МЕНЮ

Электропроводность веществ (фотонная концепция)

В статье рассмотрены механизмы и физическая сущность фотонной электропроводности веществ. Показана взаимосвязь между электропроводностью и диэлектрической проницаемостью веществ.

Введение. Современная физика определяет электропроводность, электрическая проводимость, проводимость, как способность тела пропускать электрический ток под воздействием электрического поля, а также как физическую величину, количественно характеризующую  эту способность [1].

            Открытие проводимости “точно датировать невозможно, хотя соответствующие эксперименты 250-летней и даже большей давности хорошо известны.”[2] Известно, что в опытах по передаче электричества в 1729 г. Стивен Грэй — учёный Великобритании, обнаружил ряд тел, через которые можно сообщать “электрическую силу”. Это — деревянные стержни и проволока (железная и латунная). Максимальная длина комнатной «электропередачи» по бечевке или проволоке не превышала 1 м, а максимальная длина горизонтальной комнатной “электропередачи по состыкованным деревянным проводникам не более 5,5 м.

К концу 30-х годов XVIII в. были успешно применены в качестве проводников: льняная нить (Герике, 1663), пеньковая бечевка, непросушенное дерево, металлическая проволока (Грэй, 1729), влажный кетгут (Дезагюлье,1738); в качестве непроводников: шелк (Уилер в опыте, поставленном Грэем,1729), конский волос (Грэй, 1729), стекло и сургуч (Дюфе, 1733), сухой кетгут (Дезагюлье, 1738).  Длина электрических линий достигала нескольких сотен метров.

Проблема электропроводности веществ приобрела особую важность в связи с исследованием электрических цепей постоянного тока. Первые систематические исследования электропроводимости провел Фарадей в 1833 г. Он показал, что все вещества в большей или меньшей степени проводят ток, поэтому абсолютной изоляции не существует [3]. 

Электропроводность присуща различным веществам и определяется свойствами среды, в которой распространяется ток. Чтобы разобраться с электропроводностью разных веществ, необходимо понять, какие в них плотности (концентрации) носителей электрического заряда, как они появляются и от чего они зависят, какие величины зарядов, с какими скоростями могут двигаться. Задача общей теории электропроводности заключается в предсказании изменения электропроводности в зависимости от физико-химических свойств и структуры вещества (агрегатного состояния, дефектов и пр.) при разных условиях состояния внешней среды (температуры, давления и др.)  и внешних воздействий (электрического и магнитного полей, облучения и т. п.).

К концу XIX века была определена связь между электрическим сопротивлением (свойство проводника  рассеивать энергию), силой тока и напряжением, которая описывается законом Ома [4].  Появилась необходимость  дать теоретическое обоснование  этому свойству. Первую попытку такого рода предпринял в 1900 году немецкий физик Пауль Друде.  В работе «К электронной теории проводимости металлов» Друде высказал гипотезу о наличии в металлах свободных электронов, поведение которых аналогично поведению совокупности молекул идеального газа. Поэтому  согласно Друде  свойства «электронного газа» можно описать с помощью понятий молекулярно-кинетической теории: длины свободного пробега, тепловой скорости электронов, теплоемкости газа и др.  В 1905 г. Лоренц  развивает дальше кинетическую теорию электропроводности, предполагая, что распределение тепловых скоростей электронов подчиняется закону Максвелла.

            Теория  Друде  — Лоренца  хорошо объясняла закон Ома и связь электрической проводимости с теплопроводностью (закон Видемана—Франца), но не объяснила главного отличия металлов от других твердых тел, а именно температурную зависимость электрической проводимости и ряд других эффектов  [5]. 

            Проблемы теории Друде  — Лоренца заключаются в том, что на момент создания представления о носителях электрических зарядов только зарождались и не имели конкретного физического смысла. В 1892 году Лоренц дал первую формулировку своей электронной теории [6], которая представляла собой максвелловскую теорию электромагнитного поля, дополненную представлением о дискретных электрических зарядах (электронах) как основе строения вещества, под которыми он понимал все заряженные частицы (положительные и отрицательные). В теории электропроводности Друде — Лоренца были положены те же представления о заряженных частицах (электронах), не установленной физической природы. В этом ее существенное отличие от всех последующих электронных теорий электропроводности, в которых их содержание объясняется существованием и движением свободных электронов (структурных элементов атомов вещества).

