Последняя тайна бога (И. Мисюченко). И. Мисюченко Последняя тайна
 Скачать 6.4 Mb.
|
|
§ 2.2. Электрические заряды и поле. Неосознаваемая тавтология До сих пор мы молчаливо как бы придерживались общепринятых представлений об элементарных зарядах, т.е. мельчайших, неделимых его порциях. Как довольно твёрдо установлено на сегодняшний день, каждая заряженная элементарная частица имеет заряд, кратный элементарному -19 0 10 • 1.602 q = [Кл]. Считается, что элементарная частица имеет заряд и связанное с ним электрическое поле, а имеет ещё много всего разного, с электрическим полем не связанного. По этой логике получается, что заряд находится внутри, как ядрышко ореха, а его поле снаружи. И простирается оно в свободном пространстве неограниченно, а в среде настолько, насколько позволяет конкретное распределение других зарядов. Получается, что заряд - это больше чем просто создаваемое им поле. Не так ли? Это настолько старая, архетипическая и схоластическая идея «божественного яйца», что воспринимается почти всеми без малейшей попытки критики. Однако не может ли быть всё иначе? Выше мы установили, что поле каждого, в том числе и элементарного , заряда неразрывно связано со своим «носителем». Ещё раньше мы И. Мисюченко Последняя тайна Бога 78 установили, что полю имманентно присуще движение. Соединённое нами с характеристиками движения, заново переопределённое электрическое поле содержит в себе так много потенций для явлений, что возникает надежда объяснить многие, а возможно и все характеристики элементарных частиц свойствами их поля. И тогда неизбежно встанет вопрос: а что такое заряд как не его поле?! Скажите, кто-нибудь видел заряд без поля?! Так не может ли быть, что само понятие заряд сводится к понятию поле , с учётом его пространственной структуры и разнообразнейших движений?! Все наши дальнейшие изыскания убеждают нас в том, что это именно так. Более того, мы убедились сами и надеемся убедить Вас в том, что структурой электрического поля и его движениями объясняются и магнитные, и инерционные, и гравитационные, и все остальные характеристики элементарных частиц. Таким образом, каждая элементарная частица находится не внутри своего поля, как желток в яйце, а вся она снаружи , в «своём» поле, простираясь повсюду, вплоть до крайних пределов Вселенной. Знаменитая древняя философская формула «всё во всём» неожиданно (поверьте, даже для нас самих!) получила вполне наглядный смысл и значение. Ну, коль скоро мы заподозрили, что заряды – это особым образом организованные поля, то придётся снова пересмотреть ряд привычных представлений. В рамках такой парадигмы становится понятно, что заряды (а значит, и стабильные элементарные частицы) простираются во все стороны безгранично. И их свойства, качества, распределены безгранично. Разумеется, «густота», или интенсивность поля элементарных зарядов, быстро убывает с расстоянием (скорее всего, как квадрат расстояния). Но ведь и объём занимаемого им пространства растёт (как куб расстояния). То есть «рассредоточенность» поля зарядов может в каких-то случаях оказаться не символической, а вполне реальной особенностью, вызывающей явления. Поля не способны «уничтожать» друг друга, как мы выяснили. Значит, они сосуществуют в одном пространстве. Следовательно, в любом месте пространства присутствуют поля всех стабильных частиц Вселенной. Если бы, например, «густота» полей была бы напряжённостью (представим на секундочку!), то величина этой напряжённости была бы астрономической величиной. Причём даже в межгалактическом пространстве. Тогда нам бы и в голову не пришло считать межзвёздное пространство «пустым». Похоже, нет во Вселенной уголка, где не присутствовали бы мириады полей всех частиц. У них близка к нулю Кулоновская составляющая, мала магнитная составляющая. И только поэтому мы их «не видим»?! Не эти ли поля и создают тот самый загадочный «физический вакуум», мировую среду, эфир? Как ни забавно, но и в рамках квантово-механических представлений о вакууме есть и такая концепция: «В вакууме равны нулю только средние значения физических величин… Сами же эти величины непрерывно флуктуируют (колеблются) около этих средних значений» [3]. «Чистый» эфир, «эфир в себе» – всего лишь идея. Это мы выяснили ещё в первой главе. Но ведь «газ вообще» - это такая же идея. Она является эффективной идеей потому, что в природе существуют реальные газы. Конкретные. Так вот же они «реальные эфиры». Не мировая среда вообще, а конкретная мировая среда, в каждой точке Вселенной образованная полями всех её частиц. И поля эти электрические. И находятся они в сложном и беспрерывном движении. Стоит вообразить себе эту грандиозную картину беспрерывного вселенского кипения сложнейшей жизни под покровом почти полной незримости…. Она поражает воображение. Поистине поражает. Возможно, когда П. Дирак создавал свою концепцию вакуума, подобного кипящему «бульону» из виртуальных частиц, он видел нечто подобное. Правда, нам теперь не нужны какие-то особые Дираковские «виртуальные» частицы. Вполне достаточно реальных. Закон Кулона (2.4) (а на самом деле закон (2.7)) считается точно выполняющимся вплоть до весьма сильных полей. На сегодня возможности человеческих измерений ограничиваются 12 - 15-ю значащими цифрами после запятой, и это в редких, уникальных и весьма трудоёмких экспериментах. В среднем всё гораздо хуже. Если бы поля И. Мисюченко Последняя тайна Бога 79 действительно «исчезали» вдали от нейтральных в среднем зарядовых систем, то можно было бы считать, что этим законом и исчерпываются электростатические взаимодействия. Но коль скоро поля не исчезают, то остаётся вопрос: а что, если нарушения закона Кулона заметны, например, в 50-м знаке после запятой? Мы не можем обнаружить такие отклонения в лабораториях, но ничтожны ли они?! Отклонения от закона Кулона изучаются сегодня официальной наукой в рамках квантовых теорий вакуума и давно уже перестали являться крамольной идеей [3]. Если бы эта идея была бы принята в начале XX века! Возможно, не понадобились бы науке хромающие на обе ноги сами «квантовая механика» и «квантовая электродинамика». Учитывая астрономические величины суммарных зарядов всех стабильных частиц Вселенной, мы можем наблюдать воочию мощнейшие явления, даже не догадываясь об их электрической причине. Тогда почему бы не заподозрить и в тяготении