Что такое электрический ток в квантовой физике

Электрический заряд, электромагнитное поле, электрический ток, сопротивление согласно квантовой механике и теории поля

Квантовая механика и теория поля являются важными инструментами для объяснения основных понятий в электрических явлениях. Они позволяют углубленно понять электрический заряд, электромагнитное поле, электрический ток, сопротивление, проводимость и напряжение, а также их взаимодействие друг с другом и с другими физическими явлениями, такими как гравитационное поле, ядерная энергия и термическая энергия.

Изучение электротехники в учебной лаборатории

Что такое квантовая механика и теория поля

Квантовая механика и теория поля — это две основных теории в физике, которые помогают объяснить фундаментальные взаимодействия в природе.

Квантовая механика рассматривает свойства и поведение атомов, молекул и частиц на микроуровне, а теория поля описывает взаимодействие между частицами в пространстве и времени. Обе теории взаимосвязаны и важны для понимания физических явлений.

Квантовая механика представляет собой математическую модель, которая описывает поведение элементарных частиц на уровне квантовых состояний.

В этой теории частицы представляются волнами, и их движение описывается уравнением Шрёдингера.

Квантовая механика помогла объяснить такие явления, как квантование энергии, дисперсия света, туннельный эффект и другие.

Теория поля рассматривает взаимодействие частиц, расположенных в пространстве и времени. Она описывает электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия между частицами.

Теория поля была разработана для объяснения многих физических явлений, включая электромагнитные поля, гравитационные поля, элементарные частицы и другие.

Квантовая механика и теория поля имеют множество практических применений, включая разработку новых материалов и технологий, а также создание новых методов обработки и передачи информации. Кроме того, они помогают лучше понимать фундаментальные взаимодействия в природе и дальнейшее развитие науки и технологий.

Как квантовая механика и теория поля используется в электротехнике и электроэнергетике

Квантовая механика и теория поля имеют широкое применение в электротехнике и электроэнергетике. Они используются для объяснения механизмов, лежащих в основе электрического тока и электромагнитного поля, а также для разработки новых технологий.

Одно из наиболее известных применений квантовой механики в электротехнике — это использование полупроводников для создания транзисторов и интегральных схем.

Квантовая механика объясняет, как электроны в полупроводниках могут перескакивать между различными уровнями энергии, что позволяет создавать устройства с определенными свойствами.

Теория поля используется для описания взаимодействия электромагнитного поля с другими полями и материалами. Это имеет применение в различных областях электроэнергетики, например, в создании магнитных систем для генерации электрической энергии или в разработке электронных устройств для управления системами электроснабжения.

Кроме того, квантовая механика и теория поля используются для разработки новых материалов, которые могут иметь уникальные свойства, такие как высокая проводимость или низкая потеря энергии. Это может привести к созданию более эффективных и экономичных систем электроснабжения.

Таким образом, квантовая механика и теория поля играют важную роль в современной электротехнике и электроэнергетике, обеспечивая понимание физических процессов, лежащих в основе электрического тока и электромагнитного поля, и предоставляя инструменты для создания новых технологий и материалов.

Квантовая механика

Что такое электрический заряд

В соответствии с современной физикой, электрический заряд — это фундаментальная характеристика элементарных частиц, таких как электрон и протон, которые составляют атомы и молекулы. Эти частицы имеют электрический заряд, который может быть положительным или отрицательным, и они взаимодействуют друг с другом через электромагнитные силы.

Заряд определяется как свойство частицы, связанное с ее взаимодействием с электромагнитным полем. Заряды могут быть измерены в кулонах (единица измерения заряда) и проявляются в виде электростатических сил взаимодействия между заряженными частицами.

Знание о свойствах заряда используется в широком спектре технологий, включая электрическую энергию и электронику. Он является основой для создания электрических цепей и устройств, таких как батареи, конденсаторы, транзисторы и микросхемы.

Кроме того, электрические заряды являются ключевыми элементами в области электростатических приложений, таких как электрофотография, электростатическая очистка и электростатическая печать.

Что такое электромагнитное поле

Согласно современной физике, электромагнитное поле является фундаментальным понятием, описывающим взаимодействие электрически заряженных частиц и магнитных полей. Оно состоит из электрического поля и магнитного поля, которые взаимодействуют между собой и передают энергию и импульс.

Электрическое поле возникает вокруг электрического заряда и описывает взаимодействие этого заряда с другими зарядами. Электрическое поле характеризуется направлением, силой и потенциалом. Например, заряды одинакового знака отталкиваются друг от друга, а заряды разного знака притягиваются.

Магнитное поле возникает вокруг движущегося заряда или магнита и описывает взаимодействие магнитного поля с другими магнитами или движущимися зарядами. Магнитное поле характеризуется направлением, интенсивностью и магнитным моментом. Например, магнитный момент взаимодействует с другим магнитным полем и вызывает движение магнита.

Оба поля взаимосвязаны и образуют электромагнитное поле, которое можно описать с помощью уравнений Максвелла. Эти уравнения объединяют электрическое и магнитное поля и описывают, как они взаимодействуют между собой и с зарядами и токами.

Современная физика использует электромагнитное поле для объяснения многих физических явлений, таких как электрические и магнитные силы, электромагнитные волны, электромагнитная индукция, электрические и магнитные свойства материалов, и многие другие.

На практике электромагнитное поле используется в широком спектре технологий, включая электрические двигатели, генераторы, электромагнитные датчики и устройства, связанные с передачей данных и связью.

Как электромагнитное поле взаимодействует с другими видами энергии и поля, такими как гравитационное поле, ядерная энергия и термическая энергия

Электромагнитное поле взаимодействует с другими полями и видами энергии в различных ситуациях. Например:

Гравитационное поле: электромагнитное поле не взаимодействует с гравитационным полем напрямую, за исключением тех случаев, когда движущийся заряд создает электромагнитные волны или излучение, которые могут быть изогнуты гравитационным полем, что приводит к эффекту гравитационного линзирования.
Ядерная энергия: электромагнитное поле может взаимодействовать с ядерной энергией через процессы, такие как радиоактивный распад, где нуклоны в ядре испускают частицы или излучение. Эти процессы могут создавать электромагнитные волны, например, радиоактивное излучение, которое можно обнаружить с помощью детекторов излучения.
Термическая энергия: электромагнитное поле может влиять на термическую энергию, например, путем излучения тепла или света. Термическая энергия также может влиять на электромагнитное поле, например, путем изменения скорости зарядов в проводнике, что приводит к изменению электромагнитной волны.

Общим наблюдением является то, что различные виды энергии и поля взаимодействуют друг с другом через фундаментальные силы, такие как электромагнитная сила, гравитационная сила и ядерные силы. Эти силы определяют, как энергия и поля взаимодействуют друг с другом в различных ситуациях, что позволяет ученым объяснить и предсказывать поведение энергии и полей во вселенной.

Машинный зал гидроэлектростанции

Что такое электрический ток с использованием самых современных теорий физики

Электрический ток — это поток заряженных частиц, например, электронов, ионов или дырок, движущихся в проводнике или полупроводнике.

В классической физике, ток можно объяснить как поток зарядов в проводнике, вызванный разностью потенциалов между его концами. Однако, более современные теории физики, такие как квантовая механика и теория поля, объясняют механизмы, лежащие в основе электрического тока, с помощью понятий электронов, атомов, фотонов и квантовых полей.

Согласно квантовой механике, электроны, которые являются заряженными частицами, могут проходить через материал с помощью квантовых явлений.

Электроны в проводнике описываются волновыми функциями, которые связаны с определенными энергетическими уровнями. Когда электрическое поле приложено к проводнику, оно взаимодействует с этими электронами, вынуждая их переходить на более высокие энергетические уровни.

Это приводит к накоплению заряда на одном конце проводника и его дефициту на другом конце, что вызывает электрическое поле, направленное от заряда с высокой концентрацией к заряду с низкой концентрацией. Это электрическое поле действует на электроны в проводнике и вынуждает их двигаться в направлении заряда с низкой концентрацией, создавая тем самым электрический ток.

Теория поля также объясняет механизмы, лежащие в основе электрического тока. Согласно этой теории, электрические заряды создают электрическое поле, которое взаимодействует с другими зарядами.

Это взаимодействие вызывает движение зарядов и поток заряженных частиц, что мы и называем электрическим током.

Кроме того, в современной физике, квантовые эффекты и квантовые свойства материи также могут влиять на электрический ток.

Например, эффект туннелирования — это квантовый эффект, который проявляется в прохождении частиц через барьеры энергии, которые они классически не могут преодолеть.

В полупроводниках туннелирование может приводить к эффектам, связанным с генерацией и рекомбинацией носителей заряда, а также к изменению электрических свойств материала.

Квантовые свойства материи также могут быть использованы в электронике для создания квантовых устройств, таких как квантовые компьютеры и квантовые точки.

Например, эффект кулоновского блокирования — это квантовый эффект, который проявляется в узких проводниках, когда электроны могут двигаться только по одному и оказывают влияние друг на друга, приводя к эффектам, которые можно использовать для создания квантовых устройств.

Кроме того, квантовые эффекты могут играть роль в эффектах сверхпроводимости и сверхпроводящих квантовых интерферометрах, где электроны могут проходить через материал без потерь энергии, что может быть использовано для создания ультрачувствительных датчиков и квантовых магнитометров.

Другой пример — это квантовая дисперсия, которая проявляется в проводниках с низкой концентрацией электронов, где квантовые флуктуации электронной плотности могут привести к колебаниям электрической проводимости.

Еще один квантовый эффект, который может влиять на электрический ток, — это явление квантового туннелирования зарядов. Это явление происходит, когда заряды могут проникать через барьер энергии, который обычно предотвращает движение зарядов.

Этот эффект может использоваться для создания квантовых туннельных диодов и других устройств, которые могут обеспечивать более эффективный электронный перенос.

Кроме того, квантовые эффекты также могут влиять на электрический ток в наноструктурах и квантовых точках. Например, в квантовых точках электроны могут замедляться из-за квантовой конфайнмента, что приводит к эффектам, связанным с изменением электрической проводимости и светоизлучением.

Таким образом, квантовые эффекты и квантовые свойства материи играют важную роль в электронике и могут влиять на электрический ток в различных материалах и устройствах.

Изучение квантовых эффектов и их применение в технологиях позволяет создавать новые устройства с улучшенными электронными свойствами и эффективностью работы.

Что такое сопротивление и проводимость в соответствии с самыми новыми теориями физики

Сопротивление и проводимость являются фундаментальными понятиями в теории электрических цепей и находят широкое применение в различных областях физики, включая физику твердого тела, электронику и квантовую механику.

В соответствии с квантовой теорией, сопротивление может быть объяснено как взаимодействие электрических зарядов с квантовыми флуктуациями в материи.

В свою очередь, проводимость определяется вероятностью прохождения электрического тока через материал. В квантовой механике, это описывается вероятностным распределением зарядов в материале и квантовыми состояниями, которые эти заряды могут занимать.

Кроме того, квантовые свойства материи, такие как туннелирование и интерференция, также могут влиять на проводимость материала.

