Квантова фізична модель
Рішення будь-якого завдання починається з її постановки. Для початку процесу рішення потрібно хоча б усвідомлення того факту, що проблема існує. У електродинаміки зараз немає квантового опису електричного струму, немає квантового опису магнітного поля провідника зі струмом, немає квантового опису сили Ампера.
У цій роботі запропоновано квантовий механізм електричного струму. Швидкість квантового електричного струму дорівнює швидкості світла, як в експерименті. У квантовій теорії електричного струму усунені багато протиріч між теорією і експериментом, характерні для класичної теорії електричного струму.
Квантова теорія електричного струму виводиться з класичної. Для переходу до квантової теорії електричного струму, необхідно згадати ще раз, що нам відомо про електричному струмі на ділянці ланцюга - споживачі струму.
1. Для існування електричного струму до провідника необхідно підвести енергію ззовні у вигляді електричного поля.
2. Електричне поле поширюється уздовж провідника зі швидкістю світла і взаємодіє з уже знаходяться в провіднику електронами матеріалу провідника.
3. Ця взаємодія невідомим зараз чином утворює магнітне поле провідника.
Класична електродинаміка передбачає, що в процесі електричного струму беруть участь наступні фізичні величини:
1. Напряженіеілі різниця потенціалів. Виникає в момент замикання ланцюга. Характеристики цього вектора - напрямок вздовж провідника від плюса до мінуса.
2. Електричний струм. Скалярна величина. Напрямки немає.
Виникає на ділянці ланцюга - споживачі струму після того, як на цю ділянку подається напруга або різниця потенціалів від зовнішнього джерела. Існує за рахунок енергії джерела струму.
3. Магнітне поле. Напрямок - за правилом свердлика.
Розташування - поза провідника, в площині, перпендикулярній напряму різниці потенціалів.
4. Радіус - вектор. В даний час безіменний, оскільки невідомий тип взаємодії, який він переносить.
Фізичний сенс радіус - вектора. проміжний вектор між вектором електричного струму і вектором магнітного поля. Переносить силове взаємодія. З відомих фізичних полів для нього підходить тільки гравітаційне поле.
Цей вектор змінює знак при зміні напрямку енергії. При споживанні електричної енергії його напрямок - від вектора електричного струму до вектору магнітного поля. При генерації електричної енергії його напрямок - від вектора магнітної індукції до вектору електричного струму.
Один квант електричного струму
У квантової фізичної моделі електричного струму найменшу кількість електрики - один квант.
З квантової фізики відомо, що в твердому провіднику першого роду електронний газ сильно виродилися. Це означає: по - перше, що класичне уявлення про електричний струм як про направленому русі електронного газу, не має фізичного носія електричного струму. По - друге, це означає, що кожен електрон в кожен момент часу, належить якомусь - то певного атома, тобто знаходиться на певній квантової орбіті.
Плюсовій кінець провідника відрізняється від мінусового кінця меншою концентрацією електронів. Якщо кожен електрон належить якомусь - то атому, то менша концентрація електронів означає, на плюсовом кінці провідника електрони перебувають на більш віддалених орбітах, ніж на мінусовому.
Мал. 1. Один квант електричного струму на ділянці цінуй - споживачі струму.
За напрямок струму в провідниках першого роду в електродинаміки приймають напрямок плюсових зарядів. Напрямок магнітного поля визначається за правилом свердлика. Величина одного кванта магнітного потоку також відома:
Електрони, які беруть участь в процесі проходження електричного струму по провіднику на ділянці ланцюга - споживачі струму, роблять квантові переходи за рахунок енергії джерела струму по всій довжині провідника. Перехід електрона з одного квантового рівня на інший на ділянці ланцюга - споживачі струму супроводжується випусканням кванта енергії у вигляді Гравітон. І навпаки, перехід електрона з одного квантового рівня на інший на ділянці ланцюга - джерела струму супроводжується поглинанням кванта енергії у вигляді Гравітон.
Електрони, які беруть у процесі протікання електричного струму, не змінюють свого енергетичного стану.
