Современная физика для описания полупроводников использует следующую модель. Примеси и дефекты делятся на доноры и акцепторы. Доноры отдают в объём полупроводника избыточные электроны и создают таким образом электронную проводимость (n-типа). Акцепторы захватывают валентные электроны вещества, в которое они внедрены, в результате чего создаются дырки и возникает дырочная проводимость (р-типа) Но реалиям природы эта модель не соответствует.
Ведь генератор Вимшурста
свидетельствует, что электроны бегать никуда не могут: противоположные стороны диска соединены проводником. И если бы они могли бы бегать, то перебегая по проводнику они не смогли бы подавать на лейденские банки ни плюса, ни минуса. Т.е. знак заряда определяется направлением движения электронов вокруг протонов с нейтронами и направлением их вращения.
Следовательно при легировании полупроводников нет ни доноров, ни акцепторов. Как же в этом случае работают легированные полупроводники? Вспомним о механизме диффузии. Диффузия идёт не по границам кристаллических зёрен, а через их объём, являющимся вихрем Бенара. Любой вихрь Бенара периферией затягивает в свои пределы инородные объекты, выбрасывая их хоботом. Легирование же полупроводников осуществляется малыми добавками. Т.е. не все кристаллики облагодетельствованы примесями (учтём, что в процессе участвуют не отдельно взятые атомы примеси, а внешние для атомов анаполи). Следовательно максимум что находятся в отдельно взятом кристаллике (в вихре Бенара) полупроводника это одиночный внешний анаполь атомов примеси.
Скажем для кремния современные руководства рекомендуют: Дырочная проводимость достигается введением акцепторов, т.е. элементов III группы – Аl или В. Электронная проводимость – введением доноров элементов V группы – Аs или Sb. Но если сами электроны не могут бегать туда и сюда, то каким же образом возникают плюс (дырочная проводимость) при введении акцепторов и минус (электронная проводимость) при введении доноров?
Если обычные силы работают только с периферией вихря Бенара, то электрические и магнитные силы имеют более универсальный характер: они проникают и внутрь вихря. Вспомним, что позитроны в вихре Бенара протона на периферии формируют плюс, а в хоботе минус. Внешние же для атомов анаполи формируются движением электронов внешнего кольца атомов вокруг протонов с нейтронами. Из внешних анаполей формируется вихрь Бенара (кристаллик), в хоботе которого электроны внешних анаполей бегают вокруг протонов с нейтронами в одном направлении (формируя плюс), а на периферии бегают в противоположном направлении (формируя минус). И это положение соблюдается как для основного вещества, так и для примесей.
В электрическом же и в магнитном поле доноры и акцепторы ведут себя по разному. Для электрического и для магнитного поля нет ни периферии, ни хобота. Скажем в идеально чистом кремнии при наложении поля может ускориться только выбрасывание внешних анаполей из хобота. Хобот же выбрасывает внешние анаполи, движение электронов в которых создаёт плюс, т.е. для чистого кремния реализуется псевдо дырочная проводимость. Превышение выброшенных из вихря внешних анаполей над стационарным значением и создаёт проводимость самого полупроводника. Легировали мы кремний массивным донором. Создаваемая им величина центробежной силы велика. И он имеет прекрасную возможность вырваться из объятий вихря на периферии, сохранив её направление вращения, что и формирует минусовую проводимость. Легировали мы кремний легковесным донором. Создаваемая им центробежная сила относительно мала. И у него нет шансов выскочить из периферии, но зато у него велики шансы расстаться с вихрем на выходе из хобота, формируя плюсовую, т.е. дырочную проводимость.
Но если это так, то и в генераторе Вимшурста мы должны иметь подобную же картину. Мишурными щётками мы создаём на поверхности пластин трение скольжения. Сила трения скольжения в одном случае направлена по направлению движения периферии, а в другом случае против направления её движения. А по правилу прецессии в первом случае, увеличивая скорость движения периферии, мы будем уменьшать её скорость вращения, а во втором увеличивать. Увеличение скорости вращения периферии сопровождается ростом центробежной силы, что вынуждает периферию расставаться с внешним анаполем, что и сопровождается появлением минуса, состояние которого и передаётся на лейденскую банку. При уменьшении скорости вращения уменьшается центробежная сила и увеличивается разница между центростремительной и центробежной силами. Естественно хобот выбрасывает внешний анаполь, в котором электроны вращаются в направлении, создающем плюс.
