ТРАДИЦИОННОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ПРОВОДНИКОВ

В основе объяснения традиционной физикой всех физических явлений лежит модель атома вещества, предложенная английским учёным физиком Э.Резерфордом. При этом электрическая проводимость веществ и явление электрического тока в веществах объясняется физиками присутствием в них свободных электронов - такая проводимость называется электронной проводимостью. Свободными электронами считаются электроны, находящиеся на внешних орбитах атомов. Электроны являются заряженными частицами, т.е. носителями отрицательного электрического заряда – иначе говоря, носителями электрической энергии. Из этого следует, что перемещение в веществе электронов-частиц с электрическим зарядом можно назвать электрическим током, т.е. движением электрической энергии. Электроны названы свободными потому, что они, находясь на внешних орбитах, слабо удерживаются ядром атома и могут хаотично путешествовать в межатомном пространстве проводников и полупроводников. Вот как пишется об этом в учебниках по физике. “Свободные электроны образуют своего рода отрицательную электрическую жидкость или электронный газ, в котором находятся положительно заряженные ионы вещества. При хаотичном перемещении электронов электрический ток не возникает, поскольку через любое сечение проводника в данный момент в противоположные стороны проходит одинаковое количество электронов. Электрический ток возникает в проводнике только тогда, когда свободные электроны приобретают упорядоченное движение, т. е. движутся через любое сечение проводника в одну сторону”. При этом ни в одном учебнике по физике и ни в одной книге, касающейся темы электричества, не приводится эксперимент, которым доказывалось бы, что при отсутствии приложенного к проводнику электрического поля “через любое сечение проводника, в данный момент, в противоположные стороны проходит одинаковое количество электронов”.

Вопрос первый. На чём основывается утверждение, что “через любое сечение проводника, в данный момент, в противоположные стороны проходит одинаковое количество электронов”? Это нельзя проверить экспериментально и потому недоказуемо, а значит, надумано для того, чтобы объяснить фактическое отсутствие тока в проводнике и доказать нейтральность проводника. То, что проводимость вещества, хорошая или плохая, не зависит от количества электронов на внешних орбитах атомов, а зависит от величины связи этих электронов с соседними атомами - это утверждение также не имеет научного доказательства, не подтверждено экспериментом и основывается на допущениях и предположениях. Физики посчитали скорость упорядоченного движения электронов вдоль медного проводника, исходя из того, что только один электрон, находящийся на внешней орбите у каждого атома меди, был свободен - это опять предположение. Скорость электрона, если верить методике расчета, оказалась равной 0,007 мм/с - это скорость перенесения электрических зарядов “свободными электронами”. В то же время учащихся учат, что электрический ток через возникающее электромагнитное поле распространяется по проводнику со скоростью света.

Вопрос второй. Что определяет распространение электрического тока со скоростью света? По проводимости электрического тока физики разделили все вещества на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы). Разделение веществ на эти группы произведено по их способности проводить или не проводить электрический ток, т.е. иметь или не иметь “свободные электроны”, а также по зависимости тока от внешних факторов. Диэлектрик не проводит ток потому, что электроны в атомах диэлектрика сильно связаны с ядром атома и не могут быть свободными. Полупроводники называются так потому, что их атомы при нагревании теряют способность удерживать возле себя электроны, которые находятся на крайней орбите, и поэтому становятся проводниками. Проводимость полупроводников тоже основывается на присутствии “свободных электронов”, но принцип проводимости объясняется иначе, чем в проводниках, и называется электронно-дырочной проводимостью. Ниже мы рассмотрим механизм электронно-дырочной проводимости, описываемой традиционной физикой.

Издавна во всех книгах электрическая проводимость разных веществ объясняется традиционной физикой одинаково просто, но заставляет сомневаться в правильности объяснения, и вот почему... Прежде всего, утверждение, что в атомах веществ существуют “свободные электроны”, даёт право считать атом вещества непрочной системой, способной менять свою внутреннюю структуру изменением количественного соотношения составляющих компонентов, т.е. электронов, протонов и нейтронов, а следовательно, менять свойства вещества, которые определяются как раз этим соотношением. Кроме того, движение электронов можно считать фактом переноса массы, т.е. вещества, а это уже полный абсурд: если бы это было так, то наука уже давно могла бы легко превращать одни вещества в другие - алхимики тогда позавидовали бы физикам. Далее, следует напомнить, что атомы всех веществ имеют на внешней орбите разное количество электронов - от одного до восьми. Согласно такой схеме размещения электронов на орбитах, можно утверждать, что электроны внешних орбит атомов всех веществ должны иметь разные условия быть свободными - разные условия можно объяснить тем, что атому легче удерживать на внешней орбите один электрон, чем несколько.

Вопрос третий. Почему электрическая проводимость вещества не зависит от количества электронов, находящихся на внешних орбитах атомов? Физики не объясняют, почему электрическая проводимость вещества не зависит от количества электронов на внешних орбитах атомов. Ведь справедливо считать, что, чем больше электронов на внешней орбите, тем слабее их связи с ядром атома и тем больше шансов у этих электронов стать свободными. Физики не объясняют, на каком основании они считают величину силы связи у наружных электронов с ядром атома у проводников меньше, чем у наружных электронов с ядром атома у полупроводников и диэлектриков. А отсутствие этого объяснения ставит под сомнение уже определение “свободный электрон”. Далее, если утверждается, что “свободные электроны” хаотично перемещаются в межатомном пространстве, то как увязать это утверждение с тем, что электроны вращаются вокруг ядра атома? Пусть физики докажут возможность одновременного присутствия двух перемещений у одного “свободного электрона”. И ещё, если есть “свободные электроны”, то их легко было бы вытянуть из тела проводника и нейтрализовать, поднеся к этому телу другое тело, положительно наэлектризованное - но этого сделать нельзя.

Следовало бы также объяснить, что произойдёт со “свободными электронами” проводника, когда они окажутся на поверхности тела - что мешает “свободному электрону”, достигшему поверхности, покинуть вещество? Если предположить, что крайний атом вещества удерживает “свободный электрон” от вылета из вещества в среду с меньшей плотностью, тогда что позволяет этому атому дать электрону право свободно дрейфовать в теле вещества, как в среде с большей плотностью?

Если верить в существование “свободных электронов”, тогда следует поверить и в то, что поверхность проводников должна определяться, формироваться только электронами, находящимися на предпоследних орбитах атомов. Наличием в веществе “свободных электронов” физики объясняют, что все атомы вещества без “свободных электронов” обладают положительным зарядом - являются “положительно заряженными ионами”. Хотя все атомы нейтральны, и их нейтральность как раз обеспечивается присутствием всех электронов на всех орбитах атома.

Отсутствие в проводнике электронов вообще, а тем более свободно дрейфующих, доказывается просто: если бы они были, то поверхность всякого предмета, независимо от его вещества - проводника и непроводника - формировалась бы электронами. Следовательно, поскольку электроны являются носителями отрицательных зарядов, поверхность всякого предмета была бы всегда наэлектризована отрицательным зарядом. В этом случае тело притягивало бы к себе другое, положительно наэлектризованное тело и отталкивало бы отрицательно наэлектризованное тело. Нейтральность атомов в этом случае не играла бы роли. Однако ни притяжения, ни отталкивания не наблюдается - предмет остается нейтральным, именно потому, что нет самостоятельных стабильных электронов, и тем более “свободных электронов”.

Чтобы доказать правоту теории “свободных электронов”, правоту предположений и допущений, учёные провели ниже упомянутый эксперимент - этот эксперимент должен был доказать существование “свободных электронов” в металлах и то, что проводимость металлов обусловлена движением “свободных электронов”. Провели этот эксперимент физики Л.Мандельштам и Н. Папалекси в 1913 году и физики Стюарт и Толмен в 1916 году. Эксперимент поражает простотой приспособления, простотой самого эксперимента и, как мне кажется, поспешностью и предвзятостью вывода. Приведу описание этого эксперимента:

“На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К дискам при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр. Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают (от автора: диски и катушкакрепятся на оси, выполненной из изоляционного материала). После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы (электроны) будут некоторое время двигаться относительно проводника (от автора: читайте, по проводнику) по инерции и, следовательно, в катушке возникнет электрический ток. Ток будет длиться небольшое время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается. Направление тока говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц”.

Этот эксперимент до настоящего времени преподносится учащимся доказательством наличия в проводниках “свободных электронов”, порождающих электрический ток.

Проанализируем этот эксперимент. Заметим, что электрическая цепь была замкнута, а экспериментаторы утверждают, что ток создали движущиеся “свободные электроны” - отрицательно заряженные частицы (это доказывается отклонением стрелки гальванометра). Поэтому, по моему мнению, эксперимент этот совершенно неубедительный, нечистый, а выводы экспериментаторов сделаны в оправдание цели эксперимента – подтвердить постулат существования “свободных электронов”. Поскольку катушку вращали быстро, а потом остановили, то сделали вывод: из проводника успели вылететь только те электроны, которые были в конце проводника, а те, что были в начале проводника, не смогли вылететь “из-за сопротивления проводника”. Логика железная – все электроны протолкнуться, протиснуться не смогли, и только потому, что сила инерции была недостаточной из-за малой скорости вращения. Утверждение экспериментаторов, что “свободные электроны двигаются в проводнике некоторое время по инерции”, позволяет считать, что, чем быстрее вращать катушку, тем дольше будут двигаться электроны по инерции и тем дольше будет идти ток. Этим опытом хотят убедить в том, что “свободные электроны” можно заставить двигаться упорядоченно и даже покинуть тело проводника, применяя принцип центрифуги - какая разница для “свободного электрона”, вылетать “по инерции” из торца проводника или из боковой поверхности? Смешно, конечно, но если считать реальностью вылет “свободных электронов” “по инерции, то можно предположить, что при быстром и длительном вращении из проводника вылетят все “свободные электроны” и со временем ток прекратится, то есть стрелка гальванометра возвратится на нулевую отметку. Но ведь этого не произойдёт. Справедливо ли тогда вообще говорить о движении электронов?

Итак, результатами этого эксперимента физики не только не доказали то, что хотели доказать, а наоборот, подтвердили отсутствие движения в проводнике “свободных электронов”. И вот почему… Этот эксперимент демонстрирует ничто иное, как давно известное явление - электризацию тел путем трения. В данном эксперименте контакты тёрлись о диски, а вся катушка и диски подвергались трению о воздух. Всякое быстро движущееся и изолированное тело наэлектризовывается при трении о воздух, наглядный пример – электризация автомобиля или самолёта при их движении. Не проще ли было бы просто потереть катушку мехом или шёлком и получить тот же результат?! Существование тока некоторое время справедливо, но это не время движения “свободных электронов” по инерции, а всего лишь время существования наэлектризованных частиц, необходимое для релаксации деформированного энергетического поля атома. Деформация возникла вследствие процесса теплообмена при трении щеток и предметов о воздух. Подробно об электризации тел и релаксации энергетического поля я написал в работе “Новая версия моделей элементарных частиц и атома”.

Итак, выводы по результатам эксперимента, по моему мнению, сделаны неверные. Неверные по следующим причинам. Во-первых, они основывались на традиционной конструкции модели атома и стремились подтвердить её, когда считали атом нестабильным образованием - непрочной системой, допускающей существование “свободных электронов”. Во-вторых, физики считали, что электрон существует как отдельная, самостоятельная, стабильная, отрицательно заряженная частица. В-третьих, физики не учитывали один из трёх фундаментальных законов мироздания – “закон единства противоположностей”, утверждающий существование только биполярных частиц, т. е. диполей.