Электрический ток

Генератор Вимшурста

свидетельствует, что заряд это не избыток или недостаток электронов, а обход электронами протонов либо справа, либо слева. Но должны же электроны где-то бегать вокруг протонов. Чтобы обеспечить электронам возможность бегать природа и предусмотрела создание внешних анаполей из электронов внешних колец атомов. Естественно, что внешние анаполи формируются из однотипных атомов одного и того же химического элемента. И внешние анаполи являются строительными блоками при создании природой кристаллической структуры. Каждый из внешних анаполей сформирован из одних и тех же атомов химических элементов (молекул сложных химических соединений).

Кристаллическая же структура в значительном числе вариантов явно построена из разнородных внешних анаполей. Кстати, и диффундируют не атомы и не молекулы, а внешние анаполи. Сруктура же из внешних анаполей не может быть плотно упакованной. Скажем, расположились атомы во внешнем анаполе по кругу.

Стрелками показано движение электронов по элементам внешних колец атомов, из которых построен внешний анаполь. Уже даже из этого примитивного рисунка видно, что площадь занимаемая атомами во внешнем анаполе существенно меньше площади, занимаемой пустотой. Поэтому вполне естественно, что Резерфорд обнаружил малый объём "ядра" атома по сранению с объёмом "электронной оболочки". Ведь альфа частицам трудно обнаружить атом в той пустоте, которую занимает внешний анаполь. Дальнейшее можно уже не обсуждать.

Т.к. мы знаем что знак заряда определяется направлением обхода электронами протонов, то рис 2 показывает, что электронная и дырочная проводимость являются пустым звуком. Двигаясь по внешнему анаполю в одном направлении электроны обегают протоны справа, а двигаясь в противоположном направлении электроны обегают протоны слева. Следовательно в одном случае электроны демонстрируют свойства положительного заряда, а во втором случае свойства отрицательного заряда. Т.е. в одном случае электроны создают положительный ток (движение дырок или так называемую дырочную проводимость), а во втором случае стандартный отрицательный ток.

Отсюда понятно что же из себя представляет постоянный и переменный ток. В постоянном токе электроны обегают протоны в одном и том же направлении, которое отличается друг от друга в парамагнетиках и в диамагнетиках. Переменный же ток это два тока в одном. Скажем, выше оси в синусоиде мы можем иметь отрицательный ток, а ниже оси мы имеем положительный ток (в современной терминологии ток дырочной проводимости). И вновь ситуация в парамагнетиках будет отличной от ситуации в диамагнетиках (в одном случае вверху отрицательный ток, а во втором случае вверху положительный ток).

Но что же собой представляют сила тока и величина напряжения? А для этого вновь обратимся к помощи генератора Вимшурста. Движение мишурной щётки по пластинам генератора может сформировать небольшое число внешних анаполей, имеющих нужный обход электронами протонов, которые передают своё состояние лейденским банкам. Но как же это может выглядеть в кристаллической решётки? Возьмём для примера куб.

Т.к. три поверхности не видны, то движение электронов во внешних анаполях с обратной стороны куба показано частично скрытым. С какой бы стороны куба мы ни посмотрели бы, мы будем видеть одно и то же направление движения электронов по внешним анаполям. При этом при взгляде с одной стороны ситуация будет другой: с противоположных сторон электроны в анаполях двигаются в противоположных направлениях. Образно говоря, с одной стороны мы будем видеть отрицательный ток, а с противоположной стороны положительный ток или наоборот (в зависимости от того пара или это диамагнетик).

На лейденские же банки поступает с одной стороны положительный заряд, а с противоположной стороны отрицательный заряд. Следовательно на соответствующих кубиках должны соответственно формироваться с обоих сторон либо положительные заряды, либо отрицательные заряды. И чем больше будет переоринтировано кубиков, тем больше будет величина заряда и тем больше будет сформирована из них сила тока. Одиночная пластина генератора Вимшурста сформирует на лейденской банке локальный объём ориентированных кубиков. Следуюшая пластина сформирует уже свой локальный объём ориентированных кубиков, который никак не связан с предыдущим локальным объёмом. И чем больше таких локальных объёмов будет сформировано на лейденской банке, тем под большим напряжением она будет находиться. Таким образом, сила тока это внутреннее свойство лейденской банки, а величина напряжения, создаваемого зарядом банки это её внешнее свойство, т.е. сила с которой этот заряд действует на заряды вне банки. И хотя эта сила называется электрическим полем, в действительности это магнитное поле.

