Нет, я не пытаюсь объявить теории проводимости мифом! И не пытаюсь подвергнуть их сомнению. Речь пойдет о том, как незнание и непонимание приводят к появлению мифов, теорий заговора, альтернативной науки. Подверг сомнению теорию проводимости мой оппонент, в комментариях к старой статье.
Вот это и используем в качестве наглядного примера. Ведь всегда интересно разбираться на конкретном наглядном, а не абстрактном, примере.
Научные мифы, альтернативная наука, и их создатели
Не секрет, что встречаются люди, которые уверены в ошибочности науки официальной. Как правило, при этом просто выхватывается фрагмент теории или какой-то частный случай, который, по мнению таких людей, интерпретируется неправильно. К нему могут добавляться фрагменты других теорий. Потом выдергивается формула, в которую подставляются некие данные, что бы результат подтверждал их умозаключения. Вот это результат и предъявляется общественности как неоспоримый факт найденной в официальной науке "ошибки".
Конечно, ошибиться может каждый. Да и в истории науки есть немало примеров ошибочных теорий и представлений. Но ошибки со временем исправляются, а неполные или неточные теории уточняются. Но в науке принято аргументировать свою точку зрения, доказывать свою правоту. А вот мифотворцы и сторонники альтернативной науки (альтернативщики) доказательствами себя утруждать не любят.
Если человек просто ошибся или заблуждается, то можно просто указать на причину ошибки и пояснить, в чем ее суть. Человек задумается, разберется, признает, что был не прав. Инцидент исчерпан. Но мифотворцы отказываются признавать ошибки, а доказать свою правоту не могут. Чаще всего, дело ограничивается лишь парой примеров. А дальше начинается крик, что их не понимают, что "злые" ученые цепляются за свой авторитет или намеренно скрывают от людей правду.
Доказать что-либо мифотворцам и альтернативщикам просто невозможно. Они отказываются воспринимать все, что противоречит их точке зрения. Дискутировать с ними просто бесполезно, я пытался неоднократно.
Пару дней назад в комментариях к статье о физике проводимости началась дискуссия. Причем сначала было не очевидно, что это из серии альтернативной науки или научных мифов.
Миф: "скорость направленного движения электронов в проводнике с током гораздо выше указываемой в учебниках"
В этот раз под удар оппонента попала классическая, она же кинетическая, теория проводимости.
Я буду использовать термин "оппонент". Не потому, что я не уважаю собеседника. Просто ник (псевдоним) в Дзен можно сменить и бывает сложно сопоставить цитату с конкретным человеком.
Конечно, классическая теория проводимости далеко не идеальна. Она весьма упрощенная и использует далекие от реальности происходящих процессов механистические представления. Но она позволила описать и предсказывать происходящее в экспериментах.
Что металлы имеют кристаллическую структуру уже было известно. В узлах кристаллической решетки размещались атомы, как некие шарики. Таково было представление. После выяснения, что за проводимость металлов отвечают именно электроны, было выдвину предположение, что электроны проводимости можно рассматривать как свободные, которые ведут себя подобно молекулам идеального газа. При этом электроны тоже представлялись в виде шариков.
В отсутствии тока электроны-шарики двигались свободно и хаотично, а их средняя скорость определялась исходя из кинетической теории газов. Эта скорость большая, примерно 10^5 м/с. Под воздействием внешнего электрического поля электроны начинали двигаться и вдоль оси проводника, направленно. Но тепловое движение при этом сохранялось. То есть, движение электронов оставалось хаотичным, но в нем появлялась направленная вдоль оси проводника составляющая.
Без электрического поля положение электронов, в среднем, не изменялось. Они "танцевали" на одном месте. Но под действием внешнего электрического поля начинали перемещаться, дрейфовать, вдоль оси проводника. Средняя скорость такого направленного движения назвали дрейфовой скоростью движения электронов во внешнем электрическом поле.
Дрейфовая скорость на много порядков меньше тепловой. Она зависит от напряженности электрического поля, но на много порядков меньше тепловой скорости. Зато все электроны проводимости движутся направлено, а их совокупное движение и создает электрический ток.