тел, в гравитации всего лишь малый «хвостик» от закона Кулона? И такие мысли высказывались некоторыми исследователями тяготения. Правда, высказать подозрение – это ещё не наука. Мы позже покажем, что это подозрение оказывается вполне правдоподобным, и укажем точный и простой физический механизм возникновения отклонений от закона Кулона в реальных зарядах. § 2.3. Движение зарядов и движение полей. Электрические токи Движение зарядов изучает раздел учения об электричестве, именуемый электродинамикой . С движениями зарядов связывают особое понятие – электрический ток . Вообще электрическим током сегодня принято называть любое упорядоченное движение зарядов . В настоящее время различают несколько видов токов: • токи проводимости (упорядоченное движение зарядов в проводниках 1-го и 2-го рода) • токи смещения (упорядоченное движение зарядов в диэлектриках и даже в вакууме ) • конвекционные токи (токи, вызываемые механическими перемещениями заряженных макроскопических тел). Множество экспериментов в течение XIX и XX веков убедительно показали, что все три вида токов (во всех своих частных случаях) производят одинаковые эффекты и описываются одними и теми же закономерностями. Мы ещё вернёмся к этому общепринятому выводу и покажем, что и тут всё не так однозначно, как кажется. А пока напомним основные факты, известные о токах. Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника (диэлектрика или площадку пространства вообще) в единицу времени: (2.13) dt dQ I = Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным . Для него справедливо: (2.14) t Q I = , где Q – электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение. Единица силы тока – ампер. И. Мисюченко Последняя тайна Бога 80 Сила тока, отнесённая к единице площади и перпендикулярная направлению тока, называется плотностью тока: (2.15) ⊥ = dS dI j Единица плотности тока – ампер на метр квадратный. Связь тока I с плотностью j , протекающего через произвольную поверхность S , устанавливается следующим образом: (2.16) ∫ = S S d j I r r Рассматривая вопрос о причинах движения зарядов, именуемых токами, электродинамика приходит к выводу о том, что, по крайней мере, продолжительные токи не могут вызываться электростатическим полем. Поскольку опыт показывает, что в электростатических полях заряды перемещаются только до тех пор, пока их перераспределение не уравновесит действие поля. Это происходит быстро. А коль так, то причину длящихся токов следует выделять особо, и такие силы именуются силами неэлектростатического происхождения . Есть и другое, более короткое название – сторонние силы . Считается, что сторонние силы могут быть различными: химическими (как в случаях с гальваническими элементами), механическими (в случае с электромеханическими генераторами) и т.п. Такое деление носит совершенно поверхностный характер, отражая чисто внешнюю сторону явления. Если дать себе труд подумать, то мы убедимся, что в химических источниках силы, приводящие в движение носители заряда, связаны с элементарными частицами. В механических источниках - с силами Лоренца, действующими опять-таки на элементарные частицы. В ядерных, термоэлектрических, фотоэлектрических – ровно то же самое. К движению заряженных частиц всегда приводят другие движущиеся заряженные частицы . Знакомая картина? Ну конечно же! Ровно то же самое происходит и в механике: к движению одних тел приводят другие тела. Вдумайтесь, какое огромное количество зарядов сосредоточено даже в крохотных макроскопических телах, вроде горошины. В одном моле молекулярного водорода (всего чуть менее двух грамм!) содержится примерно сто девяносто две тысячи кулон отрицательных зарядов и столько же положительных. Чтобы получить (или разложить) моль водорода из протонов и электронов, мы бы пропускали ток в 1 ампер более ста часов. А разве какие-то силы, кроме электростатических, действуют при этом? Нет! Другой разговор, что мы пока не понимаем, чем именно являются сами электростатические силы. То есть мы хотим сказать, что на самом деле есть только один какой-то вид электродвижущих сил. То, что учёным мерещится их множество, всего лишь результат исторически сложившегося хода изучения электрических явлений. Для того чтобы успешно двигаться дальше, в этом месте мы должны сделать экскурс в кинематику. Зачем? Оказывается, кинематика в той форме, в которой она сформулирована в рамках Ньютоновой механики, является неполной. И эта неполнота, практически никак не сказывавшаяся доселе на развитии самой механики, очень начинает мешать, когда мы сталкиваемся с электрическими явлениями. Это ни в коем случае не в укор Галилею, создавшему привычную нам кинематику, но наоборот, как свидетельство о способности её к дальнейшему развитию. Речь пойдёт о специфических видах движения. В механике равномерное и прямолинейное движение любой материальной точки (тела) можно устранить выбором системы отсчёта. Это возможно по той простой причине, что точечное тело движется как единое целое. При резких ускорениях достаточно «мягких» И. Мисюченко Последняя тайна Бога 81 тел появляется эффект деформации тела. И в этом случае тело перестаёт двигаться как единое целое. Но в механике это случай особый и интересует только специалистов. Если же тела абсолютно твёрдые, но их больше одного, то вновь возникает ситуация, когда они могут двигаться не только как целое, как система тел, но и относительно друг друга. Такое движение (двух и более тел) неустранимо выбором системы отсчёта. Причём не только инерциальной, а вообще любой. Ну и что, казалось бы? А вот что: если какие-либо взаимодействия между объектами связаны с движениями этих объектов, то может иметь принципиальное значение устранимо или неустранимо выбором системы отсчёта движение, о котором идёт речь. В механике просто нет взаимодействий, обусловленных именно взаимным движением тел (пока они не столкнутся, разумеется). А вот среди электрических явлений таких взаимодействий немало! Вот почему устранимость или неустранимость движения должна играть существенную роль в электрических явлениях. Возьмём пример с током. Всем известен классический случай постоянного тока, протекающего по длинному проводу. Изучены взаимодействия между такими проводами, на этом основании введено понятие о силах Ампера, и прочая, и прочая, и прочая… А случай одиночной заряженной