У квантової фізичної моделі електричного струму передбачається, що при протіканні електричного струму на ділянці ланцюга - споживачі струму, відбувається послідовне перетворення трьох фізичних полів: різниця електричних потенціалів. спрямована уздовж провідника, послідовно, в два етапи, перетворюється в енергію гравітаційного поля провідника зі струмом. потім в енергію магнітного поля.
Розглянемо проходження одного кванта електричного струму по провіднику в два етапи.
Перший етап проходження одного кванта електричного струму на ділянці ланцюга - споживачі струму: перетворення кванта електричного поля провідника в квант гравітаційного поля.
Мал. 2. Перший етап проходження одного кванта електричного струму (ділянка ланцюга - споживача струму) - перетворення кванта електричного поля в квант гравітаційного поля.
До провідника з струмом на ділянці кола - споживачі струму, підводиться зовнішня енергія у вигляді різниці потенціалів або напруги (рис.1). Ця енергія витрачається на те, щоб електрон провідності перейшов з однієї квантової орбіти на іншу. При цьому енергія зовнішнього джерела виділяється у вигляді кванта гравітаційного поля (рис.2).
Пропонований фізичний механізм дозволяє пояснити фізичну природу сили Ампера з позицій близкодействия.
Другий етап проходження одного кванта електричного струму на ділянці ланцюга - споживачі струму: перетворення одного кванта гравітаційного поля в один квант магнітного потоку.
Випромінювань квант гравітаційної енергії (гравітон) на деякій відстані від провідника перетворюється в квант магнітної енергії. Напрямок кванта магнітного потоку визначається правилом правого гвинта (свердлика).
Мал. 3. Другий етап проходження одного кванта електричного струму (ділянка ланцюга - споживача струму) - перетворення кванта гравітаційного поля в квант магнітного поля.
Величина електричного струму в квантової теорії визначається кількістю електронів, які вчинили квантовий перехід. Швидкість руху електричного струму в квантової моделі дорівнює швидкості світла, оскільки визначається швидкістю руху електричного поля уздовж провідника.
На ділянці кола - джерелі струму відбувається зворотний процес.
При вході енергії в провідник з струмом, кванти гравітаційного поля поглинаються валентними електронами. Їх енергія перетворюється в електричне поле провідника і відбувається видача електричної енергії до споживача струму.
Те, що зміна напрямку гравітаційного випромінювання провідника на ділянці ланцюга - джерелі струму і ділянці ланцюга - споживачі струму є, підтверджує тривале існування емпіричних правил правої і лівої руки, що змінюють один одного, наприклад, при переході електродвигуна з режиму споживання електричної енергії в генераторний режим. При цьому відбувається реверс електричного струму, і замість споживання електричного струму (наприклад, від акумулятора) відбувається зарядка акумулятора.
Рис.4. Проходження одного кванта електричного струму на ділянці ланцюга - джерелі струму.
Напрямок струму в квантової теорії електричного струму визначається напрямом передачі енергії по провіднику - від генератора до споживача струму.
Квантова теорія електричного струму має чіткий критерій, що дозволяє відокремити хаотичний рух електронів від електричного струму - при хаотичному русі електронів не випромінює гравітаційна енергія і не утворюється власне магнітне поле провідника. Відповідно до цього критерію можна запропонувати квантове фізичне визначення електричного струму.
Електричний струм - це квантовий процес передачі електричної енергії від джерела струму до споживача струму, пов'язаний з утворенням власного магнітного поля провідника.
Напрямок струму відповідно до квантової фізичної моделлю електричного струму визначається напрямом передачі енергії, тобто від джерела струму до споживача струму. Напрямок руху електронів в цьому процесі не має значення.
Величина електричного струму в квантової теорії визначається кількістю електронів, які вчинили квантовий перехід. Швидкість руху електричного струму в квантової моделі від величини струму не залежить, і дорівнює швидкості світла, оскільки визначається швидкістю руху електричного поля уздовж провідника.
Приведення закону Ампера до коректного фізичній увазі
Квантовий механізм електричного струму передбачає, що електричний струм є більш складним фізичним явищем, ніж зараз описується в електродинаміки. В даний час в електродинаміки фізичний зміст сили Ампера не відомий, тому у формулі, що визначає цю силу, є величини, що не мають фізичного змісту.
«Магнітне поле надає на рамку зі струмом ориентирующее дію. Отже, крутний момент, якого зазнає рамкою, є результат дії сил на окремі аспекти перші її е Лементи. Узагальнюючи результати дослідження дії магнітного поля на різні провідники зі струмом, Ампер встановив, що сила. з якої магнітне поле діє на елемент провідника зі струмом, що знаходиться в магнітному полі, дорівнює
де - вектор, по модулю рівний і збігається за напрямком з струмом, - вектор магнітної індукції.
Напрямок вектора можна знайти за загальними правилами векторного твори, звідки слід правило лівої руки: якщо долоню лівої руки розташувати так, щоб в неї входив вектор. а чотири витягнутих пальці розташувати у напрямку струму в провіднику, то відігнутий великий палець покаже напрям сили, що діє на струм ». [3]
Формула (2), яка визначає силу Ампера фізично не коректна: В векторному добутку вектор не має фізичної природи.
Знаючи квантовий фізичний механізм електричного струму можна привести цю формулу до вигляду, в якому все величини будуть мати фізичний сенс. Для цього потрібно замінити не фізичний величину в векторному добутку формули (2) на фізичну векторну величину. Виведемо її із закону Ома.
Замінюючи у формулі (2), отримаємо:
де - сила Ампера,
- вектор напруженості електричного поля. Цей вектор направлений вздовж провідника і є величиною, що має фізичний сенс.
- вектор магнітної індукції зовнішнього магнітного поля, в яке поміщений провідник зі струмом. Це також величина, що має фізичний сенс.
- електричний опір провідника.
Формула (5) виражає закон Ампера для ділянки кола - споживача струму, приведений до коректному фізичному увазі в рамках класичної електродинаміки. Ліва частина висловлює зміна гравітаційного поля провідника, права - зміна електромагнітного поля. Формулу (10) можна також перетворити для ділянки кола - джерела струму і повного кола електричного струму.
Закон Ампера для ділянки кола - джерела струму виглядає наступним чином:
І для повного кола електричного струму:
Знак (-) перед правою частиною рівняння (6) означає зміну потоку енергії при переході провідника на ділянку ланцюга - джерело струму.
Таким чином, навіть в рамках класичної електродинаміки можна вивести формули для визначення сили Ампера для ланцюга - споживача струму, ланцюги - джерела струму і повного кола. Однак висновок цієї формули не дає фізичного уявлення про електричному струмі.
Для того. щоб зрозуміти фізичну природу виникнення сили Ампера, розглянемо цей фізичний феномен з позицій квантової теорії електричного струму.
Гравітаційна природа сили Ампера
Сила Ампера в квантової теорії електричного струму має гравітаційну природу. Розглянемо механізм її виникнення.
Виділення енергії провідником на ділянці ланцюга - споживачі струму пов'язано зі споживанням зовнішньої енергії від джерела струму.
При виході з провідника, гравітон забирає з собою імпульс руху
де - імпульс виходу Гравітон з провідника,
- швидкість виходу Гравітон з провідника.
При виході декількох електронів з провідника утворюється реактивна сила. спрямована протилежно напрямку виходу Гравітон з провідника.
Процес виходу Гравітон з провідника і його безладне переміщення в результаті реакції на вихід Гравітон можна спостерігати в спеціально поставленому експерименті, при токах порядку А. При великих токах без зовнішнього магнітного поля, відбувається рівномірний розподіл виходу Гравітон на всі боки, і реакції провідника на вихід Гравітон немає.
При проходженні по провіднику струму виділяється кількість Гравітон.
Мал. 2. При відсутності зовнішнього магнітного поля відбувається рівномірний розподіл виходу Гравітон з провідника.
Гравітон, володіючи масою, відмінною від нуля, при виході з провідника набувають імпульс. Цей імпульс, відповідно до третього закону Ньютона, протилежний імпульсу, що отримується провідником. Загальний імпульс Гравітон дорівнює:
де - сумарний імпульс виходу всіх Гравітон.
Зовсім інша картина виходить, якщо провідник з струмом знаходиться в зовнішньому магнітному полі. Зовнішнє магнітне поле буде ускладнювати виникнення магнітного поля провідника з одного боку провідника, і посилювати з іншого боку.
В результаті цього процесу магнітне поле провідника деформується (рис. 3). Оскільки кожному кванту магнітного поля відповідає квант гравітаційного поля, відбувається перекручування гравітаційного поля провідника. В результаті цього процесу виникає сила Ампера.
Мал. 3. Зовнішнє магнітне поле спотворює розподіл виходу Гравітон з провідника і утворює силу Ампера (ділянка ланцюга - споживача струму).
Для опису впливу магнітного поля на вихід Гравітон, потрібно ввести коефіцієнт спотворення гравітаційного поля провідника зі струмом. Рівнодіючу силу імпульсів виходять Гравітон в цьому випадку можна описати формулою:
де - рівнодіюча сила імпульсів виходять Гравітон.
- сума імпульсів всіх Гравітон.
- спотворення симетрії виходу Гравітон, пов'язане з впливом на провідник зовнішнього магнітного поля.
Відповідно до третього закону Ньютона рівнодіюча сила виходу Гравітон врівноважується силою Ампера
І остаточно силу Ампера в квантової теорії електричного струму можна визначити за формулою:
Сила Ампера залежить як від кількості виділилися Гравітон (величини електричного струму), так і від асиметричності їх виходу з провідника (від напруженості зовнішнього магнітного поля).
Напрямок сили Ампера в квантової фізичної моделі електричного струму збігається з емпіричним правилом для визначення сили Ампера на ділянці ланцюга - споживачі струму.
«Правило лівої руки визначає напрямок сили, яка діє на що знаходиться в магнітному полі провідник зі струмом. Якщо долоню лівої руки розташувати так, щоб витягнуті пальці були спрямовані по току, а силові лінії магнітного поля входили в долоню, то відставлений великий палець вкаже напрям сили. діючої на провідник ». [6]
З квантового механізму виникнення сили Ампера видно, що на ділянці ланцюга - джерелі струму сила Ампера змінює свій напрямок (рис. 4). Це відображено в емпіричному правилі правої руки.
«Правило правої руки визначає напрямок індукційного струму в провіднику, що рухається в магнітному полі. Якщо долоню правої руки розташувати так, щоб в неї входили силові лінії магнітного поля, а відігнутий палець направити по руху провідника, то 4 витягнутих пальці вкажуть напрямок індукційного струму ». [6]
Квантова теорія електричного струму дозволяє досить просто пояснити одночасне існування правил лівої руки і правої руки зміною напрямку потоку енергії в повній ланцюга електричного струму.
У разі роботи електричної машини в якості генератора Гравітон поглинаються провідником зі струмом. У разі роботи електричної машини в якості двигуна Гравітон випромінюються.
Мал. 4. Зовнішнє магнітне поле спотворює розподіл входу Гравітон в провідник і утворює силу Ампера (ділянка ланцюга - джерела струму).
Квантова теорія електричного струму вперше дозволила дати пояснення сили Ампера з позицій близкодействия. Квантова теорія електричного струму не суперечить класичній електродинаміки, а тільки її доповнює. Силу Ампера в класичній електродинаміці визначають формули (5) і (7), в квантової теорії - формула (12).
Запис сили Ампера в квантової теорії може бути різна, але сенс сили Ампера як гравітаційної сили відрізняє її від класичної електродинаміки.
ЛІТЕРАТУРА
1. Фейнмановские лекції з фізики. М. Изд. Світ, 1976.
2. Корольов Ф.А. Курс фізики. Оптика, атомна і ядерна фізика: Учеб. п особливий для студентів фіз.-мат. фак. пед. ін-тів. 2-е изд. перераб. М. Просвітництво, 1974.
4. Ландау Л. Д. Ліфшиц Е.М. Квантова механіка. Нерелятівістская теорія, 3 вид. М. 1974.
6. Радянський енциклопедичний словник. М. «Радянська енциклопедія.» Тисяча дев'ятсот вісімдесят п'ять.