Вот именно малую дрейфовую скорость мой оппонент и объявил ошибочной. Привожу цитату из его первого комментария:
То есть, оппонент считает, что дрейфовая скорость выше следующей из теории примерно на 10 порядков. Никаких теоретических обоснований такому своему выводу он не дает, только маленький пример и краткое описание того, что он рассматривал. Из дальнейшей дискуссии часть деталей прояснилась, но этого совершенно недостаточно.
Как же оппонент пришел к такому выводу? Раз он сам никак свою точку зрения не обосновывает и ход мыслей не раскрывает, попробуем разобраться самостоятельно. Это будут мои предположения, но они вряд ли окажутся слишком далекими от реальности.
Итак, прежде всего оппонент поставил под сомнение, что ток образуют свободные электроны. Вообще говоря, это электроны проводимости, которые лишь рассматриваются как свободные. Это вносит неточность, но принципиально ничего не меняет.
В металлической кристаллической решетке атомы в узлах расположены очень плотно, поэтому каждый атом оказывается в достаточно сильном поле своих соседей. Потенциальный барьер между атомами при этом уменьшается не только по ширине, но и по высоте. Волновые функции соседних атомов перекрываются настолько сильно, что электроны образуют электронное облако почти равномерной плотности. И именно это создает условия для возможности перехода электронов от одного атома к другому.
Такая возможность перехода существует лишь для электронов на внешних, заполненных лишь частично, оболочках. То есть, для валентных электронов. Именно такие электроны и называются свободными. А совокупность свободных электронов и называется электронным газом.
Появление такой свободы перемещения электронов между атомами, какова бы ни была степень этой свободы, приводит к невозможности определение принадлежности электрона какому-либо атому. Можно считать, что электрон принадлежит не атому, а кристаллу в целом. Это называют коллективизацией электронов. Свободные электроны действительно распределены по кристаллу равномерно. То есть, и по проводнику в целом.
То есть, наличие и распределение свободных электронов, которые обеспечивают проводимость металлов, определяется структурой атомов и кристаллической структурой металлов. Это совсем другие области физики, а не теория проводимости. Таким образом, оппонент подвергает сомнению, или вовсе отрицает, и эти разделы.
Но нам гораздо интереснее разобрать собственно пример, который приводит оппонент. А он говорит о двухпроводной линии электропередач. Причем приводит некоторые ее параметры:
- Напряжение в линии 100 кВ
- Радиус каждого проводника 10^-2 м (1 см)
- Расстояние между проводниками 5 м
Зачем это надо? И что за избыточная линейная плотность заряда? Если честно, я не сразу догадался. И это весьма интересно, так как хорошо демонстрирует непонимание теории оппонентом.
Итак, электрический ток это направленное движение зарядов. В линии электропередач протекает электрический ток. Как связать ток зарядом, откуда взять этот самый заряд? Линия электропередач передает энергию от источника (причем не важно, что это за источник) к потребителю (не важно, что это за потребитель). Оппонент почему то не смог связать перемещаемый заряд с током, потребляемым нагрузкой (потребителем). Вместо этого он решил, что перемещается некий "избыточный заряд", который зависит от напряжения линии, радиуса проводников, расстояния между проводниками.
Вам это ничего не напоминает? Да, именно так, оппонент использовал емкость двухпроводной линии для вычисления заряда. С его точки зрения перемещается именно этот заряд, что абсолютно неверно! Но давайте посчитаем, что бы убедиться, что наше предположение верное. Емкость двухпроводной линии, когда радиус проводников много меньше расстояния между ними, вычисляется по такой формуле
Если точнее, это емкость пары уединенных проводников, так как для двухпроводной линии (хоть связи, хоть электропередач) нужно учитывать и емкость проводников относительно Земли (планеты). Поскольку это расстояние нам не указали, будем считать для уединенной лини. Погонная, на единицу длины, так как общая длина линии не известна, емкость получается равной примерно 4,48*10^-12 Ф/м или 4,48 пФ/м.
Вот для такой емкости, для отрезка линии длиной 1 м, оппонент и вычислил заряд конденсатора исходя из его емкости и напряжения между обкладками (в нашем случае, между проводниками) по формуле связывающей напряжение между обкладками конденсатора и его заряд. Мы получим величину заряда 4,48*10^ -7 Кл/м. Результат одного порядка, но в два раза меньше, чем у оппонента. Подозреваю, что он просто умножил вычисленный результат на 2, так как проводника два. И это тоже неверно.
