1.3.1. В своем “Трактате об электричестве и магнетизме” (5 -3552) Максвелл, анализируя природу кинетической энергии тока, пишет:
“Таким образом, оказывается, что СИСТЕМА, содержащая электрический ток, является вместилищем энергии некоторого рода, и поскольку мы можем мыслить электрический ток только в качестве явления кинетического характера, его энергия должна быть кинетической энергией, т.е. энергией, которой обладает движущееся тело вследствие своего движения.
Мы уже показали, что электричество внутри проводника нельзя рассматривать в качестве того движущегося тела, которое является носителем этой энергии, так как энергия движущегося тела не зависит от чего-нибудь внешнего, а между тем присутствие посторонних тел вблизи тока изменяет его энергию...
Мы приходим, таким образом, к вопросу, нет ли какого-либо движения, происходящего вне проводника, в пространстве, которое не занято электрическим током, но в котором обнаруживаются электромагнитные действия тока.
Я не буду сейчас входить в обсуждение причин, в силу которых это движение можно было бы отнести к одному месту скорее, чем к другому, или давать предпочтение одному роду движения перед другим.
Что я предлагаю теперь сделать, это — рассмотреть следствия, вытекающие из предположения, что явления электрического тока представляют собой явления некоторой движущейся СИСТЕМЫ, причем движения передаются от одной части системы к другой посредством сил, природу и законы которых мы еще даже не пытаемся определить...”
Взаимоотношения между током и пространством наглядно Максвелл рисует в “Избранных сочинениях” на примере маховика:“...Связь между током и окружающим его электромагнитным полем заключается в том, что ток наделен известным количеством движения совершенно таким же образом, как связь между точкой передачи машины и маховиком наделяет ТОЧКУ ПЕРЕДАЧИ добавочным количеством движения, которое может быть названо количеством движения маховика, ПРИВЕДЕННЫМ к точке передачи. НЕУРАВНОВЕШЕННАЯ в машине сила, действующая на точку передачи, увеличивает это количество движения и может быть измерена степенью увеличения”. (2)
При прохождении электрического тока по проводнику электрон не отрывается от ядра в свободный полет, а при воздействии фронта магнитной составляющей волны от ближайшего атома передается импульсное «возмущение», происходит возбуждение системы ядро-электрон. Вследствие этого в условиях воздействия переменного тока происходит ориентирование собственного магнитного момента электрона (спина), которое воздействует на электроны последующих атомов. При этом за счет силы индукции ядра и совершения обратного полупериода электрон вновь возвращается на стационарную орбиту и таким образом электромагнитная волна распространяется по проводнику. Сумма электромагнитных моментов электронов как раз и фиксируется в проводнике в виде магнитного потока Ф и силы тока I.
… М→ е →М→е… …Ф→ I→Ф→I→Ф→I→Ф→I
Фо= πe , где Фо – квант магнитного потока , е- электрический заряд
При переменном токе происходит «раскручивание» орбиты валентного электрона с одновременной передачей магнитных моментов волны вдоль электрической цепи по спирали, а при постоянном токе происходит передача момента импульса в цепи и поляризация участков цепи на контактах активной нагрузки (по типу закручивающееся пружины). Передача энергии импульса происходит на границе сред. Аналогично происходит поляризация магнитных моментов атомов при импульсном воздействии тока на магнитном проводнике реактивной нагрузки.
На границе сред, в случае не совпадения радиусов орбит валентных электронов (квантовые числа n– разные) переменный ток воздействует на электроны встречной среды ударно фронтом полуволны, и в зависимости от этого передается либо тормозящее воздействие, либо ускоряющее.
Учитывая определенную структурированность взаимодействия атомов в однородном веществе при отсутствии внешних электромагнитных полей для соответствующей ориентации, иными словами протекания тока в проводнике, требуется совершение определенной работы. Источником тепловой энергии (инфракрасных волн) при прохождении электромагнитной волны в естественных условиях являются электроны атомов, имеющие отличный от волны магнитный момент и магнитный импульс волны совершает дополнительную работу по ориентированию. То есть в обычных условиях без потерь передают волну только «правильно» ориентированные атомы (орбитали валентных электронов), остальные атомы рассеивают энергию волны в виде инфракрасных волн.
Давно уже пора отказаться от привычного и ошибочного учения о движении электронов в проводнике, а уж тем более т.н. «дырок».Это первый уровень резонансного электромагнитного взаимодействия в макромире – электрический «ток» в веществе.
1.3.2. Сверхпроводимость при охлаждении материалов возникает при совмещении частоты передающей электромагнитной волны с резонансной частотой валентных электронов атомов материала. Для получения сверхпроводимости при нормальных температурах необходимо передавать электроэнергию на резонансных частотах или импульсами одной полярности на этих частотах в условиях единой магнитной ориентации атомов.
Различия в значениях электрического сопротивления металлов обусловлено различными физическими свойствами атомов и молекул вещества, а также типом кристаллической решетки (разным коэффициентом компактности). При расплаве металлов сопротивление у металлов увеличивается, что обусловлено разрушением кристаллических решеток. Т.е. для уменьшения сопротивления необходимо уменьшить расстояния между атомами (определяемыми орбитами электронов) и обеспечить наибольший коэффициент компактности.