Туннелирование позволяет электронам перескочить через запретные зоны в полупроводниках, что может повысить их проводимость. А интерференция может привести к усилению или ослаблению электрического тока в зависимости от того, как различные квантовые состояния взаимодействуют между собой.

Таким образом, понимание сопротивления и проводимости в современной физике связано с квантовыми свойствами материи и ее взаимодействием с электрическими зарядами.

Эти знания о сопротивлении и проводимости материалов на основе современных теорий физики могут быть применены в различных новых технологиях.

Например, использование материалов с высокой проводимостью в электронике и электрических устройствах может улучшить эффективность энергопотребления и уменьшить нагрузку на электросети.

Также, разработка материалов с уникальными свойствами проводимости может привести к созданию новых электронных устройств и технологий, таких как квантовые компьютеры.

Кроме того, современные технологии производства могут использовать знания о сопротивлении и проводимости для оптимизации процессов и уменьшения затрат на энергию.

Например, в производстве металлических изделий технология электростатического напыления использует электрический ток, чтобы нанести тонкий слой металла на поверхность предмета. Понимание сопротивления материалов позволяет точно регулировать этот процесс и получать качественный результат.

Электричество является одним из фундаментальных явлений природы, которое описывается с помощью квантовой механики и теории поля. Открытие электричества и его свойств привело к созданию множества технологий и устройств, которые существенно изменили жизнь человечества.

Современная физика позволяет более глубоко понимать механизмы, лежащие в основе электрического тока, и применять это знание в различных технологических областях.

Например, квантовые свойства материи используются в разработке новых материалов для электроники и энергетики, а электромагнитное поле используется в технологиях связи и электромагнитной совместимости.

Кроме того, квантовая механика и теория поля продолжают развиваться и открывать новые грани в понимании электричества и его свойств. Это позволяет надеяться на появление еще более эффективных и инновационных технологий в будущем.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое электрический ток в квантовой физике

Необходимость перехода к квантовой теории электрического тока

Самой мистической величиной в физике является электрический ток. Скорость движения направленных зарядов меньше, чем скорость черепахи, но электрический ток везде поспевает вовремя. Даже включив рубильник на расстоянии в тысячи километров от потребителя, мы мгновенно получим электрический ток на другом конце. В классической электродинамике ток имеет направление, но при этом описывается не векторной, а скалярной величиной.

Ещё более мистическим в классической электродинамике является переменный ток. Если судить по единственному, официально признанному физическому определению электрического тока, он вообще не может никуда дойти, поскольку средняя скорость его носителей равна нулю, т.е. вся энергосистема России не имеет права на существование, поскольку тока она (по существующим теоретическим представлениям) тока она передать не может. Это происходит потому, что до сих пор в электродинамике не перешли от классических представлений к квантовым, и не вывели квантового определения электрического тока. Это явная ошибка теории электродинамики.

Если быть логичными, то ошибки теории нужно исправлять не там, где хочется, а там, где они возникли, даже если ошибки возникли в самом начале. Чрезмерная почтительность к уже признанным теориям и возведение их в ранг абсолютно правильных сужает пространство для поиска истины. Очевидно, что нужно ещё раз провести анализ уже сделанных экспериментов по открытию электрического тока.

Результаты физических экспериментов, которые, как считается, открыли электрический ток, были с самого начала истолкованы односторонне. Эксперименты проводились исключительно с целью доказать, что ток в проводниках переносится свободными электронами. Других вариантов не рассматривалось. Механизм электрического тока представляется физикам достаточно примитивным – как поток электронного газа в границах проводника, примерно как поток воды в шланге. То, что механизм тока может быть более сложным, и то, что природа может быть более разнообразной, физиками даже не рассматривался.

«Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о природе электрического тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде (1863 — 1906) и разработанной впоследствии нидерландским физиком Х. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.

Первый из таких опытов — опыт К. Рикке (1901), в котором в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндра (Сu, Al, Cu) одинакового радиуса. Несмотря на то, что общий заряд, прошедший через эти цилиндры, достигал огромного значения ( Кл), никаких, даже микроскопических, следов переноса вещества не обнаружилось. Это явилось экспериментальным доказательством того, что ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897г. английским физиком Д. Томсоном (1856 — 1940) электроны.

Для доказательства этого предположения необходимо было определить знак и величину удельного заряда носителей (отношение заряда носителя к его массе). Идея подобных опытов заключалась в следующем: если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока; по направлению тока можно определить знак носителей тока, а, зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей.

Идея этих опытов (1913) и их качественное воплощение принадлежат российским физикам С.Л. Мандельштаму (1879 — 1944) и Н.Д. Папалекси (1880 — 1947). Эти опыты в 1916 году были усовершенствованы и проведены американским физиком Р. Толменом (1881 — 1948) и ранее шотландским физиком Б.Стюартом (1828 — 1887). Ими экспериментально доказано, что носители тока в металлах имеют отрицательный заряд, а их удельный заряд примерно одинаков для всех исследованных металлов. По значению удельного заряда носителей электрического тока и по определенному ранее Р. Милликеном элементарному электрическому заряду была определена их масса. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпадали. Таким образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой.

По теории Друде — Лоренца, электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, применяя выводы молекулярно — кинетической теории, можно найти среднюю скорость теплового движения электронов

которая для Т= К равна м/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока.

При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник, кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток. Средняя скорость упорядоченного движения электронов можно оценить согласно формуле для плотности тока.

Выбрав максимальную допустимую плотность тока, например для медных проводов , получим, что при концентрации носителей тока средняя скорость упорядоченного движения электронов равна м/с. Следовательно, , т.е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обусловливающих электрический ток, значительно меньше скорости их теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость можно заменять скоростью теплового движения ». [2]

По результатам опыта К. Рикке можно было сделать два предположения:

1. Первое — что ток переносится электронами.

2. Второе — что ток переносится стационарным электрическим полем проводника. В этом случае также не было бы следов переноса вещества.

Однако было сделано только одно предположение – то, что ток переносится электронами.

Второй эксперимент, давший начало современному представлению об электрическом токе, был поставлен физически не корректно. При резком торможении катушки с проводом электроны действительно смещаются, и возникает ток, возбуждаемый силами инерции, но этот эксперимент не доказал, что носителями электрического тока являются именно электроны, ведь в этом эксперименте магнитное поле проводника также возникало.

Если носителями тока являются электроны, то это означает, что при постоянном токе электроны от электростанции до потребителя дойдут лет через сто, а при переменном токе – никогда.

При выводе механизма электрического тока описании не был учтён важнейший фактор – скорость электрического тока. Именно скорость не позволяет электронам быть носителем электрического тока. Внешнее электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света, и только оно может быть переносчиком электрического тока. Это очевидно, и в некоторых исследованиях это признаётся.

«Мы бы еще хотели подчеркнуть, что явление магнетизма — это на самом деле чисто релятивистский эффект. В только что рассмотренном случае двух зарядов, движущихся параллельно друг к другу, можно было бы ожидать, что понадобится сделать релятивистские поправки к их движению порядка . Эти поправки должны отвечать магнитной силе.

Но как быть с силой взаимодействия двух проводников в нашем опыте (рис.1)? Ведь магнитная сила — вся действующая сила. Она не очень — то смахивает на «релятивистскую поправку». Кроме того, если оценивать скорости электронов в проводе, то их средняя скорость вдоль провода составляет около 0,01 см/сек.

Итак, равно примерно . Вполне пренебрежимая «поправка». Но нет! Хоть в этом случае магнитная сила и составляет от «нормальной» электрической силы, действующей между движущимися электронами, вспомните, что «нормальные» электрические силы исчезли в результате почти идеального баланса из — за того, что количества протонов и электронов в проводах одинаковы.

Этот баланс намного более точен, чем , и тот малый релятивистский член, который мы называем магнитной силой, — это единственный остающийся член, он становится преобладающим.

Почти полное уничтожение электрических эффектов и позволило физикам изучить релятивистские эффекты (т.е. магнетизм), и открыть правильные уравнения (с точностью до ), даже не зная, что в них происходит ». [1]

Это признание не только того, что физики не понимают природу физических процессов, ответственных за магнетизм, но и того, что их не интересует познание самих физических процессов.

Число (10.000.000.000.000.000.000.000.000) показывает несоответствие реальной и требуемой скорости электронов. Предполагать, что такое расхождение теории и эксперимента допустимо, могут только люди с очень большой фантазией.

Очевидно, что физического механизма электрического тока классическая электродинамика предложить не может, а квантовой теории электрического тока в ней нет.

Квантовый механизм электрического тока можно посмотреть на этом сайте в разделе единая теория электродинамики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фейнмановские лекции по физике. М., Изд. Мир, 1976.

2 . Трофимова Т. И. Курс Физики. «Высшая школа». М.,1997.

Что такое электрический ток в квантовой физике

Квантовая физическая модель

Решение любой задачи начинается с её постановки. Для начала процесса решения нужно хотя бы осознание того факта, что проблема существует. В электродинамике сейчас нет квантового описания электрического тока, нет квантового описания магнитного поля проводника с током, нет квантового описания силы Ампера.

В этой работе предложен квантовый механизм электрического тока. Скорость квантового электрического тока равна скорости света, как в эксперименте. В квантовой теории электрического тока устранены многие противоречия между теорией и экспериментом, характерные для классической теории электрического тока.

Квантовая теория электрического тока выводится из классической. Для перехода к квантовой теории электрического тока, необходимо вспомнить ещё раз, что нам известно об электрическом токе на участке цепи – потребителе тока.

1. Для существования электрического тока к проводнику необходимо подвести энергию извне в виде электрического поля.

2. Электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света и взаимодействует с уже находящимися в проводнике электронами материала проводника.

3. Это взаимодействие неизвестным сейчас образом образует магнитное поле проводника.

Классическая электродинамика предполагает, что в процессе электрического тока участвуют следующие физические величины:

1. Напряжение или разность потенциалов . Возникает в момент замыкания цепи. Характеристики этого вектора – направление вдоль проводника от плюса к минусу.

2. Электрический ток . Скалярная величина. Направления нет.

Возникает на участке цепи – потребителе тока после того, как на этот участок подаётся напряжение или разность потенциалов от внешнего источника. Существует за счёт энергии источника тока.

3. Магнитное поле . Направление – по правилу буравчика.

Расположение – вне проводника, в плоскости, перпендикулярной направлению разности потенциалов.

4. Радиус – вектор . В настоящее время безымянный, поскольку неизвестен тип взаимодействия, который он переносит.

Физический смысл радиус – вектора : промежуточный вектор между вектором электрического тока и вектором магнитного поля. Переносит силовое взаимодействие. Из известных физических полей для него подходит только гравитационное поле .

Этот вектор меняет знак при изменении направления энергии. При потреблении электрической энергии его направление — от вектора электрического тока к вектору магнитного поля. При генерации электрической энергии его направление — от вектора магнитной индукции к вектору электрического тока.

Один квант электрического тока

В квантовой физической модели электрического тока наименьшее количество электричества – один квант.