Но дальше еще хуже. Для вычисления дрейфовой скорости электронов оппонент просто разделил ток на заряд... Знаете, почему он так сделал? Смотрите
При этом я не исключаю, что он использовал куда более простые формулы из школьного учебника физики. Те самые, в которых скорость это расстояние деленное на время, а ток это заряд, прошедший через поверхность, деленный на время.
Поскольку dx=1 м, он и посчитал, что дрейфовая скорость это просто ток деленный на заряд. Какие такие теории проводимости, какие такие свободные электроны, какие квантовые теории, какая длина свободного пробега или время релаксации... Любой электрон просто обязан пройти путь в 1 м. Причем не испытав ни одного соударения, как предусматривает классическая теория проводимости. Да и другие теории ведь не предусматривают беспрепятственного движения электрона в кристалле проводника. А у оппонента просто какая то труба или сверхпроводник. Полное отрицание всех теорий проводимости, явлений и процессов в реальном проводнике...
Он перепутал причину и следствие. Пройденное в единицу времени расстояние будет определяться скоростью движения электронов, которая зависит от многих факторов, а не наоборот. Определяющим является не расстояние, а скорость. И величина перемещающегося заряда определяется совсем не напряжением линии (напряжением источника), а протекающим током, плотностью тока в проводнике. Я опущу математические преобразования. Дрейфовая скорость, согласно классической теории проводимости, определяется так
Вот эта скорость и будет определять величину перемещения электрона. И эта скорость на много порядков меньше, чем "вычисленная" оппонентом. И из этой формулы видно, что движется не отдельный электрон, а совокупность электронов, электронный газ. Все электроны одновременно.
Поскольку количество свободных электронов в проводниках велико (для меди порядка 8.4*10^28 свободных электронов в 1 кубическом метре), величина переносимого заряда будет очень большой даже при малом перемещении электронов. Так для 100 А, что указывал оппонент, будет перемещаться 100 Кл/с через поперечное сечение проводника. И эта величина не зависит от длины проводника. Оппонент использовал совсем не тот заряд в своих умозаключения. Это принципиальная ошибка.
Хорошо видно, что дрейфовая скорость зависит от напряженности электрического поля, чем выше напряженность, тем выше скорость. Но откуда взять величину напряженности поля? Напряжение линии электропередач (100 кВ) здесь не подходит. Напряженность электрического поля будет равна падению напряжения на проводнике, которое создается протекающим током, деленному на длину проводника. Падение напряжения зависит не только от силы тока, но и от удельного сопротивления (или проводимости) материала проводника. При этом совершенно не важно, каково напряжение источника. Важен только ток в проводнике, материал проводника, сечение проводника.
Самое интересное, что оппонент это понимает
Вы можете сами рассчитать скорость направленного движения электронов в линии электропередач по условиям задачи оппонента и убедиться, что она на много порядков ниже, чем заявляет оппонент.
Но понимает происходящее оппонент видимо не всегда. Я задал оппоненту вопрос "При чем тут расстояние между проводниками?" И получил просто шокирующий ответ
Я оставлю за скобками тот факт, что оппонент понемногу начинает хамить. Но он упорствует в непонимании того, какой именно заряд перемещается в проводнике. Он упорно продолжает считать, что все определяет лишь емкость между двумя проводниками. То есть, нам достаточно изменить взаимное расположение проводников, смять их в комок (если они изолированы), смотать в катушку, как изменится сила протекающего через проводники тока. Причем тока постоянного! Он не понимает, что ток это заряд деленный на время, а значит, изменение заряда это и изменение тока. И вот мне его действительно жаль, так как для него тайной является почти вся физика.
