Ток электрический. Нет, я вовсе не собираюсь закрыть тему «электрический ток», расставив все точки над i. Это пока невозможно. Но хочется обратить внимание на несколько интересных моментов, без которых полного понимания природы электрического тока не будет. Во всяком случае, мне так кажется. Ну не диво ли, живём в эру тотального электричества и, вместе с тем, не имеем о нём достаточно ясного представления! Об этом говорят сами учёные, со званиями докторов наук, профессора и даже академики. Общеизвестна формулировка природы электрического тока – направленное движение заряженных частиц. В общем-то, она верна. Но когда начинаешь разбираться в деталях подобной формулировки, то возникают вопросы, на которые нет однозначного ответа. Что такое – заряженная частица? Откуда она берётся? Куда, почему и как движется? Заряженным может быть охотничий патрон, если насыпать в гильзу порох, вставить пыж, потом пулю и снова пыж. Заряженным может быть охотничье ружьё, куда вставили патрон. Из ружья можно выстрелить и получить какой-то результат, который потом можно зажарить и скушать. А как же с заряженной частицей? Кто, как и чем её зарядил? Не ответив на эти вопросы – нельзя понять природу электрического тока, природу магнетизма.
Как выяснилось ещё в 18-м веке, заряды бывают двух знаков – положительные и отрицательные. Но это не значит – хорошие и плохие. Назвали так условно, чтобы объяснять – как заряды взаимодействуют между собой: заряды одного знака отталкиваются; заряды разных знаков притягиваются. Также ведут себя и полюса постоянных магнитов. С природой магнетизма разобрались не так скоро, но близко к истине. В атомах металла движутся в кольцевом, вращательном (орбитальном) движении эти самые заряженные частицы. Кольцевое вращение частицы сопровождается возбуждением своего вихревого поля. Когда кусок металла не намагничен, орбитальные моменты частиц направлены в разные стороны, как и их вихревые поля. Когда же кусок металла попадает в сильное магнитное поле, то орбитальные моменты частиц ориентируются в одну сторону, по линиям магнитного поля. И все вихревые поля каждой частицы складываются в одно большое вихревое поле – магнитное поле. С одной стороны тела магнита вихрь вращения поля направлен по часовой стрелке, а с другой стороны – против часовой стрелки. В сущности, это и есть северный и южный полюса магнита. При взаимодействии полюсов магнитов взаимодействуют именно их вихревые поля. Если вихрь поля одного полюса совпадает по направлению с вихрем другого магнита, то полюса «притягиваются», точнее – придавливаются, потому что здесь, в месте наложения однонаправленных полей, уменьшается плотность и давление физического вакуума. А внешний, более плотный вакуум, сдавливает тела магнитов. Так же ведут себя и проводники с постоянным током, вокруг которых тоже имеется магнитное поле. Когда вихри полюсов магнитов не совпадают по направлению, полюса магнитов «расталкиваются», пытаясь встать однонаправлено.
В одном из своих опусов говорил о подобном опыте, но повторюсь. Если взять сильный постоянный магнит (неодимовый) и небольшое, закреплённое прочно в диэлектрике, металлическое замкнутое кольцо, и этот магнит быстро, долго и настойчиво вводить и выводить из кольца, не прикасаясь к кольцу, то через некоторое время кольцо станет нагреваться. Что происходит, почему кольцо нагревается? Изменяющееся быстро магнитное поле производит в металлическом кольце колебание валентных, слабо связанных, частиц атомов. Наряду с колебанием их орбитальные моменты периодически опрокидываются, меняют ориентацию. При этом происходит симметричное рождение вихревых квазичастиц – электронов и антиэлектронов (позитронов). Квазичастиц рождается ровно столько, сколько было затрачено энергии на возбуждение валентных частиц атомов. Иначе говоря, тут происходит разделение зарядов, возбуждение вихревых квазичастиц и их античастиц. Но так как квазичастицам деваться, стекать некуда, а плотность и давление их растут, вихревые квазичастицы и античастицы начинают аннигилировать, уничтожать друг друга, превращаясь в электромагнитное излучение и рождая тепло. То есть, в кольце возбуждается переменный ток, движение квазичастиц в прямом и обратном направлении. Основную роль в появлении так называемого электрического тока в проводниках играет именно разделение зарядов, рождение квазичастиц двух знаков, различие между которыми лишь в направлении вихря закрутки. Эти квазичастицы рождаются всегда вместе, симметрично; вместе и аннигилируют, взаимно уничтожаются. Иначе не бывает. Механизмов разделения так называемых электрических зарядов множество, повторять не буду. Но для тока важно не только наличие зарядов двух знаков, но и их плотность, и вектор давления.