Из квантовой физики известно, что в твёрдом проводнике первого рода электронный газ сильно вырожден. Это означает: во – первых, что классическое представление об электрическом токе как о направленном движении электронного газа, не имеет физического носителя электрического тока. Во – вторых, это означает, что каждый электрон в каждый момент времени, принадлежит какому – то определённому атому, т.е. находится на определённой квантовой орбите.

Плюсовой конец проводника отличается от минусового конца меньшей концентрацией электронов. Если каждый электрон принадлежит какому – то атому, то меньшая концентрация электронов означает, на плюсовом конце проводника электроны находятся на более удалённых орбитах, чем на минусовом.

Рис. 1. Один квант электрического тока на участке цени – потребителе тока.

За направление тока в проводниках первого рода в электродинамике принимают направление плюсовых зарядов. Направление магнитного поля определяется по правилу буравчика. Величина одного кванта магнитного потока также известна:

Электроны, участвующие в процессе прохождения электрического тока по проводнику на участке цепи – потребителе тока, совершают квантовые переходы за счёт энергии источника тока по всей длине проводника. Переход электрона с одного квантового уровня на другой на участке цепи – потребителе тока сопровождается испусканием кванта энергии в виде гравитона. И наоборот, переход электрона с одного квантового уровня на другой на участке цепи – источника тока сопровождается поглощением кванта энергии в виде гравитона.

Электроны, не участвующие в процессе протекания электрического тока, не изменяют своего энергетического состояния.

В квантовой физической модели электрического тока предполагается, что при протекании электрического тока на участке цепи – потребителе тока, происходит последовательное преобразование трёх физических полей: разность электрических потенциалов , направленная вдоль проводника, последовательно, в два этапа, преобразуется в энергию гравитационного поля проводника с током , затем в энергию магнитного поля .

Рассмотрим прохождение одного кванта электрического тока по проводнику в два этапа.

Первый этап прохождения одного кванта электрического тока на участке цепи – потребителе тока: преобразование кванта электрического поля проводника в квант гравитационного поля.

Рис. 2. Первый этап прохождения одного кванта электрического тока (участок цепи – потребителя тока) — преобразование кванта электрического поля в квант гравитационного поля.

К проводнику с током на участке цепи – потребителе тока, подводится внешняя энергия в виде разности потенциалов или напряжения (рис.1). Эта энергия расходуется на то, чтобы электрон проводимости перешёл с одной квантовой орбиты на другую. При этом энергия внешнего источника выделяется в виде кванта гравитационного поля (рис.2).

Предлагаемый физический механизм позволяет объяснить физическую природу силы Ампера с позиций близкодействия.

Второй этап прохождения одного кванта электрического тока на участке цепи — потребителе тока: преобразование одного кванта гравитационного поля в один квант магнитного потока.

Излученный квант гравитационной энергии (гравитон) на некотором расстоянии от проводника преобразуется в квант магнитной энергии. Направление кванта магнитного потока определяется правилом правого винта (буравчика).

Рис. 3. Второй этап прохождения одного кванта электрического тока (участок цепи – потребителя тока) — преобразование кванта гравитационного поля в квант магнитного поля.

Величина электрического тока в квантовой теории определяется количеством электронов, совершивших квантовый переход. Скорость движения электрического тока в квантовой модели равна скорости света, поскольку определяется скоростью движения электрического поля вдоль проводника.

На участке цепи – источнике тока происходит обратный процесс.

При входе энергии в проводник с током, кванты гравитационного поля поглощаются валентными электронами. Их энергия преобразуется в электрическое поле проводника и происходит выдача электрической энергии к потребителю тока.

То, что смена направления гравитационного излучения проводника на участке цепи — источнике тока и участке цепи — потребителе тока есть, подтверждает длительное существование эмпирических правил правой и левой руки, сменяющих друг друга, например, при переходе электродвигателя из режима потребления электрической энергии в генераторный режим. При этом происходит реверс электрического тока, и вместо потребления электрического тока (например, от аккумулятора) происходит зарядка аккумулятора.

Рис.4. Прохождение одного кванта электрического тока на участке цепи – источнике тока.

Направление тока в квантовой теории электрического тока определяется направлением передачи энергии по проводнику – от генератора к потребителю тока.

Квантовая теория электрического тока имеет чёткий критерий, позволяющий отделить хаотическое движение электронов от электрического тока — при хаотическом движении электронов не излучается гравитационная энергия и не образуется собственное магнитное поле проводника. В соответствии с этим критерием можно предложить квантовое физическое определение электрического тока.

Электрический ток – это квантовый процесс передачи электрической энергии от источника тока к потребителю тока, связанный с образованием собственного магнитного поля проводника.

Направление тока в соответствии с квантовой физической моделью электрического тока определяется направлением передачи энергии, т.е. от источника тока к потребителю тока. Направление движения электронов в этом процессе не имеет значения.

Величина электрического тока в квантовой теории определяется количеством электронов, совершивших квантовый переход . Скорость движения электрического тока в квантовой модели от величины тока не зависит, и равна скорости света, поскольку определяется скоростью движения электрического поля вдоль проводника.

Приведение закона Ампера к корректному физическому виду

Квантовый механизм электрического тока предполагает, что электрический ток является более сложным физическим явлением, чем сейчас описывается в электродинамике. В настоящее время в электродинамике физический смысл силы Ампера не известен, поэтому в формуле, определяющей эту силу, есть величины, не имеющие физического смысла.

«Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие. Следовательно, вращающий момент, испытываемый рамкой, есть результат действия сил на отдельн ые её э лементы. Обобщая результаты исследования действия магнитного поля на различные проводники с током, Ампер установил, что сила , с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, равна

где — вектор, по модулю равный и совпадающий по направлению с током, — вектор магнитной индукции.

Направление вектора можно найти по общим правилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в неё входил вектор , а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на ток». [3]

Формула (2), определяющая силу Ампера физически не корректна: В векторном произведении вектор не имеет физической природы.

Зная квантовый физический механизм электрического тока можно привести эту формулу к виду, в котором все величины будут иметь физический смысл. Для этого нужно заменить не физическую величину в векторном произведении формулы (2) на физическую векторную величину . Выведем её из закона Ома.

Заменяя в формуле (2), получим:

где — сила Ампера,

— вектор напряженности электрического поля. Этот вектор направлен вдоль проводника и является величиной, имеющей физический смысл.

— вектор магнитной индукции внешнего магнитного поля, в которое помещен проводник с током. Это также величина, имеющая физический смысл.

— электрическое сопротивление проводника.

Формула (5) выражает закон Ампера для участка цепи – потребителя тока, приведенный к корректному физическому виду в рамках классической электродинамики. Левая часть выражает изменение гравитационного поля проводника, правая – изменение электромагнитного поля. Формулу (10) можно также преобразовать для участка цепи – источника тока и полной цепи электрического тока.

Закон Ампера для участка цепи – источника тока выглядит следующим образом:

И для полной цепи электрического тока:

Знак (-) перед правой частью уравнения (6) означает изменение потока энергии при переходе проводника на участок цепи – источник тока.

Таким образом, даже в рамках классической электродинамики можно вывести формулы для определения силы Ампера для цепи – потребителя тока, цепи – источника тока и полной цепи. Однако вывод этой формулы не даёт физического представления об электрическом токе.

Для того , чтобы понять физическую природу возникновения силы Ампера, рассмотрим этот физический феномен с позиций квантовой теории электрического тока.

Гравитационная природа силы Ампера

Сила Ампера в квантовой теории электрического тока имеет гравитационную природу. Рассмотрим механизм её возникновения.

Выделение энергии проводником на участке цепи — потребителе тока связано с потреблением внешней энергии от источника тока.

При выходе из проводника, гравитон уносит с собой импульс движения

где — импульс выхода гравитона из проводника,

— скорость выхода гравитона из проводника.

При выходе нескольких электронов из проводника образуется реактивная сила , направленная противоположно направлению выхода гравитонов из проводника.

Процесс выхода гравитонов из проводника и его беспорядочное перемещение в результате реакции на выход гравитонов можно наблюдать в специально поставленном эксперименте, при токах порядка А. При больших токах без внешнего магнитного поля, происходит равномерное распределение выхода гравитонов во все стороны, и реакции проводника на выход гравитонов нет.

При прохождении по проводнику тока выделяется количество гравитонов .

Рис. 2. При отсутствии внешнего магнитного поля происходит равномерное распределение выхода гравитонов из проводника.

Гравитоны, обладая массой, отличной от нуля, при выходе из проводника приобретают импульс. Этот импульс, в соответствии с третьим законом Ньютона, противоположен импульсу, получаемому проводником. Общий импульс гравитонов равен:

где — суммарный импульс выхода всех гравитонов.

Совсем другая картина получается, если проводник с током находится во внешнем магнитном поле. Внешнее магнитное поле будет затруднять возникновение магнитного поля проводника с одной стороны проводника, и усиливать с другой стороны.

В результате этого процесса магнитное поле проводника деформируется (рис. 3). Поскольку каждому кванту магнитного поля соответствует квант гравитационного поля, происходит искажение гравитационного поля проводника. В результате этого процесса возникает сила Ампера .

Рис. 3. Внешнее магнитное поле искажает распределение выхода гравитонов из проводника и образует силу Ампера (участок цепи – потребителя тока).

Для описания влияния магнитного поля на выход гравитонов, нужно ввести коэффициент искажения гравитационного поля проводника с током . Равнодействующую силу импульсов выходящих гравитонов в этом случае можно описать формулой:

где — равнодействующая сила импульсов выходящих гравитонов.

— сумма импульсов всех гравитонов.

— искажение симметрии выхода гравитонов, связанное с воздействием на проводник внешнего магнитного поля.

В соответствии с третьим законом Ньютона равнодействующая сила выхода гравитонов уравновешивается силой Ампера

И окончательно силу Ампера в квантовой теории электрического тока можно определить по формуле:

Сила Ампера зависит как от количества выделившихся гравитонов (величины электрического тока), так и от асимметричности их выхода из проводника (от напряжённости внешнего магнитного поля).

Направление силы Ампера в квантовой физической модели электрического тока совпадает с эмпирическим правилом для определения силы Ампера на участке цепи — потребителе тока.

«Правило левой руки определяет направление силы, которая действует на находящийся в магнитном поле проводник с током. Если ладонь левой руки расположить так, чтобы вытянутые пальцы были направлены по току, а силовые линии магнитного поля входили в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник». [6]

Из квантового механизма возникновения силы Ампера видно, что на участке цепи – источнике тока сила Ампера меняет своё направление (рис. 4). Это отражено в эмпирическом правиле правой руки.

«Правило правой руки определяет направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле. Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый палец направить по движению проводника, то 4 вытянутых пальца укажут направление индукционного тока». [6]

Квантовая теория электрического тока позволяет достаточно просто объяснить одновременное существование правил левой руки и правой руки изменением направления потока энергии в полной цепи электрического тока.

В случае работы электрической машины в качестве генератора гравитоны поглощаются проводником с током. В случае работы электрической машины в качестве двигателя гравитоны излучаются.

Рис. 4. Внешнее магнитное поле искажает распределение входа гравитонов в проводник и образует силу Ампера (участок цепи – источника тока).

