромные усилия.

Электрон - это заряженный объект. Для электрона никакого свободного пространства внутри кристалла нет. Когда говорят "свободные электроны" или "свободная зона", имеют в виду лишь то, что электроны, находящиеся в свободной энергетической зоне, не подвергаются дополнительным запретам, вытекающим из принципа Паули. Короче говоря, картина такова. Расстояния между узлами кристаллической решетки имеют порядок 10^-10 метра, что примерно вдвое больше первого боровского радиуса. А это значит, что даже если вы выберете точку внутри кристаллической решетки, максимально отстоящей от атомных ядер, и мысленно поместите в эту точку электрон, то энергия связи этого электрона с ближайшим ядром будет иметь тот же порядок, что и энергия связи электрона в атоме водорода. А это очень большая величина.

Получается, чтобы протащить электрон сквозь кристаллическую решетку, необходимо затратить энергию, несоизмеримо большую, чем ее затрачивается на самом деле при протекании электрического тока по проводнику.

Теперь посмотрим, что же будет, если постепенно охлаждать проводник. Да вроде ничего особенного: при охлаждении атомные ядра и их электромагнитные поля остаются на своих местах. Но результаты опытов говорят о другом. У многих проводников, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю, возникает так называемое явление сверхпроводимости. Т.е. они перестают оказывать сопротивление проходящему электрическому току. Следовательно, либо при низких температурах электромагнитное поле внутри кристалла, так сказать, вымораживается (исчезает), либо неверно утверждение о том, что электрический ток в проводнике вызывается движением электронов.

Первое из этих предположений не соответствует действительности, т.к. при исчезновении магнитного поля исчезла бы и связь между атомами, т.е. кристалл просто развалился бы на составные части. Но если предположить, что справедливо второе утверждение, как тогда объяснить результаты опытов Толмена и Стюарта?

Пора бы вспомнить, что привычное нам механическое движение - это лишь частный случай и что возможно движение, при котором в этом самом привычном нам смысле ничто не движется. Сначала представим конструкцию, показанную на рисунке ниже

На рисунке батарейка, лампочка и пара проводов. По проводникам течет ток, и лампочка горит. По-прежнему считаем, что электрический ток - это движение электронов по проводнику. Рассмотрим один такой электрон, движущийся в некотором направлении с некоторой скоростью (см. рисунок ниже). Такое движение электрона эквивалентно протеканию электрического тока, но, как известно, принято считать, что ток движется в направлении, противоположном движению электронов. Направление тока на рисунке также показано стрелкой с буквой I.

Движение электронов (или протекание тока, что то же самое) сопровождается появлением магнитного поля. Магнитная индукция на рисунке показана стрелками B. Ну и стрелками E показано направление электрического поля. Ну и еще две стрелки, представляющие величину и направление количества движения (импульса), связанного с каждым элементарным объемом окружающего электрон пространства, помечены буквами p. Они направлены в ту же сторону, куда направлена скорость электрона. Если просуммировать значения количества движения по всему объему пространства, окружающего движущийся электрон, то, как и следует ожидать, получится величина, равная произведению массы электрона на его скорость, а направление суммарного количества движения совпадает с направлением скорости электрона. Движется электрон и обладает количеством движения, равным произведению из массы на скорость.

Еще на одном рисунке ниже показан движущийся положительный заряд. Объяснять тут нечего, все ясно из рисунка. В принципе, все аналогично предыдущему рисунку, за исключением направления протекания тока. На этом рисунке, т.е. на рисунке для положительного заряда вектор количества движения совпадает с направлением протекания тока.

Ну а теперь вспомним самый первый (верхний) рисунок. Правый проводник соединен с положительным полюсом батарейки. Ток по нему течет, как полагается, от положительного полюса к отрицательному, т.е. снизу вверх. Посмотрите на рисунок ниже, это тот же самый рисунок, только вокруг правого проводника нарисована линия магнитного поля и стрелками, помеченными буквами B, обозначена величина и направление магнитной индукции в соответствующих точках пространства. Проводник в целом электрически нейтрален и, следовательно, не имеет собственного электрического поля. Однако он соединен с положительным полюсом батарейки и поэтому весь целиком заряжен положительно. Это обстоятельство обозначено стрелками, помеченными буквами E.