На уроке физики в школе, где учитель показывает работу электрофорной машины, вероятно, у многих ребят возникал вопрос: если электрофорная машина создаёт такое большое напряжение (десятки тысяч вольт), то почему от этих больших вольт нельзя зажечь даже небольшую лампочку накаливания? Да, напрямую нельзя. Хоть напряжение и большое, но ток здесь очень маленький. Количества и направленного давления электрических зарядов не хватит, чтобы зажечь лампочку. Но можно зажечь от электрофорной машины маломощную светодиодную лампочку косвенно. Для этого нужно зарядить от электрофорной машины электрический конденсатор, крутя ручку машины в течение 15 минут, и довести напряжение на конденсаторе до трёх с половиной вольт. Вот этого количества зарядов и напряжения (давления) достаточно, чтобы зажглась небольшая светодиодная лампочка, и горела на протяжении трёх секунд (важно соблюсти полярность, иначе не засветит). За эти три секунды горения светодиодной лампочки наработанные электрические заряды превратятся в свет и небольшое тепло. А если без конденсатора и лампочки, пробоем искры через воздух, энергия наработанных зарядов уйдёт в течение доли секунды. На электрофорной машине, за счёт быстрого противонаправленного вращения пластиковых дисков, их трения о воздух, происходит разделение электрических зарядов. В вакууме электрофорная машина заряды не разделяет. Трение о воздух в пространстве между крутящимися дисками играет решающую роль. Точно также происходит накопление зарядов двух знаков в капельнице Кельвина, в грозовых облаках, на плоскостях летящих самолётов. Когда заряды собираются на шариках электрофорной машины, то они распределяются равномерно по всей круглой поверхности. На одном шарике электроны левого винта, на другом – правого винта (антиэлектроны, позитроны). Хоть заряды и велики, но вектор давления здесь очень маленький. Вихревые магнитные поля квазичастиц смотрят во все стороны. И лишь когда потенциал делается очень большой – случается пробой через воздух, аннигиляция электронов и антиэлектронов.
Если заметили, я сказал – вихревые магнитные поля квазичастиц… Да, природа всех устойчивых частиц и квазичастиц дипольная, иной не бывает. В природе нет и быть не может элементарных монопольных зарядов. Квазичастица электрон – диполь, вихрь, имеющий левый винт и правый винт (как посмотреть). Перевёрнутый электрон – антиэлектрон, позитрон. Поскольку электроны – магнитные диполи, то на одном шаре разрядника электрофорной машины они собираются положительным полюсом наружу, а на другом – отрицательным полюсом наружу. Опыты с заряженными расходящимися листочками бумаги, с султанами на подставке показывают лишь равномерное распределение квазичастиц по поверхности диэлектриков. Все частицы и квазичастицы являются магнетиками, несущими свои магнитные поля. Но есть связанные носители магнитных полей (в телах) и есть свободные носители магнитных полей. Квазичастицы электроны и позитроны и есть такие свободные носители магнитных полей. Электрического заряда, электрического монополя положительного и отрицательного знака в природе нет. За маской электрического заряда скрываются лишь свободные или связанные дипольные частицы и квазичастицы со своими магнитными полями. Плотность свободных зарядов, сила и вектор давления свободных зарядов могут меняться, в зависимости от условий их рождения и накопления. В электрическом генераторе тока происходит то же самое, что и в опыте с замкнутым кольцом и движущимся магнитом. Только здесь плотность и давление наработанных зарядов левого и правого винта отводятся через токосъёмники в сеть, на нагрузку. Если бы у нас был прибор, которым можно было бы видеть – что происходит на клеммах работающего генератора тока, то мы бы увидели, что на клеммах периодически, с частотой 50 герц, меняются давления (напряжения) квазичастиц левого и правого винта (плюс-минус, минус-плюс). А что происходит в проводах сети нагрузки при переменном токе? То же самое, что и в замкнутой обмотке генератора – колебания и периодические опрокидывания (50 Гц) валентных частиц атомов металла. При этом тоже идёт рождение квазичастиц, электронов и позитронов.