                Ряд проблем теории  Друде — Лоренца  были решены с помощью квантовой теории электропроводности, основывающейся на квантовой механике и квантовой статистике Ферми — Дирака. [7]

Квантовая теория электропроводности металлов, в частности, объясняет зависимость удельной проводимости от температуры: σ ~ 1/T (классическая теория дает, что σ ~1/√Т), а также аномально большие величины (порядка сотен периодов решетки) средней длины свободного пробега электронов в металле. Квантовая теория устраняет и другую трудность классической теории, а именно, отсутствие влияния свободных электронов на теплоемкость металлов.

Однако квантовая теория электропроводности также не решила главной задачи электропроводности – не раскрыла ни механизмов, ни физической сущности свойства электропроводности  веществ.

В квантовой теории, как и в других, появившихся после теории Друде – Лоренца, в основу была положена мифологизированная модель свободного электрона [8], столетней давности. Ее недостатки проявились уже в теории Друде – Лоренца, а квантовая теория с целью устранения существующих проблем путем манипуляций со статистикой и длиной пробега электрона подогнала свои феноменологические зависимости под известные результаты экспериментов.

Решение указанных проблем электропроводности лежит в первую очередь в понимании сущности, функционального назначения  и взаимодействия элементарных частиц и протон – электронной пары, основы строения атомов вещества. Современная физика не привела ни одного доказательства существования свободного электрона в природе, который обуславливает электрический ток и другие электрические эффекты [9].

Вследствие чего существующие теории электропроводности не соответствуют действительности и требуют соответствующей интерпретации. Наиболее адекватно рассматривает физические процессы прохождения электрического тока  в веществе фотонная концепция. В связи  с чем задача разработки теории фотонной электропроводности является актуальной задачей современной теоретической физики.

Основные теоретические предпосылки фотонной теории электропроводности. В основе фотонной теории электропроводности лежат выводы эфиродинамической концепции электростатики и магнитостатики: электрический заряд величина знакоопределенная (положительная), свободным носителем (переносчиком) электрического заряда являются фотоны, электрический заряд является функцией длины волны фотона, наименьшей величиной электрического заряда обладают фотоны инфракрасного диапазона (значение электрического заряда не установлено), электрический ток в металлическом проводнике это поток фотонного газа.

Электрический ток это направленное движение фотонов (фотонного газа) из зоны повышенной концентрации в зону пониженной концентрации фотонов.  Скорость движения фотонов всегда является около световой и постоянной. Движение потока фотонов однонаправленно и прямолинейно. Данное обстоятельство позволяет считать фотонный газ (поток) как газ имеющий две степени свободы (обусловленное двумя  составляющими — прямолинейным и вращательным  движением по круговой траектории фотона).

В отличие от классической и квантовой теорий процесс прохождения фотонов в проводнике с точки зрения эфиродинамической концепции фундаментально отличается.    Если в традиционных теориях в отсутствии внешнего электрического поля свободные электроны движутся хаотически со средней кинетической (тепловой) энергией, а под действием внешнего электрического поля  электроны начинают упорядоченное движение. Движение электрона в действительности оказывается очень сложным, т. к. упорядоченное движение электронов под влиянием внешнего поля накладывается на хаотическое. При этом взаимодействие электрона с кристаллической решеткой твердого тела (столкновение с ионами решетки) играет важную роль.

В фотонной теории фотоны перемещаются прямолинейно и равномерно по сечению проводника. При этом важнейшими факторами, влияющими на  перемещение фотонов, являются плотность и неоднородность атомов. Межатомное расстояние обеспечивает свободное перемещение фотонов, в то время как атом (совокупность протон – электронных  пар), в зависимости от внешних условий, может быть препятствием движению фотона или объектом трансформации входящего фотона в исходящий, соответственно с новым набором параметров. При этом взаимодействие фотона и атома подразумевает процесс поглощения — генерации атомом фотона. При соблюдении критерия энергетической достаточности, т. е. энергии поглощенного одного или более фотонов будет достаточно для возбуждения протон-электронной пары и генерации новой пары фотонов, происходит генерация новых или собственных фотонов атомом вещества проводника. Этот процесс повторяется при движении и взаимодействии фотонов со следующим атомом и т. д.