Типы кристаллических решеток важнейших
металлических элементов
Металл ρ, 10−6Ом·м
Алюминий 0,0271
Висмут 1,2
Вольфрам 0,055
Железо 0,098
Золото 0,024
Иридий 0,0474
Медь 0,0172
Молибден 0,054
Никель 0,087
Платина 0,107
Свинец 0,205
Серебро 0,016
Титан 0,5562 - 0,7837
Цинк 0,059
Значения даны при температуре t = 20° C. Сопротивления сплавов зависят от их точного состава и могут варьироваться (1)
Как видно из таблиц, чем больше компактность , тем выше проводимость материала и соответственно, чем выше аморфность вещества, тем больше сопротивление.
При охлаждении атомов уменьшается частота обращения электронов, а длина дебройлевской волны увеличивается λ=h/meυ, где h— постоянная Планка. Электроны занимают наименьшие по потенциалу энергетические орбитали. Собственные магнитные моменты импульса – спины - выравниваются и вся группа атомов (орбиталей) начинает вести себя как единое целое. Или можно сказать, что происходит некоторая естественная синхронизация магнитных моментов. Система приобретает наименьшее энергетическое состояние. Передача электромагнитной волны происходит в этом случае без потерь на разных частотах. А постоянный ток «ищет» границу раздела сред. В замкнутом однородном проводнике вся энергия электронного импульса переходит в энергию магнитного поля возвращающего энергию электрону в противофазе. Магнитное поле сверхпроводника становится однородным. (См. Эффект Мейсснера)
Сверхпроводимость при нормальных температурах возможна при наличии высокого электрического потенциала и резонансной частоты (нормальных колебаний) передаваемой электромагнитной волны или однополярных импульсов (кратной, квантуемой с нормальными колебаниями валентных электронов). При наличии высокого потенциала происходит предварительное ориентирование магнитных моментов атомов (орбиталей валентных электронов) в веществе и при прохождении электромагнитной волны не требуется тратить дополнительную энергию на это ориентирование (см. опыты и патенты Н.Теслы).
Таким образом определяющими параметрами при передаче электрической энергии в средах является состояние среды (коэффициент компактности), степень «насыщенности» валентными электронами, потенциал и частота. Передающими элементами в материальной среде выступают валентные электроны атомов.
Это второй уровень резонансного электромагнитного взаимодействия в макромире – в структуре и способности вещества становиться «одним целым», и переходу к возможности «ударного» взаимодействия.
1.3.3. Для понимания единой системы физических законов природы проведем аналогию с распространением ультразвука в средах. Несмотря на разный характер электромагнитных и звуковых волн аналогия весьма существенна:
Нижней границей ультразвукового диапазона называют упругие колебания частотой от 18 кГц. Верхняя граница ультразвука определяется природой упругих волн, которые могут распространяться только при том условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул (в газах) или межатомных расстояний (в жидкостях и газах). В газах верхний предел составляет 106кГц, в жидкостях и твёрдых телах 1010кГц. Как правило, ультразвуком называют частоты до 106кГц. Более высокие частоты принято называть гиперзвуком.
Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности. Вот основные из них:
Малая длина волны. Для самого низкого УЗ диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя УЗ распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, УЗ пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие..(3)
Таким образом ультразвук имеет существенные отличия в физических свойствах от других в звуковом диапазоне частот. Аналогично изменение свойств и электромагнитных волн по мере роста частоты.
Так как средой распространения звука (упругих волн) является само вещество, то верхнюю частотную границу звуковых волн определяют межмолекулярные связи, в то время, как верхнюю границу низкочастотных электромагнитных колебаний или импульсов в проводнике определяет уже размерность и расположение зоны проводимости молекул вещества. С оговоркой, что перемещения электронов во всем объеме проводящего ток тела не требуется, можно привести следующее определение:
«Согласно постулатам Бора в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения (также говорят, что электрон находится на одной из орбиталей).
В случае нескольких атомов, объединенных химической связью (например, в молекуле), электронные орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном количеству атомов, образуя так называемые молекулярные орбитали. При дальнейшем увеличении системы до твердого тела, количество орбиталей становится очень велико, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой, энергетические уровни расщепляются до двух практически непрерывных дискретных наборов - энергетических зон. Энергетическая зона, содержащая энергии электрона, находящегося ближе к ядру атома, называется валентной зоной, дальше от ядра - зоной проводимости(1). В проводниках зона проводимости и валентная зона перекрываются.
Физические свойства волн изменяются по мере изменения частоты колебаний. Возможности «ударного» взаимодействия постепенно ослабевают, а резонансного растут по мере «проникновения» в микромир.
1.4. Изменение свойств электромагнитных волн в физическом вакууме
По мере роста частоты свойства электромагнитных волн меняются. При длине волны меньше 10² см. использование проводников теряет актуальность, предпочтительной проводящей средой становится Ф. Вакуум. Волны сохраняют только лучевой характер распространения.
«По длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн. Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз.»
«Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического E (t) и магнитного полей H(t), определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды. Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу».(1)
Использование понятия «квантовая природа», «квантование» в толковании, как «резонансная природа» и «резонансные взаимодействия» позволяет применять определения квантовой физики без существенных изменений.
Продолжение безусловно следует...
Литература:
1. Википедия.
2. Д. Максвелл "Трактат об электричестве и магнетизме" , М. Наука, 1989.
3. «Ультразвук» Энциклопедия под ред. И.П.Голяминой, М. 1979