Если у нас источником электрического тока служит не генератор, а химический элемент постоянного тока, то в цепи нагрузки уже нет периодического опрокидывания валентных частиц атомов металла. Есть только колебание валентных частиц атомов в направлении напряжённости поля, при котором тоже рождаются квазичастицы. В элементе постоянного тока квазичастицы электроны и позитроны рождаются в результате химических реакций. Когда молекулы кислоты взаимодействуют с атомами металлов, происходит разрыв прежних связей и установление новых связей. При разрыве связей атомы и части молекул становятся на некоторое время ионами. При этом валентные частицы атомов и ионов, лишившись прежних связей, начинают активно колебаться, рождая квазичастицы, электроны и позитроны. Их количество равно энергии разрыва связей, а «заряд» (винт закрутки) – месту, с которого сорвало дополнительной энергией атом или часть молекулы. Если несколько отвлечься и взглянуть на Таблицу химических элементов Д. И. Менделеева, то все элементы, кроме восьмой группы благородных газов, ионы. У всех у них есть проблема с незаполненной последней оболочкой, а ещё точнее, динамическая асимметрия, энергетический излишек или недостаток. В химических реакциях как раз и осуществляется желание всех ионных элементов стать благородными газами, заполучить на последней валентной оболочке восемь частиц. Иначе, чтобы осуществилась динамическая симметрия в движении всех частиц атома, где у системы – минимум «потенциальной» энергии. Излишек электронов и позитронов, рождённых в химической реакции, скапливается на металлах. Если соединить эти металлы проводником без нагрузки, то электроны и позитроны в проводнике быстро аннигилируют, взаимно уничтожатся, став излучением и теплом. Но если соединить металлы через нагрузку, то квазичастицы уничтожат друг друга с пользой, выполняя какую-нибудь полезную работу. Природа постоянного электрического тока двойственна, как ни странно это звучит; в нём на равных правах присутствуют и электроны и позитроны. Подтверждением двойственной природы постоянного тока служит эффект Холла, пластинка проводника с током в сильном магнитном поле. Края пластинки «заряжаются» противоположными знаками, иначе, на одном краю скапливаются электроны, на другом – позитроны. Эффект Холла широко используется в современной электронной технике. Ещё раз, говоря о природе постоянного электрического тока, надо сказать, что, рождающиеся от колебаний валентных частиц атомов металла, квазичастицы электроны и позитроны не летят в противоположных направлениях со скоростью света по поверхности проводника. Квазичастицы совершают очень небольшое по длине движение, до момента их исчезновения. А частота колебаний валентных диполей атомов зависит от величины напряжения источника тока: чем больше напряжение, иначе, давление вихревых квазичастиц, тем больше частота колебаний. Чем больше частота колебаний – тем больше квазичастиц на теле проводника. Напряжение же поля передаётся по проводнику со скоростью света.
В заключение хотелось бы немного обратить внимание на явление электронно-дырочной проводимости в полупроводниках. Честно сказать, к самому этому феномену «дырок» всегда относился скептически, с недоверием, уж больно надуманно. Ну, хорошо, дырки перемещаются в полупроводнике. Но как только доходят до металла контакта – куда дырки деваются? Ведь дырки, как и ионы, по металлическому проводнику не идут! По проводнику могут идти только квазичастицы электроны и позитроны. А может, нет вообще этих дырок? Может, мы имеем дело именно с позитронами?..