движущейся частицы вроде бы полностью должен укладываться во все законы и явления, установленные для токов. Ведь это тоже ток! Ан нет, возникает принципиальная разница…. Ну, к примеру: как бы вы ни двигались вдоль провода с током, вы будете фиксировать магнитное поле тока. Это факт. Пусть будет теперь не ток в проводе, а равномерно и прямолинейно движущийся заряд, частица. С точки зрения неподвижного наблюдателя эта частица тоже есть ток и у него есть магнитное поле. Но стоит вам начать двигаться вместе с заряженной частицей (не обязательно микроскопической), как магнитное поле тока исчезает. Парадокс? Кажущийся, всего лишь кажущийся… Всё дело в том, что провод состоит из многих частиц. И двигаясь вместе с электронами, вы окажетесь неподвижны относительно электронов, но будете двигаться относительно ионов решётки металла. Если же вы остановитесь – то вы станете неподвижны относительно ионов, но снова начнёте двигаться относительно электронов. И как бы вы ни двигались, всегда будет сохраняться факт движения относительно тех или иных заряженных частиц провода. Движение электронов в проводе оказывается принципиально неустранимо. А движение одной- единственной частицы – устранимо простой заменой системы отсчёта. Таким образом, разница между конвекционным током и током проводимости оказалась связанной не с названиями этих токов, не с носителями, а с природой движений! В обоих случаях ток – всего лишь движение зарядов, а значит, движение полей. Причём движение каждого вида зарядов (положительных или отрицательных) стационарно. Но даже для стационарных полей, когда их больше одного, возможно возникновение неустранимости движения. Кстати, предоставляем читателям самостоятельно доказать, что движение нестационарных полей неустранимо В связи с этими рассуждениями вскрывается причина одной распространённой в современной физике ошибки. Имеется в виду так называемая «самофокусировка» пучка заряженных частиц. Экспериментально установлено, что мощные пучки, например, электронов при определённых условиях самофокусируются, сжимаются в поперечном к вектору скорости направлении. Это происходит, как считается, по причине того, что большой ток вызывает сильное магнитное поле, которое и фокусирует частицы. Часто для объяснения привлекают релятивистские эффекты, такие как ослабление и анизотропию Кулоновского взаимодействия в движущихся системах. Такое же явление (именуемое «шнурованием тока») происходит в обычных проводниках при больших токах. А там самые большие скорости движения электронов – миллиметры в секунду. Отнюдь не релятивистские. Получается, что если пучок заряженных частиц например, электронов, летит с околосветовой скоростью в межзвёздном пространстве, то он будет тоже шнуроваться? Если так, то вот вам способ обнаружить абсолютное движение! А? И. Мисюченко Последняя тайна Бога 82 Нет, конечно, никакого абсолютного движения мы так не обнаружим. Потому что в условиях межзвёздного пространства никакого шнурования не будет. А не будет его потому, что нет относительного движения в пучке: все летят одинаково. Такое движение устранимо выбором системы отсчёта и, следовательно, необнаружимо. А как же тогда в ускорителях и установках электронно-лучевой сварки?! Там же шнурование есть! Многократно проверенный факт. Почему?! А потому, что сосредоточив взгляд на пучке электронов, все как бы «забыли» о том, что эти электроны не упали с неба, а вырваны из проводников ускорительной установки . И, следовательно, в этих проводниках остались нескомпенсированные положительные заряды ионов кристаллической решётки. И вот относительно них-то и движутся электроны. Такое движение, как мы уже показали выше, неустранимо. Эти положительные заряды не в другой Галактике, а здесь же, рядом, в проводниках той же установки, в которой движутся электроны пучка. Происходит магнитное взаимодействие между электронами и ионами! Ещё раз произнесём: не между электронами внутри пучка , а между электронами и неподвижными нескомпенсированными положительными ионами проводников. Мы надеемся, что читатель уже уловил идею устранимых и неустранимых движений и ту роль, которую она играет у нас при анализе электрических явлений. Теперь зададимся более конкретным вопросом: коль скоро любой (в том числе и элементарный) движущийся заряд являет собой ток, то, как именно следует определять силу тока такого заряда? Ведь его движение отличается от движения зарядов в проводнике своей устранимостью. Определения (2.13) и (2.14) не помогают, поскольку заряд остаётся постоянным. В современной электродинамике принято в таких случаях определять не величину силы тока, а плотность тока, согласно (2.15). Из теории электрического тока в проводниках следует, что сила тока через сечение S проводника: (2.17) envS I = , где e – заряд носителя, n – число носителей в единице объёма, v – средняя скорость движения носителей, S – площадь поперечного сечения. Тогда из (2.15) следует, что для одного носителя плотность тока j составляет: (2.19) ev j = Оставаясь в рамках идеи точечных зарядов, больше ничего сделать нельзя, разумеется. Как вычислить величину силы тока, когда площадь S равна нулю? Невозможно. Иная ситуация в нашей парадигме – заряды имеют размеры. А раз так, то движущиеся заряды являют собой не только плотность тока, но и силу тока. Но токи эти, если можно так выразиться, «короткие». Длиной в саму частицу. То есть движущиеся частицы являют собой практически «элементы с током». Такой объект был введён в электродинамику ещё Био, Саваром и Лапласом, как вспомогательный приём для вычисления магнитных полей токов. По счастью, трудами этих исследователей разработан и аппарат для применения «элементов с током», которым мы будем впоследствии неоднократно пользоваться. Возвращаясь к вопросу о величине силы тока движущегося (полагаем его, например, сферическим) заряда конечных размеров 0 r , и, памятуя, что речь идёт об элементе с током, измерим силу тока при помощи следующей процедуры: поместим наблюдателя непосредственно перед частицей по ходу движения. Засечём время, за которое частица вся целиком пройдёт мимо наблюдателя. При равномерном и прямолинейном движении это время составит: (2.20) v r t 0 2 = И. Мисюченко Последняя тайна Бога 83 Заряд частицы был q и весь прошёл мимо наблюдателя. Следовательно, из определения (2.13) получим: (2.21) 