Но ведь и это еще не все! Дальше он приводит второй пример, которым пытается объяснить выбор такого высокого напряжения в первом примере
Вы можете понять, как скорость электронов может стать "много больше" при той же величине протекающего тока и параметрах проводника? Даже если исходить из умозаключений оппонента, то уменьшение напряжения в 100000 раз во столько же раз уменьшит величину заряда конденсатора. Ведь заряд конденсатора равен емкости умноженной на напряжение. А об изменении других параметров линии, кроме снижения напряжения, не сказано ни слова. Оппонент начинает путаться в показаниях... И по прежнему упорствует в своих заблуждениях
Да, падение напряжения на проводнике определяет и напряженность электрического поля, тут все верно. Но вот плотность свободных электронов это свойство проводника и от тока не зависит, равно как и от напряжения! А плотность тока равна силе тока деленной на поперечное сечение проводника. Именно сила тока определяет величину заряда, количество электронов, который должен пройти через поперечное сечение проводника. Но раз оппонент с самого начала отрицает, что ток это движение свободных электронов, он продолжает оперировать своими ложными представлениями. И слушать ничего не желает. Сколько бы раз его не "информировали" об ошибке.
Но интересно и другое - оппонент отказывается признавать, что в теории проводимости рассматривается лишь фрагмент проводника с током, чистый случай, который исключает влияние все прочих факторов
То есть, он отказывается рассматривать физические процессы в проводнике отдельно от полной цепи. И то, что мы можем заменить все элементы цепи, кроме одного проводника, на величину протекающего через проводник тока, он тоже отрицает. Замена элементов внешней цепи эквивалентным источником тока/напряжения отрицается оппонентом напрочь! Бедные физика и ТОЭ, электроника... Ведь в них эквивалентные схемы используются повсеместно. Причем все это прекрасно согласуется с практикой в реальных устройствах, сетях, экспериментах. Мне уже очень хочется узнать, где оппонент учился...
И он таки сознался, что мои предположения о его умозаключениях довольно близки к истине
Видите слова про "зависимость линейной плотности заряда от логарифма отношения расстояния между проводниками к радиусу проводника"? Это ведь о той самой формуле емкости двухпроводной линии, которую он взял за основу. И он действительно считает, что геометрические параметры влияют на плотность зарядов, которые и создают ток (перемещаются электрическим полем). И я действительно знаю эту формулу. Но могу еще раз, с абсолютной уверенностью, сказать, что оппонент просто не понимает своих принципиальнейших ошибок. И не знает физику.
Антинаучно здесь утверждение, что необходимо использовать "линейную плотность заряда по величине потенциала второго провода". Антинаучно отрицание структуры атома и влияния кристаллической решетки металлов на возможность существования свободных электронов, которые я обеспечивают протекание тока. Антинаучна сама упертость и нежелание признавать собственные принципиальнейшие ошибки, нежелание просто услышать, что говорят другие и задуматься над этим. Антинаучно нежелание четко и аргументированно доказать свою точку зрения. Вот все это и является признаком мифотворца или альтернативщика.
Ну а мои ссылки на учебники физики и статьи оппонент просто предал анафеме...
Это распространеннейшая практика альтернативщиков, которые при несогласии с их точкой зрения переходят к хамству принятию обиженной позы. Вместо доказательств только болтовня и хамство
Избавление от "ложных догм физики" это не болтовня "мало знающего гения". Для этого нужно, прежде всего, самым тщательным образом изучить теорию, на которой основана "догма". Внимательно изучить как можно больше работ других ученых на эту тему. Выделить из всего этого ошибочные моменты и показать, с доказательствами, в чем заключаются ошибки. Или какие экспериментальные данные существующая "догма" описывает неверно, четко и подробно. Показать, как исправить ошибки. И доказать это! Выслушать все доводы несогласных с новым вариантом теории и изучить их. Учесть собственные ошибки, на которые вам указали, или доказать ошибочность аргументов не согласных. Получить подтверждение новой теории от других ученых. Если есть результаты экспериментов, то получить их из нескольких независимых лабораторий.
И вот только после всего этого новая теория получает право на жизнь, а "старая ложная догма" уходит на свалку истории. А в нашем случае оппонент это просто очередной альтернативщик.
Заключение
К сожалению, в комментариях к статьям канала я не так редко сталкиваюсь с сторонниками альтернативной науки. Большей частью, дискуссии с ними бесполезными. Часто они заканчиваются хамством и баном. Но иногда бывают и довольно интересные дискуссии, когда оппоненты действительно пытаются излагать теоретически предпосылки к своим умозаключениям. Но это редкость.