То же самое проделано и с левым проводником, который соединен с отрицательными полюсом батарейки и, следовательно, сам заряжен отрицательно, и ток по нему течет сверху вниз. Что же получается? В пространстве, окружающем как левый, так и правый проводник, векторы количества движения направлены снизу вверх. В случае левого проводника это направление совпадает с направлением движения электронов, а в случае правого проводника, наоборот, противоположно направлению движения электронов.

Есть еще одно обстоятельство. Внутри проводника магнитное поле практически отсутствует, поэтому и векторы количества движения внутри проводника равны нулю. Если и есть какое-то движение, то оно происходит в пространстве, окружающем проводники.

Так что же движется? Что бы разобраться в этом вопросе потерпим чуток и посмотрим на еще один рисунок ниже. Вот батарейка и лампочка. У батарейки вектор напряженности электрического поля направлен, как и положено, от положительного полюса к отрицательному, т.е. против направления тока. У лампочки вектор напряженности электрического поля также направлен от положительного полюса к отрицательного, т.е. по направлению тока. Остальное итак понятно.

Ну и каков же результат? А результат просто ошеломляет! Оказывается у батарейки векторы количества движения направлены перпендикулярно к направлению движения тока из корпуса батарейки в окружающее пространство. А у лампочки, а точнее, у накаленного волоска лампочки, векторы количества движения направлены также перпендикулярно к направлению движения тока, из окружающего пространства внутрь волоска. Теперь можно ответить на вопрос "что же движется?". Движется энергия, которая вытекает из батарейки в окружающее пространство, затем направляется вдоль обоих проводников и поступает внутрь волоска, где преобразуется в тепло и свет. Внутри же проводника, с такой точки зрения, ничего не движется.

Такая картина, или по-научному, модель, целиком объясняет явления, которые нельзя было объяснить с точки зрения модели, состоящей из движущихся внутри проводника электронов. Так, например, явление сверхпроводимости объясняется очень просто. Если допустить, что движение происходит не внутри проводника, а вне и при этом движутся не механические объекты, а происходит перемещение энергии в электромагнитном поле.

Кроме того, рассмотренная нами модель не противоречит опытам Толмена и Стюарта. Ведь каждый элементарный объем электромагнитного поля обладает массой. При торможении катушки с проводом электромагнитное поле (хоть внутри проводника, хоть вне его) испытывает действие сил инерции. При этом оно слегка изменяет свою конфигурацию. А всякое изменение электрической составляющей электромагнитного поля есть не что иное, как ток смещения. Это мы также рассматривали ранее. Ну а вычисления дают тот же самый результат, что и в случае модели из движущихся электронов.

Понимаю, у многих возникает вопрос: "Это что ж получается, ни в книгах, ни на уроках физики неправильно дают представление об электрическом токе??? Выходит электрический ток протекает не внутри проводника, а снаружи? И никакие электроны не движутся?". Да нет же. Не стоит так критично относится к какой-либо модели. Электрический ток - это очень сложное электромагнитное явление, которое невозможно описать с точки зрения только понятных образцов и представлений. Как-то мы уже сталкивались с нечто подобным, когда рассматривали волновые свойства электрона. Просто можно описывать явления, связанные с протеканием электрического тока, как движение частиц, обладающих массой и зарядом. Такая модель, к примеру, сто лет назад позволяла объяснить почти все известные к тому времени факты. Но в такой модели мы обязаны считать, что вокруг электрона нет электрического поля. Электрон, окруженный электрическим полем невозможно протащить сквозь кристаллическую решетку. А электроны, лишенные электрического поля - это, так сказать, мысленные электроны.

Явления, связанные с протеканием электрического тока, можно описывать с помощью модели, состоящей из мысленных электронов. Эти мысленные электроны обладают массой, способной переносить электрический заряд, но не окружены электрическим полем. Другая модель предполагает, что никаких частиц-электронов нет, а явления, связанные с протеканием электрического тока, совершаются в электромагнитном поле, окружающем проводник.

Так и порешим: протекание электрического тока - это весьма сложный процесс, происходящий в электромагнитном поле. Но модель с мысленными электронами нам еще пригодится, только не стоит забывать, что электроны мысленные...