Т.е. действительно электроны изменяют направление движения и направление вращения. Но создаётся это только выкидыванием внешнего анаполя из пределов вихря Бенара (кристаллика). Убрали мы пластины в видике "Где хранится заряд в конденсаторе". Напряжение на пластины не подаётся. Кристаллики металла оказались в неравновесном состоянии: нарушено соотношение между центростремительной и центробежной силами. Но в межкристаллическом (в межвихревом) пространстве существует избыток внешних анаполей, который поглощается периферией вихрей, восстанавливая статус кво.
Ведь в поверхностном слое образца вихри Бенара в основном лежат на боку и ориентированы хаотически. Поэтому и внешние анаполи, выбрасываемые хоботами вихрей, также имеют хаотическое распределение. И окружности, по которым бегают анаполи, ориентированы произвольно, в связи с чем в каком бы направлении мы ни приложили бы напряжение, всегда найдутся окружности, по которым электроны двигаются в нужном направлении. Сняли напряжение и нужные внешние анаполи для уничтожения заряда всегда найдутся и будут поглощены перифериями соответствующий вихрей.
И тут же возникает вопрос. А что лежит в основании явления вихревых токов Фуко? Меня нисколько не удовлетворяет механизм их возникновения, изложенный в википедии. В соответствии с правилом Ленца вихревые токи протекают внутри проводника по таким путям и направлениям, чтобы своим действием возможно сильнее противиться причине, которая их вызывает. Эмпирическое правило
это не описание механизма формирующего явление.
В гидродинамике течение среды по поверхности твёрдого тела создаёт на ней систему парных вихрей Тейлора, двигающихся и вращающихся в противоположные стороны в направлении перпендикулярном направлению течения. Ведь правило прецессии действует на систему вихревых объектов и формирует противодействующую силу в перпендикулярном направлении. А т.к. это не одиночный вихревой объект, а их система, то и возникает пара противодействующих сил, действующих в противоположных направлениях, которые и создают систему вихрей Тейлора со структурой.
Приложили мы к проводнику магнитное или электрическое поле. Поле действует на хаотически ориентированную систему вихрей Бенара, составленную из внешних для атомов анаполей. Хоть это и не одиночный вихревой объект, а система из вихревых объектов, но в ней также как и в гидродинамическом случае работает правило прецессии. Но в гидродинамическом случае вихри Бенара непрозрачны для силы трения, что и вынуждает создавать пару противодействующих сил. В случае же электрического или магнитного воздействия те же самые вихри Бенара уже прозрачны для поля.
А т.к. вихри Бенара прозрачны для электрических и для магнитных сил, то система вихрей формирует уже не пару противодействующих сил, а одиночную силу, имеющую направление, совпадающее с направлением движения периферии вихрей Бенара из внешних анаполей. Соответственно эффект Холла
для парамагнетиков даст один результат, а для диамагнетиков даст противоположный результат. Ведь под действием магнитного поля в образце возникнет магнитное поле в одном случае, совпадающее с направлением внешнего поля, а во втором случае противоположное внешнему полю, что и обеспечит разные результаты. Кстати, подобное же явление возникнет и в случае, если мы полупроводник будем легировать донором, либо акцептором.
Но мы уже знаем, что поверхность проводника в основном сформирована из вихрей, лежащих на боку. Их же хаотическое распределение сопровождается примерно одинаковым числом вихрей, расположенных перпендикулярно приложенному электрическому или магнитному полю, но противоположных двух другу. И по идее вроде бы ни плюс, н минус в этом случае преимуществ иметь не будет: вроде бы под действием поля и хоботы, и периферии должны терять примерно одинаковое число внешних анаполей. Но существует маленькое НО-О.