Квантовая теория электрического тока впервые позволила дать объяснение силы Ампера с позиций близкодействия. Квантовая теория электрического тока не противоречит классической электродинамике, а только её дополняет. Силу Ампера в классической электродинамике определяют формулы (5) и (7), в квантовой теории — формула (12).

Запись силы Ампера в квантовой теории может быть различна, но смысл силы Ампера как гравитационной силы отличает её от классической электродинамики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фейнмановские лекции по физике. М., Изд. Мир, 1976.

2. Королев Ф.А. Курс физики. Оптика, атомная и ядерная физика: Учеб . п особие для студентов физ.-мат. фак . пед . ин-тов . 2-е изд., перераб . М.: Просвещение, 1974.

3. Трофимова Т. И. Курс Физики. «Высшая школа». М.,1997.

4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М., Квантовая механика. Нерелятивистская теория, 3 изд., М., 1974.

5. Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Проектирование новых физических технологий. Вопросы оборонной техники. Научно — технический сборник. № 1-2. М :, Н.Т.Ц. « Информтехника » 1995.

6. Советский энциклопедический словарь. М., «Советская энциклопедия .» 1985.

7. Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Квантовая физическая модель электрического тока. Тула, 1997.

8. Дрюков В. М. О чём молчат физики. Тула 2004.

Квантово-волновая природа электрического тока в металлическом проводнике и ее некоторые электрофизические макропроявления Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Баранов Михаил Иванович

Представленные результаты теоретических и экспериментальных исследований волнового продольного и радиального распределений дрейфующих свободных электронов в круглом однородном металлическом проводнике с импульсным аксиальным током свидетельствуют о квантово-волновом характере протекания электрического тока проводимости в рассматриваемом проводнике, приводящем к возникновению в его внутренней структуре явления квантованной периодической макролокализации свободных электронов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

QUANTUM-WAVE NATURE OF ELECTRIC CURRENT IN A METALLIC CONDUCTOR AND SOME OF ITS ELECTROPHYSICAL MACRO-PHENOMENA

The paper presents results of theoretical and experimental research on wave longitudinal and radial distribution of drifting free electrons in a round homogeneous metallic conductor with a pulse axial current. The studies reveal quantum-wave character of electric conduction current flow in the conductor examined, which results in a phenomenon of quantized periodic macro-localization of free electrons in the conductor inner structure.

Текст научной работы на тему «Квантово-волновая природа электрического тока в металлическом проводнике и ее некоторые электрофизические макропроявления»

КВАНТОВО-ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ПРОВОДНИКЕ И ЕЕ НЕКОТОРЫЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МАКРОПРОЯВЛЕНИЯ

Представлені результати теоретичних і експериментальних досліджень хвилевого подовжнього і радіального розподілів вільних електронів, що дрейфують, в круглому однорідному металевому провіднику з імпульсним аксіальним струмом свідчать про квантово-хвилевий характер протікання електричного струму провідності в даному провіднику, що приводить до виникнення в його внутрішній структурі явища квантованої періодичної макролокалізації вільних електронів.

Как известно, согласно классическим научным положениям теории электричества ток проводимости в металлическом проводнике представляет собой направленное перемещение коллективизированных свободных электронов в его внутренней кристаллической микроструктуре [1]. Кроме того, в нерелятивистской физике известно и то, что свободные электроны как элементарные частицы образуются из валентных электронов квантовым образом энергетически возбужденных атомов твердого материала проводника [2]. В металлическом проводнике всегда существует огромное количество свободных электронов с массой покоя те=9,108-10~31 кг и объемной плотностью (концентрацией) пе, численно составляющей для основных проводниковых материалов величину, равную порядка 1029 м_3 [2, 3]. В случае, когда металлический проводник своими концами не включен в электрическую цепь с источником электропитания, то его свободные электроны перемещаются в трехмерном межатомном пространстве проводника хаотично. При приложении же к металлическому проводнику неизменяющейся или произвольно изменяющейся во времени t разности электрических потенциалов (электрического напряжения) данные элементарные носители электричества начинают в нем направленно дрейфовать (в одну сторону при приложенном постоянном и импульсном униполярном электрическом напряжении или в обе стороны при приложенном к нему переменном биполярном электрическом напряжении внешнего источника электропитания). Именно данный дрейф свободных электронов проводника и будет определять протекающий по нему электрический ток проводимости.

Не менее известным научным положением в области классической и квантовой физики является то, что электроны как элементарные частицы, имеющие соответственно корпускулярные свойства, обладают также и волновыми свойствами [2-4]. Этот факт как раз наглядно демонстрирует нам их дуалистичность (двойственность). Хорошо известно, что корпускулярно-волновой дуализм электронов удовлетворяет фундаментальному принципу дополнительности,

сформулированному в XX веке выдающимся датским физиком-теоретиком Нильсом Бором [2, 3]. Поэтому электрический ток проводимости в металлическом

проводнике представляет распространение электронных (дебройлевских) волн длиной Хе в межатомном пространстве его кристаллического материала [2-4]. Причем, для длины Хе электронной волны в металле проводника выполняется фундаментальное соотношение из области волновой механики выдающегося французского физика-теоретика Луи де Бройля [3]:

где И=6,626-10~34 Дж-с — постоянная Планка; уе — скорость дрейфа электрона в материале проводника.

Усредненная скорость уе дрейфа свободных электронов в металле проводника с током ц(1:) определяется из следующего классического соотношения [2]:

где 50 — плотность электрического тока в проводнике; е0=1,602-10~19 Кл — электрический заряд электрона.

Что касается скорости ует хаотичного (теплового) движения свободных электронов в металле проводника без тока, определяемой согласно квантовой статистике Ферми-Дирака энергией Ферми Ер, то она для меди принимает численное значение около 1,6-106 м/с [5]. Подставив это значение скорости ует в (1), находим, что ей будет соответствовать длина Хе электронной волны в медном токопроводе, равная примерно 0,5-10~9 м. Видно, что в этом случае величина Хе будет несоизмеримо малой по сравнению с геометрическими макроразмерами реальных проводников, участвующих в передаче электрической энергии. В этой связи для свободных электронов, перемещающихся в межатомном пространстве твердого макропроводника с указанной тепловой скоростью ует, их волновые свойства не будут играть существенной роли и соответственно оказывать заметного влияния на протекающие в нем электрофизические процессы.

Из (1) и (2) при 50=106 А/м2 для медного проводника (пе=16,86-1028 м_3; уе=0,37-10~4 м/с [6]) находим, что величина длины Хе электронной волны в нем будет составлять уже значение, равное около 19,6 м. При больших значениях 50, характерных для сильноточных электрических цепей высоковольтной техники (при плотностях тока 109 А/м2 и более) [6, 7], длина Хе дебройлевской волны в основных металлах токонесущих частей изолированных проводов и кабелей

(меди и алюминии, для которых уе>37-10~3 м/с) будет принимать значение около 19,6 мм и менее. Это обстоятельство является определяющим для электрофизиков при экспериментальном изучении в весьма ограниченных условиях высоковольтной научной лаборатории волновых процессов, сопровождающих формирование и распространение тока проводимости /0(/) в металлических проводниках, реальная длина которых при этом может не превышать 1 м. Приведенные выше оценочные данные свидетельствуют о том, что из-за относительно малых значений скоростей дрейфа уе свободных электронов (значительно меньше 1 м/с) в основных проводниковых материалах токопроводов длины Хе электронных волн в них становятся соизмеримыми с их габаритными макроразмерами (длиной, шириной, высотой или диаметром). Поэтому для прикладного электротехнического случая, связанного с протеканием электрического тока различного вида (постоянного, переменного или импульсного) по металлическим проводникам, волновые свойства дрейфующих по ним свободных электронов начинают играть существенную роль в процессах пространственного распределения в них этих носителей электричества и соответственно джоулева тепловыделения.

Из области математической физики (например, для краевых задач о механических колебаниях струны или мембраны [8]) известно, что аналитическое решение дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих большинство физических процессов, обычно представляется собственными функциями, имеющими собственные значения и соответственно собственные числа (например, целые числа п=1,2,3. ) [9]. Укажем, что в квантовой физике, занимающейся теоретическим изучением поведения различных микрообъектов (например, электронов, протонов, нейтронов и др.) в тех или иных физических полях, описываемого волновыми дифференциальными уравнениями в частных производных, собственные числа п получили название квантовых чисел [3, 4].

С учетом вышеизложенного и известных фундаментальных научных положений современной физики для реальных физических микрообъектов и элементарных микрочастиц [1-4] становится ясным, что в металлических проводниках с электрическим током проводимости /0(/) при определенных условиях и амплитудно-временных параметрах (АВП) указанного тока могут проявляться как волновые, так и квантовые свойства дрейфующих в их проводящем материале свободных электронов. Исследование этих условий и АВП электрического тока проводимости и соответственно изучение его квантово-волновой природы и ее возможных как слабоизученных, так и новых макропроявлений является на сегодня в области теоретической электротехники и электрофизики и прикладной электродинамики актуальной научной задачей.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ КВАНТОВО-ВОЛНОВОЙ ПРИРОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ПРОВОДНИКЕ

Рассмотрим далее упрощенный случай, когда по тонкому прямолинейному круглому сплошному цилиндрическому проводнику радиусом г0 и длиной

/0>>Г0 протекает аксиальный импульсный ток 10(^ произвольных АВП с большой плотностью (рис. 1).

Рис. 1. Схематический вид исследуемого металлического проводника радиусом г0 и длиной 10 с аксиальным импульсным

током г’0(^ большой плотности 50(0, содержащего квантованные относительно «горячие» шириной Дгпг и «холодные» шириной продольные проводящие участки

Принимаем, что радиус г0 нашего проводника меньше толщины токового скин-слоя в его изотропном материале, а протекающий по нему ток 10(^ распределен по его поперечному сечению £0 с усредненной в нем плотностью 5о(0=/о^)/50|. Влиянием дрейфующих свободных электронов друг на друга и ионов кристаллической решетки материала проводника на эти коллективизированные электроны пренебрегаем. Используемое нами приближение соответствует известному приближению Хартри-Фока, положенному в основу классической зонной теории металлов [3, 4]. Отметим, что данное одноэлектронное приближение, не учитывающее электронно-ионных взаимодействий во внутренней структуре проводника, неприемлемо для исследования случая идеальной электронной проводимости металлов (явления их сверхпроводимости), когда требуется рассмотрение корреляционного движения электронных пар и для которого характерна сверхтекучесть свободных электронов с присущим ей отсутствием рассеяния электронных волн де Бройля на тепловых колебаниях ионов (фононах) кристаллической решетки металлического проводника [2, 3]. Предположим, что пространственные распределения по координатам г и г свободных электронов в материале исследуемого проводника с импульсным током 1$) будут приближенно подчиняться соответствующим одномерным волновым уравнениям Шредингера [3]. Тогда для рассматриваемых носителей электричества физический смысл будут иметь только их вероятностные характеристики, а понятие местонахождения свободного электрона в металлическом проводнике с импульсным током 10(() нам приходиться заменить на понятие вероятности его обнаружения в том или ином элементе цилиндрического объема проводника. Требуется на основе квантовомеханического подхода в приближенном виде описать волновые продольные и радиальные распределения дрейфующих свободных электронов в исследуемом проводнике с импульсным аксиальным током /0(/), установить с их помощью основные признаки квантово-волновой природы этого тока проводимости и выполнить с использованием мощного высоковольтного генератора апериодических импульсных токов экспериментальную проверку предложенного автором квантовомеханического подхода и некоторых полученных с его помощью результатов приближенного расчета в нем продольного распределе-

ния электронных волн де Бройля и обусловленных их рассеянием на тепловых колебаниях ионов кристаллической решетки металлического проводника особенностей его температурного поля.

2. ПРИБЛИЖЕННОЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ ВОЛНОВОГО ПРОДОЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВОБОДНЫХ

ЭЛЕКТРОНОВ В ПРОВОДНИКЕ С ТОКОМ

Ранее в [6, 10, 11] автором на основе решения нерелятивистского одномерного временного волнового уравнения Шредингера, являющегося дифференциальным уравнением в частных производных и определяющего динамическое распространение в пространстве и времени t той или иной плоской волны вещества, было показано, что в металлическом проводнике с импульсным аксиальным током i0(t) квантованная волновая уяг-функция, описывающая в первом приближении продольно-временное распределение в его микроскопической структуре нерелятивистских дрейфующих свободных электронов, имеет вид:

Vnz(z0 = AZ ■ sin(knzz) ■ (cosrnenzt -i sinrnenzt), (3) где A0z=[2/(loS0)]1/2 — амплитуда n — моды собственной продольной волновой функции ynz(z,t) с квантованной круговой частотой raenz=nn2h/(4mel02); knz=nn/l0 — квантованное продольное волновое число; z — текущее значение продольной координаты в материале проводника; i=(-1)12 — мнимая единица; n=1,2,3. nm -целое квантовое число, равное номеру моды собственной волновой пси-функции ynz(z,t); nm — максимальное значение квантового числа n.

Из анализа стационарного волнового уравнения Шредингера и его граничных условий, использованных в [10, 11] при получении (3), следует, что в рассматриваемом нами проводнике дрейфующие свободные электроны распределяются вдоль его продольной оси OZ так, что на длине l0 проводника всегда умещается целое квантовое число n волновых пси-функций ynz(z,t) для данных электронов или электронных полуволн де Бройля, удовлетворяющих соотношению [12]: nkeJ2=kh (4)

где Xenz=h/(mevenz) — квантованная длина продольной волны свободного электрона, равная длине стоячей волны де Бройля [3]; venz=ttienz%enz/%=nh/(2mel0) — квантованная продольная скорость дрейфующего свободного электрона [10].

Исходя из (4), нам можно сформулировать следующее правило квантования I продольных волновых функций ynz(z,t) или электронных (дебройлевских) волн в исследуемом проводнике с током i0(t) произвольных АВП: на длине l0 металлического проводника с электрическим током i0(t) различных видов и АВП должно укладываться целое квантовое число n плоских электронных полуволн де Бройля длиной \nJ2.

Согласно [13] для определения в (1) значения квантового числа nm при выборе волновых функций ynz(z,t), квадрат модуля которых определяет плотность вероятности нахождения свободных электронов в том или ином месте межатомного пространства проводника [3], можно использовать следующую формулу:

где nk — главное квантовое число, равное числу электронных оболочек в каждом идентичном атоме ме-

талла рассматриваемого проводника и соответственно номеру периода в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева, которому этот металл исследуемого проводника принадлежит [2].

В пользу приближенного выбора по (5) максимального значения квантового числа п может свидетельствовать [2, 3]: во-первых, наличие у твердого вещества (металла) проводника широкой области поглощения внешнего электромагнитного излучения, потенциально приводящей к определенным различиям в электронно-энергетических конфигурациях отдельных атомов материала проводника; во-вторых, выполнение для электронных конфигураций атомов материала проводника фундаментального принципа Паули (каждое энергетическое состояние в атоме вещества может быть занято только одним электроном [3, 4]), согласно которому квантовое число пт может указывать на наибольшее число энергетических состояний валентных электронов указанных атомов.

Суперпозиция квантованных (дискретных) мод волновых функций упг(г,() для каждого из значений квантового числа п=1,2,3. и каждого дрейфующего свободного электрона в материале исследуемого проводника с импульсным током /0(/) аналогично широко известному в физике (волновой оптике) явлению интерференции (наложения) когерентных волн (волн, согласованно изменяющихся во времени) [2, 3] приводит к формированию во внутренней проводящей структуре проводника квантованных волновых электронных пакетов (ВЭП) [3, 14]. Физическими аргументами в пользу наступления такого наложения волновых функций упг(г,0 в проводящем материале проводника является: во-первых, когерентность продольных (но по своей физической сути поперечных и линейно поляризованных) электронных волн в проводнике для рассматриваемых носителей электричества; во-вторых, выполнение согласно (4) необходимых основных условий максимального усиления и ослабления когерентных продольных электронных волн при их наложении [3]. Так как квантованные длины Хепг электронных волн во внутренней структуре проводника с током /0(/) характеризуются макроскопическими величинами (см. раздел Введение), то и геометрические размеры ВЭП будут также носить макроскопический характер. Порядок размытости границ квантованных ВЭП вдоль проводника (порядок интерференции [3] квантованных продольных электронных волн проводника) будет определяться степенью монохроматичности квантованных электронных волн де Бройля и соответственно квантованных волновых функций упг(г,/). Для наблюдения в металлических проводниках с электрическим током /0(/) интерференции квантованных продольных электронных волн большого порядка или ВЭП с четкими границами эти волны должны быть практически монохроматичными. В зонах ВЭП будет происходить резкое возрастание (усиление) рассматриваемых волновых функций упг(г,0, а вне их ширины — уменьшение (ослабление) соответствующих выражению (3) продольных пси-функций упг(г,/) [14]. В связи с тем, что квадрат модуля квантованных волновых функций (например, пси-функций упг(г,0 согласно (3) до их интерференции) соответствует плотности вероятности (например, вида рм,е=[2/(/05’0)^т2(лпг//0) до интерференции указанных

волновых функций) пребывания в том или ином месте проводника дрейфующих свободных электронов, то в зонах квантованных ВЭП («горячих» продольных участков) проводника с током i0(t) будет наблюдаться увеличение плотности пег дрейфующих свободных электронов по сравнению с их первоначальной плотностью пе0 (до протекания по проводнику электрического тока), а вне зон квантованных ВЭП (для «холодных» продольных участков проводника) — уменьшение плотности пех дрейфующих свободных электронов. В [6, 15] автором было показано, что при п=п„1 для металлического проводника с током выполняется приближенное соотношение пег/пех^4/(п-2)~3,5. Именно указанное продольное изменение плотности пе дрейфующих свободных электронов в проводящем материале проводника и приводит к пространственному перераспределению выделяемой в нем удельной тепловой энергии. В зонах квантованных ВЭП (в области «горячих» продольных участков) с повышенной плотностью пег дрейфующих свободных электронов плотность тепловой энергии будет увеличиваться, а вне зон квантованных ВЭП (в области «холодных» продольных участков) с пониженной плотностью пех дрейфующих свободных электронов плотность тепловой энергии будет уменьшаться [15, 16]. Эта впервые теоретически установленная автором для металлического проводника с электрическим током i0(t) особенность тепловыделения находится в полном согласии с известным классическим положением о том, что при наложении когерентных плоских электромагнитных волн в местах их интерференционных максимумов плотность электромагнитной энергии увеличивается, а в местах их интерференционных минимумов плотность электромагнитной энергии уменьшается [2-4].

Далее необходимо указать, что отмеченное выше изменение плотности пе дрейфующих свободных электронов вдоль продольной оси OZ исследуемого проводника с током ^(() согласно полученным квантованным волновым функциям у„г(г,/) по (3) и правилу их квантования (4) будет носить периодический характер, соответствующий порядку чередования образующихся вдоль проводника его относительно «горячих» и «холодных» продольных участков. При этом «горячие» продольные участки шириной Аг,, будут размещаться в зонах образования ВЭП проводника, а «холодные» внутренние продольные участки шириной Аг„хв — между зонами ВЭП (см. рис. 1) [6]. На концах проводника (в местах их подключения к силовой электрической цепи с переменным (постоянным) током ^(() или высоковольтному генератору биполярного (униполярного) импульсного тока большой плотности 50) между крайними ВЭП и обоими концами проводника будут размещаться «холодные» крайние продольные участки шириной Аг„хк [6]. Продольные координаты середин зон крайних ВЭП или середин ширин Аг„г «горячих» крайних продольных участков проводника могут быть рассчитаны по формуле [17]: г„к = 10 /(2п). (6)

Что касается квантованных продольных координат середин «горячих» внутренних продольных участков, то расстояния между ними и серединами «горячих» крайних продольных участков с координатами по (6) определяются из следующего выражения [17]:

Из (6) и (7) следует, что центры ВЭП и «горячих» продольных участков исследуемого проводника четко соответствуют амплитудам квантованных волновых функций у„г(г,/) или квантованных электронных полуволн де Бройля длиной Хе„/2, определяемой по (4). При этом для краевых зон рассматриваемого проводника с током будет выполняться соотношение [17]:

^епг /2= ^„г +2 ^пхк = 10 /п. (8)

Для внутренних зон проводника с током i0(t) будет справедливо квантованное соотношение вида [17]:

^епг /2= ^„г + ^пхв = 10/п. (9)

Для расчетного определения входящей в (8) и (9) ширины Агш «горячих» крайних и внутренних продольных участков используем фундаментальное в квантовой физике (волновой механике) соотношение неопределенностей Гейзенберга [3, 4]. Тогда для минимального значения ширины Агш получаем [6, 17]:

&„г = е0„е0^ (те^0ш ) 1 [8+(я-2)2] -1, (10)

где 50т — амплитуда усредненной плотности тока ^), протекающего в проводнике (в первом приближении §0т=10т/£0); 10т — амплитуда тока ^(/) проводника.

С учетом (8) и (10) для расчетного значения квантованной ширины Аг^, «холодных» крайних продольных участков проводника с током i0(t) имеем [6]: Аг„хк =0,5[ У„- е0„е0к (теъ0ш) 1 [8+(я-2)2] -1]. (11)

Из (9) и (10) для квантованной ширины «холодных» внутренних продольных участков рассматриваемого проводника с током i0(t) получаем [17]:

^пхв = 10/п е0пе0^ (те^0т) [8+(ТС—2) ] . (12)

Из атомной физики известно, что значение первоначальной плотности пе0 свободных электронов в металле проводника, входящее в (10)-(12), равно концентрации его атомов Ы0, умноженной на его валентность, определяемую числом неспаренных электронов на внешних (валентных) электронных слоях атомов материала проводника (например, для меди, цинка и железа валентность равна двум [2, 3]). Расчетная величина концентрации N (м-3) атомов в металле проводника с массовой плотностью ё0 до протекания по нему импульсного тока ^(/) определяется формулой [3]:

Ж0 = Й?0(Ма -1,6606-10-27)-1, (13)

где Ма — атомная масса материала проводника, входящая в данные периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева и практически равная массовому числу ядра атома металла проводника (одна атомная единица массы равна 1,6606-10-27 кг [2, 3]).

3. ПРИБЛИЖЕННОЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ ВОЛНОВОГО РАДИАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВОБОДНЫХ

ЭЛЕКТРОНОВ В ПРОВОДНИКЕ С ТОКОМ

Для приближенного описания поведения вероятностным образом движущихся, в том числе и вдоль текущей радиальной координаты г к наружной поверхности металлического проводника с импульсным аксиальным током ^((), нерелятивистских дрейфующих свободных электронов воспользуемся ранее полученным автором аналитическим решением соответствующего одномерного временного волнового уравнения Шредингера, имеющим следующий вид [6, 18]: у „г (г, /) = ^0г ■ ып(к„гГ) ■ ехр(-г’Юе„гО , (14)

где Л0г=(к/0г0г)-1/2 — амплитуда собственной радиаль-

ной волновой функции у„г(г,/); к„г=пп/г0 — квантованное радиальное волновое число; юепг=ля2к/(4тег02) -квантованная круговая частота собственной радиальной волновой функции у„г(г,/); п=1,2,3. пт — целое квантовое число, равное номеру моды собственной радиальной волновой пси-функции у„г(г,/).

Согласно [18] при расчетной оценке квантованных радиальных скоростей уепг=юе„Депг/л дрейфующих электронов, где %епг=к/(теуепг) — квантованная длина радиальной волны (плоской волны де Бройля) для свободного электрона [3], можно воспользоваться соотношением:

Vепг = „к /(2т еП)). (15)

С учетом (14) и того, что кпг=2%/Хепг можно записать следующее квантовомеханическое соотношение для радиальных волновых пси-функций и электронных полуволн де Бройля в исследуемом проводнике:

Поэтому на основании (16) аналогично (4) правило квантования II радиальных волновых функций У„г(г,/) в исследуемом проводнике с импульсным аксиальным током i0(f) следует сформулировать в таком виде: на радиусе г0 металлического проводника с электрическим током /0(/) различных видов и АВП должно укладываться целое квантовое число п плоских электронных полуволн де Бройля длиной Хепг/2.

В связи с когерентностью плоских радиальных электронных (дебройлевских) полуволн длиной Хепг/2 они, как и продольные электронные полуволны де Бройля длиной Хе„/2 в кристаллической микроструктуре проводника, в результате суперпозиции или интерференции (взаимного наложения) будут образовывать вдоль внешнего радиуса г0 проводника ВЭП. Процесс образования вдоль радиуса г0 данных ВЭП («горячих» радиальных участков) будет носить периодический характер, радиальный шаг которого на длине Хепг/2 для центральных и наружных зон проводника аналогично (8) может быть представлен в таком виде:

Хепг /2= ^гпг +2 ^гпхк = г0 /п, (17)

где Аг„г, Агпхк — соответственно ширина относительно «горячих» и «холодных» крайних радиальных участков проводника с импульсным аксиальным током i0(t).

Для внутренних проводящих зон проводника рассматриваемый нами шаг периодизации образования вдоль радиуса г0 ВЭП может быть записан в виде:

Хепг /2= ^гпг + ^гпхв = г0 /п, (18)

где Агх — ширина «холодных» внутренних радиальных участков проводника с импульсным током i0(t).

Для расчетного определения в (17) и (18) величины Агпг воспользуемся соотношением неопределенностей Гейзенберга применительно к локализующимся на «горячих» радиальных участках (ВЭП) проводника дрейфующих свободных электронов в виде [3]: Ар„г > к /(4л), (19)

где Арпг=теуепг=„к/(2г0) — квантованная радиальная проекция импульса дрейфующих в кристаллической микроструктуре проводника свободных электронов.

Тогда на основании (19) для квантованной минимальной ширины Агпг «горячих» радиальных участков или ширины квантованных радиальных ВЭП металлического проводника с импульсным аксиальным током i0(t) в принятом электрофизическом приближе-

нии получаем следующее расчетное выражение:

Arnz = r0 /(2лп) . (20)

Из (20) видно, что ширина Arns «горячих» радиальных участков или ширина радиальных ВЭП проводника оказывается как минимум (при n=1) в 2п раз меньше его внешнего радиуса r0. Кстати, такая же математическая зависимость характерна и для квантованной ширины Azns «горячих» продольных участков по отношению к длине l0 проводника с током i0(t).

Используя (17) и (20), для квантованной наибольшей ширины Агтк «холодных» крайних радиальных участков исследуемого проводника находим:

ЬГгжк = (2я — 1)Г0 /(4лп) . (21)

Из (18) и (20) для квантованной наибольшей ширины Arms «холодных» внутренних радиальных участков исследуемого проводника с током i0(t) получаем: Arnx6 = (2^ — 1)п /(2го?). (22)

Из соотношений (20)-(22) следует, что «холодные» внутренние радиальные участки металлического проводника с электрическим током по ширине ровно в два раза превышают «холодные» крайние радиальные участки и в (2л-1)~5,3 раз больше (шире) его «горячих» радиальных участков. По аналогии с (6) радиальные координаты середин ширин Агш «горячих» крайних радиальных участков проводника равны:

Расстояние между серединами ширин «горячих» внутренних и крайних радиальных участков проводника будет определяться квантовым соотношением:

Для «горячих» и «холодных» радиальных участков исследуемого металлического проводника, как и для соответствующих им по названию и рассмотренных чуть выше его продольных участков, будет также выполняться следующая характерная электрофизическая особенность: плотность как дрейфующих свободных электронов, так и плотность тепловой энергии на «горячих» радиальных участках или радиальных ВЭП металлического проводника будет заметно выше, чем на его «холодных» радиальных участках.

Приведенные выше выражения (20)-(24) с учетом заметно отличающихся температур относительно «горячих» и «холодных» радиальных участков однозначно указывают на возможность радиального расслоения проводящих плазменных продуктов, образующихся от круглого цилиндрического металлического проводника при явлении его электрического взрыва (ЭВ). Следует заметить, что эффект радиального расслоения «металлической» плазмы как раз реально и наблюдается при ЭВ даже тонких металлических проволочек [19]. Кроме того, полученные согласно выражениям (4)-(12) и (16)-(24) приближенные расчетные данные могут говорить о том, что возникающие при ЭВ круглых металлических проволочек радиальные фракции указанной плазмы будут примерно в l0/r0 раз меньше ее продольных фракций.

4. ЯВЛЕНИЕ КВАНТОВАННОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ МАКРОЛОКАЛИЗАЦИИ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ПРОВОДНИКЕ С ТОКОМ Расчетная оценка по (10) ширины Azns «горячих» крайних и внутренних продольных участков металли-

ческого проводника с импульсным током /0(0 показывает, что для медного провода (пе0=16,86-1028 м3 [6]) при плотности тока 50т=2 А/мм2, характерной для электрических сетей переменного тока частотой 50 Гц [20], величина принимает значение, равное около

1,06 м. При 50т=200 А/мм2, характерной для сильноточной высоковольтной импульсной техники [5, 7], рассматриваемая ширина становится равной уже примерно 10,6 мм. Из этих приведенных нами количественных данных становится понятным, что экспериментально выявить проявление волновых свойств дрейфующих свободных электронов в металлических проводниках можно путем явного обнаружения в них мест формирования макроскопических ВЭП и соответственно «горячих» крайних и внутренних продольных участков, а также проявляющихся на их фоне «холодных» крайних и внутренних продольных участков. Понятным становится и то, что для подобного обнаружения в лабораторных условиях квантованных величин Аіпг, Аіпхк и Аіпхв соответственно для «горячих» и «холодных» продольных участков проводника необходимо использовать мощное высоковольтное электрооборудование, способное генерировать в электрической цепи с исследуемым металлическим проводником сравнительно большие импульсные токи. Причем, такие токи, протекание которых через металлический проводник вызывало бы интенсивный нагрев его материала и особенно проводящей кристаллической структуры в зоне его квантованных ВЭП.

Приведенные выше в разделах 2 и 3 теоретические результаты указывают на процессы периодической макролокализации дрейфующих свободных электронов в зонах продольных и радиальных ВЭП исследуемого проводника с импульсным аксиальным током і0(/). Характерным для данной электронной макролокализации является то, что она носит квантованный характер, математически определяемый согласно выражениям (3) и (14) значением квантового числа п, а физически — энергетическим состоянием свободных электронов, оказавшихся в микроструктуре материала проводника в момент подачи на него электрического напряжения и начала протекания по нему электрического тока того или иного вида. Поэтому значение квантового числа п для продольных упг(г,/) и радиальных \упг(г,ґ) волновых функций, а также для плоских продольных и радиальных полуволн де Бройля длиной Хгпг/2 и Хгпг/2 в микроструктуре металлического провода с импульсным током і0(/) будет носить вероятностный (стохастический) характер. Очевидным для автора является то, что практически численное значение квантового числа п будет всегда равно числу макроскопических «горячих» продольных участков (ВЭП) шириной Аіпг, периодически образующихся вдоль рассматриваемого металлического проводника длиной 10 с аксиальным током і0(ґ).

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЛНОВОГО ПРОДОЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ И ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ПРОВОДНИКЕ С ИМПУЛЬСНЫМ ТОКОМ

Для осуществления опытной проверки представленных в разделах 2 и 3 расчетных результатов кван-

тованных волновых распределений дрейфующих свободных электронов в цилиндрическом проводнике с импульсным аксиальным током і0(ґ) наиболее простым, надежным и соответственно целесообразным путем может служить экспериментальное исследование в нем продольного волнового распределения данных электронов. В проводимых экспериментах используем жестко закрепленный в разрядной цепи высоковольтного генератора импульсных токов ГИТ-5С [22] круглый оцинкованный (с толщиной защитного покрытия А0=5 мкм) стальной провод [23], имеющий следующие геометрические характеристики (рис. 2): г0=0,8 мм; /0=320 мм; 50>=2,01 мм2. Разряд предварительно заряженной до постоянного зарядного напряжения и3Г=-3,7 кВ емкости С/=45,36 мФ (при запасаемой электрической энергии ^/=310 кДж) конденсаторной батареи генератора ГИТ-5С обеспечивал протекание через исследуемый стальной провод апериодического импульса тока і0(/), характеризуемого следующими АВП: амплитудой /0т=-745 А; временной формой /т/тр=9 мс/576 мс, где ґт — время, соответствующее токовой амплитуде 10т, а тр — полная длительность импульса тока; модулем усредненной плотности импульсного тока, равным |50т|=0,37 кА/мм2 [6].

Рис. 2. Общий вид круглого прямолинейного оцинкованного стального провода (г0=0,8 мм; /0=320 мм; Д0=5 мкм; 50=2,01 мм2), размещенного в воздухе над теплозащитным асбестовым полотном, до протекания по нему в разрядной цепи высоковольтного генератора ГИТ-5С апериодического импульса аксиального тока г’0(/) большой плотности [6, 17]

На рис. 3 приведены результаты одного из воздействий указанного апериодического импульса аксиального тока временной формы 9 мс/576 мс на используемый в экспериментах металлический провод.

Рис. 3. Внешний вид теплового состояния оцинкованного стального провода (г0=0,8 мм; /0=320 мм; А0=5 мкм; 5о=2,01 мм2) с одним «горячим» (зоной ВЭП шириной Аіпг=7 мм посередине провода) и одним «холодным» крайним левым (шириной Аітк=156,5 мм; второй «холодный» крайний правый участок подвергся частичной сублимации) продольными участками после протекания по нему апериодического импульса тока і0(ґ) временной формы 9 мс/576 мс большой плотности (/0т=-745 А; |50т|=0,37 кА/мм2; п=1) [6, 17]

Из данных рис. 3 следует, что на длине /0=320 мм интенсивно нагреваемого униполярным импульсным током (|50т|=0,37 кА/мм2) оцинкованного стального провода (для его стального основания согласно (13)

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

„ео=2Ао=16,82-1028 м~3 [3]) в исследуемом случае имеется один «горячий» продольный участок (одна ярко светящаяся вспученная сферообразная зона ВЭП посередине провода, однозначно указывающая на то, что п=1) шириной Дг„г=7 мм (при его расчетной ширине по (10) в 5,7 мм) и два крайних «холодных» продольных участка (цилиндрические перешейки по обоим краям провода, один из которых подвергся частичной сублимации) шириной Дгнхк=156,5 мм (при их расчетной ширине по (11) в 157,1 мм). Металлографические исследования остывшей посередине провода сферообразной зоны ВЭП показали, что она содержит затвердевшие фракции вскипевшего (вспученного) цинкового покрытия (при температуре кипения для цинка в 907 °С [3]) и расплавленного стального основания провода (при температуре его плавления примерно в 1535 °С [3]). О данном высоком уровне температуры в сферообразной зоне ВЭП (на единственном «горячем» продольном участке провода) свидетельствует ее белый цвет каления (не менее 1200 °С [3]) и обнаруженные под ней прожоги теплозащитного покрытия из хризотил-асбеста толщиной 3 мм с температурой его плавления примерно 1500 °С [3, 6]. На основании полученных в этом случае (п=1) опытных данных и выполненных для него расчетных квантовофизических оценок можно заключить, что в кристаллической микроструктуре оцинкованного стального провода происходит суперпозиция квантованных продольных волновых функций ^ш(2,(), моды которых характеризуются одним квантовым числом п=1. В результате существования в проводе таких мод пси-функций на его длине /0=320 мм умещается лишь одна электронная полуволна де Бройля, для которой выполняется равенство Хе„г/2=320 мм и в зоне ее амплитуды (при продольной координате по (6) г„к=160 мм) формируется только один ВЭП или один «горячий» продольный участок шириной около Дг„г=7 мм.

На рис. 4 показаны опытные результаты очередного воздействия на оцинкованный стальной провод (г0=0,8 мм; /0=320 мм; Д0=5 мкм; 50>=2,01 мм2) униполярного импульса аксиального тока /0(/) временной формы /т/тр=9 мс/576 мс большой плотности (/0т=-745 А; |50т|=0,37 кА/мм2; П3Г =-3,7 кВ; ЖГ=310 кДж [6, 17]). Видно, что в данном опытном случае вдоль интенсивно нагретого стального провода (для его покрытия пе0=2Л/0=13,08-1028 м_3 [3]) размещаются уже четыре ВЭП или четыре «горячих» (опытной шириной Дг„г=7 мм при их расчетной по (10) ширине в

5,7 мм) и два внутренних «холодных» (опытной шириной Дг„хв=26,9 мм при их расчетной по (12) ширине для п=9 в 29,9 мм) продольных участка. Следует отметить, что здесь пять «горячих», два крайних и шесть внутренних «холодных» продольных участков исследуемого провода подверглись полной сублимации. Наличие в этом экспериментальном случае на испытываемом стальном проводе высокотемпературных зон ВЭП также шириной Дг„г=7 мм может свидетельствовать о достоверности расчетной формулы (10).

Согласно (6) продольные координаты г„к «холодных» крайних продольных участков при этом составили около 2„к=320 мм/18=17,8 мм, а расчетные координаты 2„ь по (7) для «горячих» продольных участков будут примерно равны 35,6 мм. Величина п-2„ь долж-

на в рассматриваемом случае (п=9) приближаться к длине /0=320 мм исследуемого стального провода. Из полученных расчетных и опытных данных видно, что подобное геометрическое условие выполняется. Результаты последнего опыта также наглядно показывают, что в исследуемом стальном проводе имеет место периодическая макролокализация дрейфующих свободных электронов, вызывающая появление в его проводящей макроструктуре неоднородного периодического продольного температурного поля. Опытный шаг продольной квантованной периодизации такого теплового поля в указанном стальном проводе оказался примерно равным (Дг„хв+Дг„г)=31,6 мм и немного меньшим соответствующего соотношениям (8) и (9) расчетного шага, составляющего около /0/п=35,6 мм.

Рис. 4. Внешний вид рабочего стола генератора ГИТ-5С

и теплового состояния оцинкованного стального провода (г0=0,8 мм; /0=320 мм; Д0=5 мкм; 50=2,01 мм2) с четырьмя «горячими» (зонами ВЭП шириной Дгиг=7 мм) и двумя «холодными» внутренними (шириной Д2га=16,9 мм) продольными участками после очередного воздействия на него апериодического импульса тока г0(/) временной формы 9 мс/576 мс большой плотности (/0т=-745 А; |50т|=0,37 кА/мм2; „=9; остальные пять «горячих» и восемь «холодных» продольных участков исследуемого оцинкованного стального провода подверглись полной сублимации) [6, 17]

6. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ПРИЗНАКИ КВАНТОВО-ВОЛНОВОЙ ПРИРОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ПРОВОДНИКЕ

1. Подчинение электрофизических процессов, сопровождающих протекание электрического тока проводимости в металлических проводниках, фундаментальным научным положениям как классической физики, так и нерелятивистской квантовой физики (волновой механики) применительно к его носителям электричества — дрейфующим свободным электронам. В соответствии с этими классическими положениями указанные электроны обладают волновыми свойствами, которые, как показано выше, в металлических проводниках с электрическим постоянным, переменным или импульсным током различной плотности 50 могут оказывать существенное влияние на протекающие в них макроскопические процессы формирования и пространственного распределения в их однородном материале тока проводимости /0(/). Благодаря выполнению данных физических закономерностей электромагнитная энергия, переносимая в кристаллической микроструктуре исследуемых проводников дрейфующими свободными электронами, представляется соответствующими квантами (порциями) с определенной длиной электронной волны (полуволны), а поведение рассматриваемых электро-

нов в материале металлических проводников и их пространственно-временные распределения описываются соответствующими квантованными волновыми у „-функциями (например, у„г(г,/) и у„г(г,/) [6]).

2. Наличие во внутренней кристаллической микроструктуре материала исследуемого металлического проводника с электрическим током различного вида квантованных электронных полуволн де Бройля, распространяющихся вдоль его продольной г и радиальной г координат. Существование данных плоских дебройлевских электронных полуволн в материале проводника вытекает из расчетных соотношений (4) и (16). Для прикладного случая продольного волнового распределения в круглом оцинкованном стальном проводе (г0=0,8 мм; /0=320 мм) апериодического импульса аксиального тока большой плотности (50т=370 А/мм2) существование данных электронных полуволн де Бройля было подтверждено автором опытным путем на основе результатов выполненных высокотемпературных экспериментов, приведенных в [17, 21].

3. Проявление в материале исследуемого металлического проводника с электрическим током эффекта суперпозиции (интерференции) квантованных электронных полуволн де Бройля, приводящего к периодическому возникновению вдоль продольной г и радиальной г координат проводника квантованных макроскопических ВЭП. Данные ВЭП, в свою очередь, порождают появление в материале проводника относительно «горячих» и «холодных» продольных и радиальных участков макроскопических размеров. Пространственный шаг периодизации продольных и радиальных ВЭП проводника согласно соотношениям (8), (9), (17) и (18) равен соответствующим квантованным длинам Хе„г/2 и Хе„г/2 электронных полуволн.

4. Возникновение в проводящей структуре исследуемого металлического проводника с электрическим током /0(/) в зонах указанных выше продольных и радиальных ВЭП явления квантованной периодической макролокализации дрейфующих свободных электронов, характеризующегося заметным различием плотностей дрейфующих свободных электронов, плотностей тепловой энергии и соответственно температур на относительно горячих» и «холодных» продольных и радиальных участках рассматриваемого проводника. Данное явление приводит к возникновению в материале металлического проводника с электрическим током неоднородных периодических продольных и радиальных температурных полей, которые можно реально зафиксировать и исследовать.

1. Полученные данные свидетельствуют о том, что в прямолинейном однородном круглом металлическом проводнике с электрическим аксиальным током из-за волновых свойств дрейфующих в нем свободных электронов, обуславливающих существование в его внутренней микроскопической структуре определенным образом квантованных электронных полуволн де Бройля, и процессов суперпозиции (взаимного наложения) данных дебройлевских электронных полуволн по всему проводящему объему проводника происходит периодическое формирование квантованных продольных и радиальных ВЭП макроскопических размеров. Возникающие при этом ВЭП харак-

теризуются повышенными по отношению к исходной усредненной электронной плотности пе0 проводника плотностями дрейфующих свободных электронов и соответственно увеличенными на них значениями плотностей тепловой энергии и температуры. Подобное продольное и радиальное перераспределение в объеме проводника указанных носителей электричества приводит к появлению в его макроструктуре неоднородного периодического температурного поля.

2. Представленные результаты теоретических и экспериментальных исследований волновых электрофизических процессов, сопровождающих протекание электрического тока проводимости различного вида (постоянного, переменного или импульсного) в рассматриваемом металлическом проводнике, однозначно указывают на то, что во внутренней кристаллической структуре исследуемого проводника из-за волнового характера продольного и радиального распределений в ней дрейфующих электронов возникает

явление квантованной периодической макролокализации свободных электронов. Степень и характер проявления данного квантовофизического явления по длине и радиусу металлического проводника с током і0(ґ) различных АВП определяется плотностью электрического тока в нем и энергетическим состоянием его свободных электронов в момент приложения к проводнику электрического напряжения и соответственно начала протекания по нему тока проводимости.

1. Тамм И.Е. Основы теории электричества. — М.: Наука, 1976. — 616 с.

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. -М.: Наука, 1990. — 624 с.

3. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики / Отв. ред.

В.К. Тартаковский. — Киев: Наукова думка, 1989. — 864 с.

4. Солимар Л., Уолш Д. Лекции по электрическим свойствам материалов: Пер. с англ. / Под ред. С.И. Баскакова. -М.: Мир, 1991. — 504 с.

5. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Монография в 2-х томах. Том 2, Кн. 2: Теория электрофизических эффектов и задач.- Харьков: Изд-во «Точка», 2010. — 407 с.

6. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Монография в 2-х томах. Том 2, Кн. 1: Теория электрофизических эффектов и задач.- Харьков: Изд-во НТУ «ХПИ», 2009. — 384 с.

7. Техника больших импульсных токов и магнитных полей / Под ред. В.С. Комелькова. — М.: Атомиздат, 1970. — 472 с.

8. Мэтьюз Дж., Уокер Р. Математические методы физики / Пер. с англ. — М.: Атомиздат, 1972. — 392 с.

9. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров: Пер. с франц. / Под общ. ред. К.С. Шифрина. — М.: Наука, 1965. — 780 с.

10. Баранов М.И. Волновое распределение свободных электронов в проводнике с электрическим током проводимости // Электротехника. — 2005. — №7. — С. 25-33.

11. Баранов М.И. Энергетический и частотный спектры свободных электронов проводника с электрическим током проводимости // Электротехника. — 2006. — №7. — С. 29-34.

12. Баранов М.И. Новые физические подходы и механизмы при изучении процессов формирования и распределения электрического тока проводимости в проводнике // Технічна електродинаміка. — 2007. — №1. — С. 13-19.

13. Баранов М.И. Эвристическое определение максимального числа электронных полуволн де Бройля в металлическом проводнике с электрическим током проводимости // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — №6. — С. 59-62.

14. Баранов М.И. Волновой электронный пакет проводника с электрическим током проводимости // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — №3. — С. 49-53.

15. Баранов М.И. Основные характеристики вероятностного распределения свободных электронов в проводнике с электрическим током проводимости // Технічна електродинаміка. — 1008. — №1. — С. 8-11.

16. Баранов М.И. Квантовомеханический подход при расчете температуры нагрева проводника электрическим током проводимости // Технічна електродинаміка. — 2007. — №5. —

17. Баранов М.И. Теоретические и экспериментальные результаты исследований по обоснованию существования в микроструктуре металлического проводника с током электронных дебройлевских полуволн // Електротехніка і електромеханіка. — 1014. — №3. — С. 45-49.

18. Баранов М.И. Волновое радиальное распределение свободных электронов в цилиндрическом проводнике с переменным электрическим током // Технічна електродинаміка. — 1009. — №1. — С. 6-11.

19. Столович Н.Н. Электровзрывные преобразователи энергии / Под ред. В.Н. Карнюшина. — Минск: Наука и техника, 1983. — 151 с.

20. Электротехнический справочник. Производство и распределение электрической энергии / Под общей ред. И.Н. Орлова и др. — М.: Энергоатомиздат, Том 3, Кн. 1, 1988. — 880 с.

21. Баранов М.И. Расчетно-экспериментальное обоснование существования дебройлевских электронных полуволн в металлическом проводнике с импульсным током большой плотности// Вісник НТУ «ХИТ. — 1013. — №60(1033). — С. 3-11.

22. Баранов М.И., Колиушко Г.М., Кравченко В.И. и др. Генератор тока искусственной молнии для натурных испытаний технических объектов // Приборы и техника эксперимента. — 1008. — №3. — С. 81-85.

23. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник / Н.И. Белоруссов, А.Е. Саакян, А.И. Яковлева; Под ред. Н.И. Белоруссова.- М.: Энергоатомиздат, 1988. — 536 с.

REFERENCES: 1. Tamm I.E. Osnovy teorii jelektrichestva [Fundamentals of electricity theory]. Moscow, Nauka Publ., 1976. 616 p. 2. Javorskij B.M., Detlaf A.A. Spravochnik po fizike [Handbook of physics]. Moscow, Nauka Publ., 1990. 624 p. 3. Kuz’michev V.E. Zakony i formuly fiziki [Laws and formulas of physics]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1989. 864 p. 4. Solymar L., Walsh D. Lekcii po jelektricheskim svojstvam materialov [Lectures on the electrical properties of materials]. Moscow, Mir Publ., 1991. 504 p. З. Baranov M.I. Izbrannye voprosy elektrofiziki: Monografija v 2-h tomah. Tom 2, Kniga 2: Teorija elek-trofizicheskih effektov i zadach [Selected topics electrophysics: Monographs in 2 vols. Vol.2, Book 2: The theory of electrophysical effects and tasks]. Kharkov, Tochka Publ., 2010. 407 p. б. Baranov M.I. Iz-brannye voprosy elektrofiziki: Monografija v 2-h tomah. Tom 2, Kn. І: Teorija elektrofizicheskih effektov i zadach [Selected topics electrophysics: Monographs in 2 vols. Vol.2, Book 1: The theory of electrophysical effects and tasks]. Kharkov, NTU «KhPI» Publ., 2009. 384 p. 7. Tehnika bol’shih impul’snyh tokov i magnitnyh polej. Pod red. V.S. Komel’kova [Technique large pulsed currents and magnetic fields. Edition by V.S. Komel’kov]. Moscow, Atomizdat Publ., 1970. 472 p. 8. Matthews J., Walker R. Matematicheskie metody fiziki [Mathematical methods of physics]. Moscow, Atomizdat Publ., 1972. 392 p. 9. Ango A. Mate-matika dlja elektro- i radioinzhenerov [Mathematics for electro- and radioengineers]. Moscow, Nauka Publ., 1965. 780 p. 10. Baranov M.I. Volnovoe raspredelenie svobodnyh elektronov v provodnike s elek-tricheskim tokom provodimosti [Wave distribution of free electrons in conductor with electric current of the conductivities]. Elektrotehnika — Electrical Engineering, 2005, no.7, pp. 25-33. 11. Baranov M.I. Ener-geticheskij i chastotnyj spektry svobodnyh elektronov provodnika s jelektricheskim tokom provodimosti [Energy and frequency spectrs of the free electrons conductor with electric current conduction]. Elektro-tehnika — Electrical Engineering, 2006, no.7, pp. 29-34. 12. Baranov M.I. Novye fizicheskie podhody i mehanizmy pri izuchenii processov formirovanija i raspredelenija elektricheskogo toka provodimosti v provodnike [New physical mechanisms and approaches in the study of the formation and distribution of the electric conduction current in the conductor]. Tekhnichna elektrodynamika — Technical electrodynamics,

2007, no.1, pp. 13-19. 13. Baranov M.I. Evristicheskoe opredelenie maksimal’nogo chisla jelektronnyh poluvoln de Brojlja v metal-licheskom provodnike s elektricheskim tokom provodimosti [Heuristic determination of the maximum number of de Broglie electronic halfwaves in a metallic conductor with conduction current]. Elektrotekhnika i elektromekhanika — Electrical engineering & electromechanics, 2007, no.6, pp. 59-62. 14. Baranov M.I. Volnovoj elektronnyj paket provod-nika s elektricheskim tokom provodimosti [Wave electronic package of a conductor with electric conduction current]. Elektrotekhnika i elek-tromekhanika — Electrical engineering & electromechanics, 2006, no.3, pp. 49-53. 1З. Baranov M.I. Osnovnye harakteristiki verojatnostnogo raspredelenija svobodnyh elektronov v provodnike s elektricheskim tokom provodimosti [Main characteristics of the probability distribution of free electrons in a conductor with electrical current conduction]. Tekhnichna elektrodynamika — Technical electrodynamics, 2008, no.1, pp. 8-12. 16. Baranov M.I. Kvantovomehanicheskij podhod pri raschete temperatury nagreva provodnika elektricheskim tokom provodimosti [Quantum-mechanical approach in the calculation of those temperature heating wire electric conduction current]. Tekhnichna elektrodynamika — Technical electrodynamics, 2007, no.5, pp. 14-19. 17. Baranov M.I. Teoreticheskie i eksperimental’nye rezul’taty issledovanij po obosno-vaniju sushhestvovanija v mikrostrukture metallicheskogo provodnika s tokom elektronnyh debrojlevskih poluvoln [Theoretical and experimental results of research into explanation of de Broglie half-wave existence in the microstructure of an active metallic conductor]. Elektrotekhnika i elektromekhanika — Electrical engineering & electromechanics, 2014, no.3, pp. 45-49. 18. Baranov M.I. Volnovoe radial’noe raspredelenie svobodnyh elektronov v cilindricheskom provodnike s peremennym elektricheskim tokom [Characteristic radial distribution of free electrons in a cylindrical conductor with varying electric current]. Tekhnichna elektrodynamika — Technical electrodynamics, 2009, no.1, pp. 6-11. 19. Stolovich N.N. Elektrovzryvnye preobrazovateli energii [Electroexplosion energy converters]. Minsk, Nauka & Tehnika Publ., 1983. 151 p. 20. Elektrotehnicheskij spravochnik. Proizvodstvo i raspredelenie elek-tricheskoj energii. Tom З, Kniga І [Electrotechnical directory. Production and distribution of electric energy. Vol.3, Book 1]. Moscow, Ener-goatomizdat Publ., 1988. 880 p. 21. Baranov M.I. Raschetno-eksperimental’noe obosnovanie sushhestvovanija debrojlevskih elek-tronnyh poluvoln v metallicheskom provodnike s impul’snym tokom bol’shoj plotnosti [Numerical and experimental justification for the existence of de Broglie electronic half-waves in a metallic conductor with a pulse current of high density]. Visnyk NTU «KhPI» — Bulletin of NTU «KhPI», 2013, no.60 (1033), pp. 3-12. 22. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Nedzelskyi O.S., Dnyschenko V.N. Generator toka iskusstvennoj molnii dlja naturnyh ispy-tanij tehnicheskih ob’ektov [A current generator of the artificial lightning for full-scale tests of technical objects]. Pribory i tekhnika eksperimenta — Instruments and experimental techniques, 2008, no.3, pp. 81-85. 23. Belorussov N.I., Saak-jan A.E., Jakovleva A.I. Elektricheskie kabeli, provoda i shnury: Spra-vochnik [Electrical cables, wires and cords: Directory]. Moscow, Ener-goatomizdat Publ., 1988. 536 p.

Поступила (received) 05.02.2014

Баранов Михаил Иванович, д.т.н., с.н.с.,

НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ»,

61013, Харьков, ул. Шевченко, 47

тел/phone +38 057 7076841, e-mail: eft@kpi.kharkov.ua

Scientific-&-Research Planning-&-Design Institute «Molniya»

National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute»

47, Shevchenko Str., Kharkiv, 61013, Ukraine Quantum-wave nature of electric current in a metallic conductor and some of its electrophysical macro-phenomena.

The paper presents results of theoretical and experimental research on wave longitudinal and radial distribution of drifting free electrons in a round homogeneous metallic conductor with a pulse axial current. The studies reveal quantum-wave character of electric conduction current flow in the conductor examined, which results in a phenomenon of quantized periodic macrolocalization of free electrons in the conductor inner structure.

Key words — metallic conductor, electric current, drifting free electrons, electronic half-waves, phenomenon of macro-localization of electrons.

Что такое электрический ток в квантовой физике

Электрический заряд, электромагнитное поле, электрический ток, сопротивление согласно квантовой механике и теории поля

Что такое электрический ток в квантовой физике

ЛИТЕРАТУРА

Что такое электрический ток в квантовой физике

ЛИТЕРАТУРА

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Баранов Михаил Иванович

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Баранов Михаил Иванович

QUANTUM-WAVE NATURE OF ELECTRIC CURRENT IN A METALLIC CONDUCTOR AND SOME OF ITS ELECTROPHYSICAL MACRO-PHENOMENA

Текст научной работы на тему «Квантово-волновая природа электрического тока в металлическом проводнике и ее некоторые электрофизические макропроявления»

Добавить комментарий Отменить ответ