0 2r qv t q I = = То есть не только плотность, но и сила тока прямо пропорциональна скорости и величине заряда. Здесь мы повторили результаты, уже полученные в предыдущей главе, однако повторили не бездумно, а успев уже переосмыслить целый ряд вещей. Соответственно, мы теперь лучше готовы делать выводы. Например, проявилась интересная особенность реальных зарядов – сила тока падает обратно пропорционально размеру заряда. Всё выглядит так, как если бы заряд q двигался бы со скоростью v по проводнику с переменной концентрацией носителей и переменным сечением. Причём концентрация и площадь сечения согласованы таким образом, что их произведение обратно пропорционально расстоянию. Если мы проделаем точные расчёты для куба со стороной 0 2r , то получим в точности результат (2.21). Если для шара, то получим то же самое с коэффициентом 3/4. Насколько важны эти различия? Оказывается, что в существующей общепринятой физической парадигме важно, а в нашей – не слишком. Почему? Да потому, что если бы заряд был сосредоточен внутри частицы, то было бы важно, какова конкретная геометрическая форма частицы. Но поскольку, как мы установили, заряд скорее снаружи, чем внутри, то неважно. Поясним. Заряд - это поле частицы. А электрическое поле любого проводника сложной формы при удалении от него очень быстро выравнивается и становится похожим на поле сферического заряда уже на расстояниях порядка размера проводника. Следовательно, какой бы формы ни была внутренность нашего заряда, ток, представляемый движущимся зарядом, будет примерно одним и тем же. Подробный экскурс в теорию токов см. приложение П1. Ещё раз обратим внимание читателя: по современным представлениям заряд есть внутренность элементарных частиц, а по нашим – это наружность, бесконечно простирающееся поле. Маловажно то, что внутри. Важнее то, что снаружи. До сих пор мы задавались вопросом, как связаны токи и движения зарядов, полагая такое движение равномерным и прямолинейным. Мы разобрали случаи устранимого и неустранимого равномерного прямолинейного движения. Но следует рассмотреть ещё и неравномерные движения, например ускоренные. Иначе наш анализ будет страдать вопиющей неполнотой. Нетрудно сообразить, что коль скоро постоянный ток – это равномерное движение зарядов, то неравномерное движение будет являть собой переменный ток. Переменный ток характеризуется скоростью изменения. Чтобы определить эту величину, просто продифференцируем обе части выражения (2.21): (2.22) 0 0 2 2 r qa r qv dt d dt dI = = , где a – ускорение заряда. Как видим, скорость изменения тока прямо пропорциональна ускорению заряда и обратно пропорциональна его размерам. Коль скоро ускоренное движение заряда есть переменный конвекционный ток, а конвекционные токи во всём подобны токам проводимости, то ускоренное движение заряда должно порождать все те же явления, что и переменный ток в проводнике. В предыдущей главе мы указали на возможный механизм излучения «электромагнитных волн» переменными токами. Следовательно, ускоренно движущиеся частицы должны излучать, причём по такому же механизму. Излучение ускоренно движущихся заряженных частиц - это экспериментальный факт. Но поскольку токи в проводниках – это совокупность большого И. Мисюченко Последняя тайна Бога 84 числа микроскопических токов каждого носителя, то скорее следует сказать, провод с переменным током излучает по тому же механизму, по которому излучает ускоренно движущийся заряд. Переменные токи способны протекать не только в проводниках, но и в диэлектриках и даже в вакууме. Следовательно, ускоренное движение частиц должно приводить к протеканию переменных токов в вакууме, причём везде, где простирается поле частицы. Такие токи именуются токами смещения, их суть и физическое содержание мы рассмотрим в следующем параграфе. § 2.4. Диэлектрики и их основные свойства. Лучший в мире диэлектрик В рамках электростатики принято делить вещества на проводники и диэлектрики. Поскольку проводники способны беспрепятственно проводить заряды, то диэлектрики, соответственно, должны полностью блокировать передвижение зарядов через них. Понятно, что это идеализация и на практике проводники обладают конечной проводимостью, а диэлектрики конечным сопротивлением. На сегодняшнем уровне знаний установлено, что всякое вещество состоит из большого числа элементарных зарядов – как проводники, так и диэлектрики. Но в проводниках возможно перемещение избыточного заряда с места на место на далёкие расстояния, а в диэлектриках оно невозможно. Или крайне затруднено. На микроуровне принято заменять реальные заряды в атомах и молекулах на модельные «диполи». Если такие диполи имеют конечную длину, то молекулы таких диэлектриков именуют полярными. Если же диполи оказываются «бесконечно короткими» в отсутствии внешних полей, то молекулы именуются неполярными. Под действием внешних полей отрицательные заряды таких диполей смещаются относительно положительных, и диполь приобретает конечную длину. Модельная неполярная молекула приобретает дипольный момент. В полярных же молекулах происходит поворот диполей по вектору напряжённости внешнего электрического поля и сложение микрополей. Если же вещество имеет строение в виде двух ионных решёток, вложенных одна в другую, то происходит относительное смещение решёток, и также появляется дипольный момент. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей. Соответственно трём вышеописанным группам диэлектриков различают электронную (деформационную), дипольную (ориентационную) и ионную поляризацию. Поляризация приводит к тому, что напряжённость электрического поля внутри диэлектрика не равна напряжённости поля снаружи. Приобретение дипольного момента P r во внешнем поле количественно выражают поляризованностью и относят к единице объёма диэлектрика: (2.23) V p V p P i i V ∑ = = r r r Опытным фактом является, что в сравнительно слабых макроскопических полях почти для всех видов диэлектриков (кроме сегнетоэлектриков) поляризованность P r линейно зависит от напряжённости поля E r : (2.24) E P r r 0 χε = , И. Мисюченко Последняя тайна Бога 85 где χ – безразмерная диэлектрическая восприимчивость вещества. Причём она всегда больше единицы для всех без исключения веществ. Позже мы увидим, что эта же величина является дискриминатором, отделяющим привычную нам вещную материю от