При отсутствии внешних сил фотонов в проводнике нет. Фотоны в проводнике генерируются или под действием внешних сил (электрических, магнитных, электромагнитных, температуры, давления), или внешним источником генерации фотонов (химическим, механическим, световым и т. п.) при присоединении проводника к источнику. Фотоны начинают двигаться из зоны генерации (повышенной концентрации) внутри проводника под воздействием силы, обусловленной разностью концентраций фотонов на концах проводника. Иначе направление движения фотонов определяется градиентом концентрацией фотонов в проводнике, т. е. избыточным давлением фотонного газа на одном конце проводника и отсутствием или малой концентрацией (давления) на другом.

Электропроводность веществ. В работе[10] было показано, что электрическое сопротивление проводника определяется выражением:

R0 + R = ρ ∆Е / S2υ(qn)2,                                                                     (1)                                                                                                                                      

где  ρудельное сопротивление, ∆Е = Еи – Ес – потери энергии фотонного потока;  

Еи =  qn φ1  — потенциальная энергия генерируемых фотонов в зоне истока, аналогично 

Ес =  qn φ2  —  потенциальная энергия потребляемых фотонов в зоне стока;  R0 – электрическое сопротивление элементов электрической цепи, вне проводника,  Sсечение проводника, υ – скорость потока фотонного газа.

Выражение (1) отражает физическую сущность электрического сопротивления проводников из металла, из которой следует, что проводник никакого противодействия электрическому току не оказывает (величина тока в проводнике постоянная), а величина электрического сопротивления определяется свойствами материала проводника ρ, потерями энергии ∆Е, обусловленными электронной конфигурацией атомов вещества, которая обеспечивает соответствующий энергетический спектр генерируемых фотонов, сечением проводника S2 и первичной концентрацией фотонов (qn)2. Скорость потока фотонного газа υ – величина условно постоянная, около световая.

Понятие электрическая проводимость противоположно понятию электрического сопротивления и характеризуется теми же параметрами: энергетическими потерями, имеющими характер тепловых и свойствами материала проводника σ,

где σ = 1/ρ — удельная электропроводность.

Удельной электропроводностью (удельной проводимостью) называют меру способности вещества проводить электрический ток. [11] Согласно закону Ома в линейном изотропном веществе удельная электропроводность σ является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока j и величиной электрического поля Е в среде:

j = σ E,                                                                                                     (2)

Вспомним, что  j = neυ, где n – концентрация носителей электрического заряда,

е – величина электрического заряда носителя, υ — вектор средней скорости направленного движения носителей заряда, в рассматриваемом случае — фотонов. В отсутствие напряженности электрического поля υ = 0 . 

            При приложении внешнего источника напряжения к концам проводника на одном из них генерируется избыточная концентрация фотонов, которая обуславливает электрический ток в проводнике. Электрическая сила, определяющая движение фотонов, это кулоновская сила:

F = kе2 /l2,

где k – коэффициент пропорциональности. В однородном изотропном веществе в системе СИ коэффициент k записывается в виде:

                k = 1/4πɛ0ɛ,                                                                                              (3)

            где ɛ0 ≈ 8,85418781762 10-12 Ф/м – электрическая постоянная, ɛ — диэлектрическая проницаемость среды.

Тогда

            E = F/е = kе / l2.                                                                                       (4)

Подставляя в (2) значения  j и Е с учетом концентрации носителей электрического заряда получим:

neυ = σ · kne / l2,                                                                                     (5)

Тогда

σ = (1/k) · υ · l2,                                                                                       (6)                                                                  

Подставляя (3) в (6) получим:

            σ = 4πɛ0ɛ · υ · l2.                                                                                       (7)

Выражения  (6) и (7) показывают, что удельная электропроводность проводника определяется скоростью потока фотонного газа υ, длиной проводника l2 и свойствами материала, определяемыми через  диэлектрическую проницаемость среды ɛ.

            Рассмотрим выражение 4πɛ0 · υ. Принимая υ = 2,99 792 458·108 м/с (скорость света) определим:

4πɛ0 · υ = 4π8,85418781762 10-12 Ф/м · 2,99 792 458·108 м/с = 0,0333576 См.

Т. е. 4πɛ0 · υ = 0,0333576 См  — это квазипостоянная, имеющая физическую сущность электрической проводимости монохромного фотонного газа в вакууме, в данном случае определенная для фотонов длиной волны  ≈ 3,39 мкм (скорость света это скорость фотонов длиной волны ≈ 3,39 мкм [12]).

            В общем случае

            g(λ) = 4πɛ0(λ) · υ(λ) ,                                                                                 (8)

            где g(λ) – электрическая проводимость монохромного фотонного газа, включающего фотоны конкретной длины волны в вакууме.