Если в гидродинамике течение это реальное движение материи, то в электродинамике в электрическом токе отсутствует реальное движение материи. Ситуация почти полностью подобна распространению волн по воде. Частички воды двигаются по окружностям, что и создаёт картину распространения волны. Идентичная картина наблюдается и при движении тока. Также как и при распространении волн по воде, так и при движении тока это не реальное движение материи, а движение её состояния. В воде частички воды бегают по кругу, в электрическом токе по кругу бегают электроны по типу рис 2. Но та же вода устами Сировича с соавторами свидетельствует, что на поверхности твёрдого тела в пограничном слое формируются парные вихри Тейлора

двигающиеся перпендикулярно потоку в противоположные стороны. Т.к. вихри двигаются не по потоку, а перпендикулярно потоку, то трение скольжения разрушает их только для того, чтобы они возникали вновь и вновь.

В гидродинамике движущая поток сила имеет для него внутренний характер (скажем, созданное в трубе давление). В электродинамике же вынуждающая ток сила имеет внешний характер (электрическое напряжение находится не внутри проводника, а снаружи). Проводник с током имеет смысл сравнивать с течением среды в трубе. На поверхности трубы формируются вихри Тейлора рис 4. На внутренней поверхности проводника также формируются электрические вихри Тейлора, носящие название вихревых токов Фуко. Внутри трубы мы имеем течение Пуазейля.

Скорость потока в трубе увеличивается к её центру. В проводнике же внешняя сила находится снаружи проводника. Поэтому и сила тока уменьшается к центру проводника, как это показано на нижней части рисунка. При высоких же напряжениях ток концентрируется у поверхности, что получило название скин слоя. Естественно, что ненулевая завихрённость имеется не только в течении Пуазейля, но и в случае электрического тока.

Но ток в проводнике отличается от течения в трубе не только формой "течения Пуазейля". Любая жидкость или газ обладает симметрией, что и позволяет формировать при симметричном давлении при течении парные вихри Тейлора рис 4. Электродинамика же неустранимо асимметрична: заряды каждого знака формируют разные магнитные силы. Поэтому и в проводах из парамагнетика вихревые токи Фуко имеют одно направление вращения, а в проводах из диамагнетика они имеют другое направление вращения. И описывать их надо уже не рис 4

а вихрями с разным направлением вращения, точно так же как и гидродинамике, двигающимся перпендикулярно направлению тока. И точно так же они разрушаются только для того, чтобы возникать вновь и вновь.

Разрушение вихрей Фуко выливается в то, что кубики рис 3 принимают свою нормальную форму, переставая создавать заряды, что конечно же перестаёт формировать силу, т.е. магнитное поле исчезает. Таким образом, мы можем представить магнитное поле в форме своеобразного вихря Бенара,

хоботом которого является движение заряда (в форме вихревого тока Фуко), а периферией формируемая его движением магнитная сила. Естественно, что вращение хобота противоположно вращению периферии. И вокруг проводника формируется последовательность магнитных вихрей Бенара, привязанная к моментам возникновения и разрушения вихревых токов Фуко.

Но что же собой представляют вихревые токи, если сами электроны не бегают по проводнику и кристаллическая структура никуда не перемещается? Вновь рассмотрим кубики кристаллической структуры, на гранях которых расположены внешние анаполи.

Кубики структуры никуда не двигаются. Двигается состояние внешних анаполей на гранях кубиков (по типу изображенному на рисунке), формируя в итоге вихревой ток Фуко. И конечно же направление движения электронов во внешних анаполях будет разным для пара и для диомагнетиков.

Возникает естественный вопрос: что же представляет собой сверхпроводимость? Сверхпроводник не пускает в свои пределы магнитного поля, но и сам магнитного поля не создаёт. Мы уже выяснили, что электрический ток и магнитное поле это две стороны одной медали. Следовательно можно так организовать структуру тока, что оно не создаст магнитного поля.

А для этого вихрь Бенара надо полностью спрятать в проводнике. Иными словами вихревые токи Фуко в виде вихрей Тейлора надо заменить одиночным вихрем Бенара. Т.е. на всей длине проводника должен существовать только один электрический вихрь Бенара, в котором вращение в хоботе идёт в одном направлении, а на периферии в другом. А как мы знаем, в вихре Бенара центростремительная сила больше силы центробежной. Поэтому за пределами электрического вихря, находящегося внутри проводника, никаких сил не появится. Т.е. магнитного поля вне проводника не будет. И мы будем иметь дело с сверхпроводимостью. Отдельной проблемой является способ получения сверхпроводимости при комнатной температуре. Задача вполне решаема.