пленума, мировой среды. Напомним, что в сильных полях диэлектрическая восприимчивость падает вплоть до единицы. Падает она и с ростом частоты внешнего поля и вообще всегда, когда появляется некий фактор, препятствующий росту среднего дипольного момента. Диэлектрик, будучи изначально электрически нейтральным телом, во внешнем поле 0 E так и остаётся нейтральным, ибо никакие заряды на него не попали. Да и проводить он их не может. Откуда же взялось поле внутри, отличное от наружного? Оказывается, ориентация диполей по внешнему полю, например, в пластине, привела к тому, что на одной стороне пластины оказались положительные концы диполей, а на другой – отрицательные. Это эквивалентно тому, как если бы мы поместили равные и противоположные по знаку заряды на стороны пластины. Такие заряды называются связанными , поскольку они не могут быть разнесены, да и вообще не существуют в отрыве от своей среды, диэлектрика (рис. 2.1). Рис. 2.1 . Образование связанных зарядов в диэлектрике и результирующая напряжённость Результирующая напряжённость поля E r внутри диэлектрика примет величину: (2.25) ε χ 0 0 1 E E E r r r = + = , где безразмерная величина ε называется диэлектрической проницаемостью среды и показывает, во сколько раз поле в диэлектрической среде ослабляется и характеризует свойство диэлектрика поляризоваться во внешнем поле. Заметим, что связанные заряды диэлектрика отличаются от свободных зарядов только тем, что их нельзя далеко разнести один от другого. Но их можно приводить в движение, например механическим образом. Движение связанных зарядов вызовет появление токов, в т.ч. и переменных. Токи вызовут магнитные и индукционные явления и т.д. и т.п. Поэтому связанные заряды следует считать вполне равноправными со свободными, за малыми ограничениями на свободу некоторых видов движения. И только! В этой связи рассмотрим токи смещения, протекающие в диэлектрике под воздействием изменяющегося внешнего поля. Пусть мы имеем дело с неполярным И. Мисюченко Последняя тайна Бога 86 диэлектриком. И пусть изначально поле близко к нулю. Диполи внутри вещества короткие. Эта ситуация изображена на рис. 2.2а. Затем поле усилилось, и диполи вытянулись (рис. 2.2б). Это означает, что отрицательные заряды сдвинулись в одну сторону, а положительные – в другую. Но поскольку направление тока связано не только с направлением движения, но и со знаком заряда (2.21), то токи положительных и отрицательных зарядов оказались сонаправленными и образовали общий ток, именуемый током смещения. Рис. 2.2. Протекание токов смещения связанных зарядов. Понятно, что внешнее поле, вызвавшее поляризацию диэлектрика, совершает определённую работу, например, по ориентации или «растягиванию» диполей. Поэтому если мы внесём диэлектрик в поле или вынесем его, то будет затрачена или выделена энергия. Диэлектрик всегда ослабляет поле, в которое его внесли, и, соответственно, внесение диэлектрика энергетически выгодно. Этот факт легко демонстрируется опытом по втягиванию жидкого диэлектрика (например, масла) в зазор заряженного плоского конденсатора (рис. 2.3). Установлено опытным путём, что в неоднородном электрическом поле на диэлектрик действует специфическая пондеромоторная сила, действующая в направлении по нарастанию градиента поля. То есть в неоднородных полях даже на электронейтральные тела действуют электрические силы . Отметим этот факт. Величина этой силы, установленная многочисленными опытами: (2.26) V E P F r r r ) ( ∇ = , где P – поляризация диэлектрика, E r – напряжённость электрического поля, V – объём диэлектрика. Есть и обратное явление: даже в однородном поле при наличии градиента диэлектрической проницаемости внутри диэлектрика действуют силы И. Мисюченко Последняя тайна Бога 87 Рис. 2.3 . Втягивание диэлектрика в неоднородном электрическом поле по направлению градиента поля Идеальных диэлектриков в природе, конечно же, нет. Любое вещество обладает некоторой, хотя, быть может, и весьма слабой проводимостью. Любое вещество при поляризации нагревается, деформируется и другим образом тратит энергию поля, в которое его внесли. Параметры любого диэлектрика зависят от температуры, влажности, давления и многих других факторов. Но есть один диэлектрик, который используют тогда, когда крайне важна стабильность параметров и идеальность характеристик. Этот диэлектрик – вакуум. Именно так вакуум используется технически в вакуумных конденсаторах как постоянной, так и переменной ёмкости. В техническом смысле вакуум оказывается самым лучшим в мире диэлектриком. Самым идеальным. К сожалению, он экономически дорог. Удерживать вакуум недёшево. «Пустота» оказывается дорогим материалом для человека. Но это в земных условиях. А вот на Луне, к примеру, вакуум – товар весьма дешёвый. Именно поэтому разработчики фар Лунохода не стали экспортировать дорогой вакуум с Земли, чтобы «наполнить» им баллоны осветительных ламп. От баллонов вообще отказались. То есть они просто взяли дешёвый вакуум прямо на Луне. Вот уж поистине идеальный материал для Творца: он практически везде есть, его неограниченное «количество», и он ничего не стоит. Мы хотим сказать, что вся сумма опыта нашего в отношении веществ и вакуума говорит нам о том, что вакуум это диэлектрик. Так может быть и считать его впредь диэлектриком? Тогда появляется возможность ставить вопросы. Например, какова его поляризуемость? Быть может, ничтожно мала, но всё-таки есть? А какова частотная дисперсия диэлектрической проницаемости?! Быть может, ничтожна, но не равна математическому нулю?! И прочая, и прочая, и прочая. Стоит свойствам вакуума (он же эфир, пленум и мировая среда) оказаться лишь на йоту иными, чем представляется в современной физике, как ввиду огромности пространств во Вселенной заполненных этой И. Мисюченко Последняя тайна Бога 88 средой , могут получить объяснения множества явлений, которые на сегодня объясняются смутно, противоречиво и разнородно. § 2.5. Проводники и их свойства. Самый маленький проводник Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делят на две группы: 1) проводники первого рода (металлы и некоторые искусственные вещества) – перенос в них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (электролиты и некоторые твёрдые вещества) – перенос в них зарядов осуществляется положительными и отрицательными ионами и ведёт к химическим реакциям. Такое определение даётся в большинстве современных физических источников и в настоящее время оспаривается рядом авторов, в частности, в [4]. Эти авторы утверждают, что и в проводниках первого рода на самом деле при прохождении тока протекает электрохимическая реакция, просто реакция эта не того рода, чтобы необратимо изменять химический (молекулярный) состав проводника. Такое утверждение, на наш взгляд, вполне перспективно, так как, во-первых, ведёт к объяснению различных парадоксов, существующих в электронной теории проводимости, а во-вторых, единообразно для проводников первого и второго рода. Например, химическими реакциями легко объясняется нагрев проводников при ничтожных дрейфовых скоростях электронов (доли миллиметра в секунду) на фоне огромных тепловых скоростей (километры в секунду). Если кому-то совершенно понятно, каким образом изменение скорости в шестом знаке после запятой вдруг вызывает стремительный нагрев проводника до тысяч градусов в рамках классической теории проводимости, пусть поделится сокровенным знанием с благодарным человечеством. В то же время при протекании химических реакций всегда нарушается тепловой баланс в ту или иную сторону, и если допустить течение химических реакций в проводнике с током, то недоумение рассеивается. Если же вспомнить электротермические эффекты в проводниках, например, эффект Пельтье, то ведь химические реакции сотни лет уже как делят на экзотермические и эндотермические. Но, впрочем, для наших задач в ближайшее время не особенно важно, как именно происходит распространение заряда в проводниках, важнее то, что оно происходит и происходит достаточно быстро. Мы можем лишь предложить делать некоторое различие между перемещениями зарядов и их смещениями. Поясним на примерах. Перемещением мы именуем физический перенос конкретного элементарного заряда (электрона, иона) от одного конца проводника к другому его концу, т.е. на макроскопическое расстояние. Возможно, что такое перемещение есть просто цепочка химических реакций, при которых противоположного конца проводника достигает вовсе не тот носитель, который вошёл. Такое перемещение может занимать значительное время, иногда целые минуты или даже часы. Напротив, под смещением мы понимаем малое, микроскопическое перемещение длинной цепочки зарядов, расположенных между одним и другим концами проводника. Такое перемещение происходит фактически со скоростью движения электрического поля в данной среде и является, во всяком случае, весьма быстрым. Один ли заряд проходит, скажем, метр или мириады зарядов смещаются на ангстрем – возникает электрический ток. Если ток постоянный, то мы вряд ли усмотрим разницу между вышеописанными случаями. Иное дело, если ток меняется быстро и часто – в этом случае медленный ток «химических реакций» не поспевает за изменениями внешнего поля и основную роль начинает играть «ток смещения». Ещё Н. Тесла установил, что огромные напряжения и довольно сильные токи безопасны для человека, если они имеют высокую частоту изменения. Они не вызывают ни тепловых, ни химических явлений в человеческом теле, не поражают нервную систему и сердце и даже более того, являются в определённой мере благотворными. И. Мисюченко Последняя тайна Бога 89 Итак, в рамках электростатики проводникам, независимо от их рода, уделяется особое место. Способность проводников к быстрому перемещению зарядов приводит к тому, что при возникновении внешнего поля свободные заряды проводника перераспределяются таким образом, что полностью компенсируют это самое внешнее поле. Как только они его компенсировали, дальнейшее движение зарядов прекращается и устанавливается стационарная картина. Внутри проводника напряженность электростатического поля оказывается равной нулю, в непосредственной близости от поверхности вектора напряжённости поля перпендикулярны поверхности и, по мере удаления внешнее поле возвращается к тому значению напряжённости, которую оно имело бы при отсутствии проводника (рис. 2.4). Рис. 2.4. Распределение зарядов в проводнике при наличии внешнего электрического поля Как видим, на одном конце проводника скапливаются отрицательные заряды, на другом – положительные. Такое поведение зарядов проводника в ответ на внешнее электрическое поле именуется электростатической индукцией. Поля этих зарядов суммируются с внешним полем по принципу суперпозиции и притом таким образом, что результирующая напряжённость в проводнике равна нулю. Если мы вырежем внутри проводника на рис. 2.4 полость, то в этой полости напряжённость электрического поля будет нулевая. Конечно, это, как мы установили ранее, ни в коем случае не означает, что внутри проводника нет никаких полей. Отнюдь. Там благополучно сосуществуют как внешнее поле, так и поля противоположных зарядов, скопившихся на противоположных концах проводника. Это легко проверить, сделав наш проводник разъёмным (по пунктирной линии на рис. 2.4). Приведём во вращательное движение в противоположных направлениях половинки проводника и увидим, что внутри полости появилось магнитное поле. Причём это магнитное поле оказывается связано с внешним электрическим. Уберите внешнее поле (сохраняя вращение половинок проводника) и магнитное поле внутри исчезнет. В этом опыте наглядно видно, что совместное действие механического движения и электростатического поля порождает магнитные явления. У проводников, со всех сторон окружённых диэлектриком, проявляется важное и весьма интересное свойство. Если на этот проводник с заряженного тела перенести некий заряд Q , то этот заряд останется на проводнике, порождая вокруг проводника И. Мисюченко Последняя тайна Бога 90 электростатическое поле с напряжённостью E . Попытка добавить новую порцию заряда приведёт к сопротивлению со стороны уже обладающего избыточным зарядом проводника. Это и понятно, ведь, чтобы добавить новых зарядов того же знака, надо совершить работу по преодолению сил отталкивания. Оказывается, у различных проводников эта работа разная и зависит не только от заряда, сообщённого проводнику, но и от формы самого проводника. Мы помним, что энергия по удалению (приближению) пробного заряда к проводнику есть потенциал. Отношение заряда Q к потенциалу ϕ именуют электроёмкостью уединённого проводника C и выражают, как: (2.27) ϕ Q C = Ёмкость выражается в фарадах Ф=Кл/В. Фарада – очень большая величина, на практике проводники бытовых размеров имеют ёмкости в единицы, десятки, иногда сотни пикофарад. Емкость зависит только от геометрии проводника и свойств окружающей проводник диэлектрической среды. Ни от заряда, ни от агрегатного состояния, ни от материала проводника она не зависит. Это твёрдо установленный факт, обусловленный тем, что свободные заряды проводника перераспределяются по поверхности. Емкость уединённого шара выражается через его радиус R как: (2.28) R C 0 4 πεε = Этот результат легко получить из (2.27) подстановкой формулы для потенциала заряженного шара (совпадает с потенциалом точечного заряда) (2.11). Здесь влияние среды сказывается через ε – относительную диэлектрическую проницаемость среды. Запомним, что емкость проводника зависит не только от геометрии самого проводника, но и от свойств диэлектрической среды, его окружающей. Даже если эта среда – вакуум. Таким образом, нельзя утверждать, как часто пишут в физической литературе, что электроемкость – характеристика проводника. Нет. Это некая характеристика взаимоотношений проводника и окружающего его диэлектрика. Электроёмкость отражает также способность проводника вместе с окружающим его диэлектриком накапливать энергию. В самом деле, при большой ёмкости C и заряд и энергия, приходящиеся на 1 вольт потенциала, велики. Чтобы зарядить тело от нулевого потенциала до потенциала ϕ , требуется совершить работу A : (2.29) ∫ = = ϕ ϕ ϕ ϕ 0 2 2 C d C A Энергия заряженного проводника в диэлектрической среде равна этой работе, и равна по модулю той работе, которую можно получить, разряжая заряженный проводник: (2.30) C Q Q C W 2 2 2 2 2 = = = ϕ ϕ Технически используют, как правило, не емкость уединённых проводников, а взаимную ёмкость . Для этого берут два проводника, разделённых диэлектриком, и переносят заряды с одного на другой. Наиболее простой случай – плоского конденсатора. Это случай, когда проводники имеют вид пластин и их разделяет тонкий слой диэлектрика. В этом случае ёмкость выражается как: И. Мисюченко Последняя тайна Бога 91 (2.31) d S C 0 εε = , где S – площадь пластин, а d – расстояние между ними. В таком конденсаторе поле практически однородно и удобно считать плотность энергии поля. Энергия поля соответствует формуле (2.30), объём между пластинами Sd V = , соответственно, объёмная плотность энергии электростатического поля: (2.32) 2 2 0 E w εε = Считается, что эта связь энергии и напряжённости поля сохраняется всегда и везде, не только в плоском конденсаторе. Даже в неоднородных полях она сохраняется. Разумеется, до тех пор, пока сама среда не начнёт менять своих электрических свойств под воздействием поля. Даже беглый взгляд на (2.32) показывает, что здесь совершенно не учитывается возможность движения поля (зарядов) и неясно, как такое движение повлияет на энергию поля. Интуитивно понятно, что движущийся конденсатор содержит больше энергии, чем неподвижный. Ну хотя бы потому, что движущиеся избыточные заряды пластин конденсатора – это токи, а токи обладают энергией, и энергия эта кинетическая. Такие вопросы принято относить уже к электродинамике. Теперь, глядя на (2.32), нам становится понятно, почему потенциал сферических зарядов убывает пропорционально первой степени расстояния. И что такое вообще потенциал. Поскольку плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряжённости, то она обратно пропорциональна четвёртой степени расстояния. Объём же пропорционален кубу расстояния (радиуса). Следовательно, энергия поля заряда, оставшаяся вне сферы радиуса R (во всей остальной Вселенной), убывает как произведение объёма на плотность энергии, то есть куб расстояния, делённый на четвёртую степень расстояния. Значит, потенциал на расстоянии R от сферического заряда это просто та часть энергии заряда, которая осталась вне сферы радиуса R . Обратимся теперь к несколько иному вопросу: а что, если мы возьмём такой проводник, в котором помещается всего один свободный заряд? Например, электрон. Будет ли такой проводник иметь ёмкость? Вне всякого сомнения, да, если его размер отличен от нуля в соответствии с (2.28). Следовательно, даже отдельно взятый электрон (протон, позитрон и т.п.) будет иметь емкость. А заряд он и так имеет – это твёрдо установленный факт. Следовательно, зная заряд и емкость, мы можем немедленно получить электростатическую энергию, содержащуюся в элементарном заряде q с характерным радиусом 0 r : (2.33) 0 0 2 2 8 2 r q C q W πε = = Почему исчезла относительная диэлектрическая проницаемость среды и осталась только абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума? Да потому, что нам известно строение вещества: ничтожно малые по размерам элементарные частицы отстоят друг от друга на астрономические расстояния (по сравнению с их размерами). Следовательно, абсолютно подавляющая часть энергии поля заряда находится в относительной близости от заряда и ничего «не знает» ни о какой иной среде, кроме вездесущего вакуума (пленума, эфира). Понятно, что если мы будем двигать элементарный заряд, то у него появится ещё и кинетическая энергия, представляемая его током (2.21). Какое явление обязательно сопровождает ток? Нам оно хорошо известно – магнитное поле. И. Мисюченко Последняя тайна Бога 92 Следовательно, энергия, связанная с движением заряда, есть кинетическая энергия, и она «содержится» в магнитном поле элемента с током, т.е. движущемся заряде. Вне всякого сомнения, если бы элементарный заряд не имел электростатической энергии (т.е. заряда и размера), то движение его не вызвало бы никакого «магнитного поля» и не представляло бы кинетическую энергию. А это означает, что электрическое поле первично, а магнитное вторично. Т.е. «магнитное поле» является следствием двух вещей: существования элементарных зарядов (т.е. элементарных электрических полей) и факта их движения. А теперь зададимся ещё одним странным вопросом: чем станет вакуум (самый лучший диэлектрик, как мы установили ранее), если в него внести большое количество, например, электронов и приложить внешнее поле? Электроны начнут двигаться в поле в соответствии с (2.3а) и законами Ньютона. Следовательно, потечёт электрический ток. Окажет ли вакуум хоть какое-то сопротивление этому току? Нет, в рамках точности наших знаний – не окажет. Следовательно, такую систему (вакуум плюс свободные электроны) можно считать идеальным проводником, даже в каком-то смысле сверхпроводником. Вот почему в дальнейшем мы, рассматривая единственный электрон в вакууме, будем часто считать его «идеальным» проводником, хотя сам вакуум мы определили как «идеальный» диэлектрик. Остаётся нерассмотренным ещё один практически важный для дальнейшего изложения вопрос: поведение проводников в неоднородном поле. Обсуждая свойства диэлектриков, мы пришли к выводу, что любой диэлектрик испытывает в неоднородном поле втягивание по градиенту поля. А что же с проводниками? По аналогии с диэлектриками мы можем сказать, что проводники в электростатическом смысле ведут себя как диэлектрики с бесконечно большой диэлектрической проницаемостью. С одной стороны, они должны были бы испытывать бесконечную силу втягивания по градиенту неоднородного поля. Но, с другой стороны, поверхность проводника эквипотенциальна, значит, градиент на поверхности равен нулю, и никакого втягивания не должно быть вообще. Что же имеет место на самом деле? А на самом деле всё довольно просто: если наш проводник не настолько велик, чтобы замкнуть собой источники поля (заряженные тела), то можно сказать, что пространство вокруг источников поля представляет собой смесь проводника (проводников) и диэлектрика (или вакуума, как одного из диэлектриков). В таком случае мы имеем диэлектрик с большей проницаемостью, чем у «чистого». Следовательно, втягивание будет, но оно будет конечным, и определяться оно будет соотношением количеств проводящей фракции и фракции диэлектрической. Если же проводник настолько велик, чтобы охватить источники, то напряжённости поля внутри него не будет вообще, и говорить о втягивании не придётся. § 2.6. Простые и удивительные опыты с электричеством Взаимное притяжение одноимённых зарядов. Чтобы убедиться в зримых «нарушениях» закона Кулона уже в весьма простых случаях, потребуется немногое: два листка тонкой (можно пищевой) фольги, два хороших фарфоровых или стеклянных изолятора, кусок медной нелакированной проволоки, два высокоомных сопротивления (примерно по 10-100 МОм) и источник высокого постоянного напряжения. При отсутствии лабораторного источника можно использовать напряжение на аноде кинескопа или напряжение на выходе бытового ионизатора воздуха, разумеется, со всеми предосторожностями, необходимыми при работе с высокими напряжениями. Из двух небольших прямоугольных кусочков фанеры, дерева или оргстекла соорудим Т-образный каркас для установки (рис. 2.5). Поставим каркас на нижнюю плоскую часть, укрепим посредине «ножки» перевёрнутой буквы Т изоляторы. Вырежем две полоски фольги и прикрутим каждую к своему изолятору проволокой. Соберём схему, И. Мисюченко Последняя тайна Бога 93 показанную на рис. 2.5, из двух сопротивлений и источника высокого напряжения. Один полюс источника заземлим. Рис. 2.5. Пример очевидного нарушения закона Кулона. Теперь включим источник. Очевидно, что в соответствии со схемой на одном электроде (полоске фольги) будет потенциал, равный половине потенциала источника относительно земли, а на другом – полный потенциал. Поскольку и на одной полоске и на другой потенциал одного знака, то, следовательно, и заряд на каждой полоске будет одинакового знака. Однако величины этих зарядов будут отличаться примерно вдвое. Полоски представляют собой обкладки плоского конденсатора, разность потенциалов между которыми равна половине полного потенциала источника. Между обкладками заряженного конденсатора, вне всякого сомнения, будут действовать пондеромоторные силы взаимного притяжения. И, несмотря на то, что знак заряда на полосках одинаковый, полоски притянутся друг к другу, возможно, вплоть до замыкания с образованием искрового разряда. Но если теперь закоротить сопротивление 2 R (или удалить сопротивление 1 R ) на рис. 2.5, то полоски начнут отталкиваться, так как они теперь не только одноимённо заряжены, но и находятся под одним потенциалом, и, по сути, в такой схеме представляют собой классический электроскоп. Скажите теперь, не зная ни реальной формы, ни реальных расстояний между, например, частицами в ядрах атомов, можем ли мы утверждать, что непременно требуется какое-то особое внутриядерное поле для удержания, например, двух протонов и двух нейтронов вместе?! Разве не может оказаться, что вполне достаточно обыкновенных электростатических взаимодействий, подобных тем, что в вышеописанном опыте заставляли притягиваться одноимённо заряженные тела? Видоизменим опыт. Установим теперь между полосками фольги медный экран. Теперь наши полоски всегда будут притягиваться, не только вне зависимости от знаков зарядов на них, но даже и при совершенно одинаковом потенциале. Не таково ли И. Мисюченко Последняя тайна Бога 94 электрическое действие нейтронов в ядрах? Не подобны ли они медному экрану в этом опыте?! Ведь не существует в природе ядер, состоящих только из протонов, кроме ядра атома водорода, в котором единственный протон, и ему просто не от кого отталкиваться. В школьных (да и вузовских) курсах физики обязательно демонстрируются опыты с электроскопом, вольно или невольно убеждающие учащихся в том, что одноимённые заряды всегда и везде отталкиваются. Но, насколько нам известно, ни в одной программе не демонстрируются опыты, в которых одноимённые заряды притягивались бы, и не разъясняются возможные нарушения закона Кулона, сформулированного для несуществующих в природе идеализированных точечных зарядов. Таким образом, у будущих учёных формируется ригидный миф о том, что одноимённые заряды обязаны отталкиваться во что бы то ни стало. К чему этот миф (и ряд других) привёл во всех иных отношениях умных и талантливых физиков начала-середины XX века мы уже знаем: к бесконтрольному размножению постулатов и сущностей с последующей вакханалией подгонки коэффициентов наспех придуманных уравнений. Литература 1. Т.И.Трофимова. Курс физики. 9-е издание. – М.: Издательский центр «Академия», 2004 г. 2. Б. М. Яворский, Ю. А. Селезнев. Справочное руководство по физике. Для поступающих в вузы и для самообразования. М.: "Наука", 1989 г. 3. А. П. Мартыненко. «Вакуум в современной квантовой теории» Соросовский образовательный журнал, т.7, N 5., 2001 г. 4. В. Н. Ганкин, Ю. В. Ганкин. Как образуется химическая связь и как протекают химические реакции. ИТХ. Институт теоретической химии. Бостон. 1998 г. |