Противодействующая сила, действующая перпендикулярно приложенному полю, в одном случае увеличивает скорость движения периферии, а в другом уменьшает. Уменьшение скорости движения периферии вихря, увеличивает скорость её вращения, что увеличивает и величину центробежной силы. Это способствует выбросу внешних анаполей из периферии вихря. Увеличение же скорости движения периферии уменьшает скорость её вращения, что автоматически увеличивает разницу между формируемой вихрем центростремительной силой и центробежной силой. Это изменение разности между силами и создаёт избыток внешних анаполей, выбрасываемых из хобота. Иными словами, в одном случае работает непосредственное изменение скорости вращения внешних анаполей, а во втором случае работает разница между формируемыми вихрем силами. Поэтому и движение электрического тока по проводнику и имеет знак минус, что определяется периферией вихря. А т.к. мы имеем дела с внешними анаполями, то явление и имеет вихревой характер токов Фуко.
Но как мы выяснили, при этом возникают как внешние анаполи, создающие минус, так и внешние анаполи создающие плюс. Если же есть возможность, то природа предпочитает порядок, а не хаос. Поэтому в направлении перпендикулярному приложенному напряжению формируется система вихрей, но уже не вихрей Тейлора как в гидродинамическом случае, а вихрей Бенара (ведь формируются внешние анаполи с противоположными направлениями движения и с противоположными направлениями вращения). Сразу надо отметить, что создаваемые вихри Бенара в отличие от стационарных вихрей (кристалликов) являются динамическими структурами (т.е. также вихрями Бенара, но уже не теми вихрями). Динамические же вихри Бенара не могут существовать без подпитки энергией. Т.к. они двигаются перпендикулярно приложенному напряжению, то оно не может поделиться с вихрями энергией. И вихри разрушаются, преобразуя свою кинетическую энергию в тепло.
Но кроме постоянного тока существует ещё и ток переменный. Какой же механизм лежит основе этого явления? Вновь вернёмся к рассмотрению генератора Вимшурста.
Мишурные щётки создали на пластинах плюс или минус и это состояние движения электронов вокруг протонов с нейтронами внешнего анаполя сохраняется до встречи пластины с противоположной щёткой. Электроны не являются солдатами на плацу, разворачивающимися по команде для движения в обратном направлении. Плюсы и минусы должны спрятаться в стационарные вихри Бенара из внешних анаполей (т.е. в кристаллики), которые переходят в нейтральный статус. И только затем изменить на пластине знак заряда.
А т.к. мы имеем дело с динамическим вихрем Бенара, то и этот процесс также имеет вихревой характер. Разновидностью же вихря Бенара является анаполь. Но анаполь является стабильным образованием. В этом же процессе мы имеем дело с нестационарным объектом. В честь Геннадия Николаева, открывшего это явление, назовём его АНИКОЛЕМ (а-николь, соответственно изменив цвет рисунка).
В аниколе переходя с внутренней стороны тора на его наружную сторону мы изменяем и направление вращения (движение вверх меняем на движение вниз).
Если в генераторе Вимшурста мы имеем дело с дискретным случаем, то в переменном токе соблюдается непрерывность перехода с плюса на минус и обратно. А мы только что выяснили, что в токе из внешних для атомов анаполей создаются динамические вихри Бенара, двигающиеся перпендикулярно приложенному напряжению, со строгой периодичностью разрушающиеся только для того, чтобы возникнуть вновь. В постоянном токе динамические вихри обладают стабильными параметрами. В переменном же токе ситуация иная. Динамические вихри Бенара из внешних анаполей всё так же создаются, но их энергия является величиной переменной. И более того хотя динамические вихри Бенара из внешних анаполей не изменяют своего направления движения, но зато они изменяют направление вращения: т.е. периферия вихря в одном полупериоде вращается в одном направлении, а в другом полупериоде в противоположном (следовательно плюса они не создают: в отличии от генератора Вимшурста сами вихри переменного тока не двигаются в противоположном направлении).
В гидродинамическом случае сверхтекучесть создаётся тогда, когда вихри направляются в направлении движения потока. В электродинамике также можно создать условия, в которых вихри также будут двигаться в направлении приложенного напряжения. При этом мы можем воспользоваться подсказкой природы. Скажем в Бащелакских озёрах угол склона
позволяет сформировать вихри. Скорость перевода крыла стрижа
также формирует вихри. И даже наше сердце создаёт вихри скоростью открытия и закрытия клапанов. Иными словами, для создания вихрей на постоянную составляющую движения накладываются импульсы с тем или другим углом наклона. Подобную же технологию можно использовать и для создания сверхпроводящего состояния тока.