Тогда

σ = g(λ) · ɛ · l2 .                                                                                          (9)

            Выражение (9) раскрывает физическую сущность удельной электропроводности проводника:  это мера фотонного потока, генерируемого материалом вещества проводника длиной l

Анализ размерности удельной проводимости (9) показывает ее существенное отличие от фактической удельной электрической проводимости  σ′ = G l/S  См/м, представленной в справочной литературе, где   G –электропроводность, См.                    

            Взаимосвязь между указанными проводимостями будет иметь следующий вид:

            σ = σV = σS l.                                                                                       (10)

Тогда закон Ома в дифференциальной форме будет иметь следующий вид:

             j = σ′ V E = σ′ S l E.                                 

            σ = g(λ) · ɛ · l2 = σ′ S l,

            σ′ = g(λ)·ɛ·l/S,                                                                                           (11)

Из выражения (11) следует, что

            Gg(λ)·ɛ.                                                                                                (12)

            Т. е. электропроводность веществ определяется  проводимостью монохромного фотонного газа и диэлектрической проницаемостью материала вещества. Из выражения также следует

            ɛ =  G/g(λ).                                                                                                      (13)

Выражение (13) устанавливает физическую сущность диэлектрической проницаемостиэто коэффициент пропорциональности, показывающий во сколько раз

проводимость фотонного газа в материале вещества больше проводимости  монохромного фотонного газа в вакууме, конкретных геометрических параметров. 

            Например, для материала из меди длиной 1м (сечением 1 мм2), σ′  = 59500000 См/м диэлектрическая проницаемость:

            ɛ =  (σ′ S/l) / g = 59500000 · 10-6 /(1·0,0333576) =1,78·103.

            для материала из стекла длиной 10-2м (сечением 10-4 м2), σ′  = 10-11 См/м диэлектрическая проницаемость:

            ɛ =  (σ′ S/l) / g = 10-11  10-4 /(10-2 0,0333576) = 0,2996·10-11 .

            для  ɛ =  4,7   σ′ = 15,69 См/м.

Для кремния ɛ =  11,68   σ′ = 38,98 См/м.

Диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1. Удельная электропроводность фотонного газа в вакууме σ′в  :

            σ′в  = g l/S,

            σ′ / σв  = ɛ.                                                                                                (14)

Из выражения (14) очевидно, что диэлектрическая проницаемость это коэффициент, показывающий во сколько раз удельная электропроводность материала вещества больше удельной электропроводности вакуума.

Таким образом,  диэлектрическая проницаемость материала позволяет классифицировать материалы как по электропроводящим свойствам, так и по изолирующим. Материалы с диэлектрической проницаемостью равной и больше 1 относятся к диэлектрикам, больше 1 – к полупроводникам, значительно больше 1 – к проводникам.

Выводы. Фотонная концепция позволяет объяснить механизмы и физическую сущность электропроводности веществ, кардинально отличаясь от всех существующих теоретических интерпретаций современной теоретической физики.

            Фотонная концепция электропроводности веществ раскрывает также физическую сущность понятия “диэлектрическая проницаемость” и устанавливает взаимосвязь между электропроводностью и диэлектрической проницаемостью среды, которая в свою очередь позволяет классифицировать материалы как по электропроводящим, так и по изолирующим свойствам.

Литература:

  1. Каганов М. И. Электропроводность (физич.) Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.
  2. Крыжановский Л. Н. «К 250-летию открытия электропроводности» УФН 155 129–132 (1988).
  3. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела, в 2-х томах, М., Мир, 1979, т.1 -399 с., т.2 -422 с.
  4. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Электрическое сопротивление.
  5. Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.Б. — Курс физики (в трёх томах). Т.2. Электричество и магнетизм. Учебн. Пособие для втузов, Изд. 4-е, перераб. М., ”Высшая школа“, 1977, 375 с. с ил.
  6. http://nuclphys.sinp.msu.ru/solidst/physmet1.htm Чеченин Н.Г. Введение в физику твердого тела
  7. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. 3-е изд., испр. — М.; Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. — 320 с.
  8. http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. ФИЗИКА ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРАХ.
  9. http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Что такое электрический ток.
  10. http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Об электрическом сопротивлении и законе Ома.
  11. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Электропроводность.
  12. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3693.html  СКОРОСТЬ СВЕТА.

Лямин В. С.,  Лямин Д. В.  г. Львов

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи