В рамках традиционной электродинамики электрический ток принципиально понимается как направленное движение носителей заряда.
Эта концепция, восходящая к работам Ампера и Фарадея, постулирует обязательное наличие заряженных частиц (электронов, ионов, дырок), чье перемещение и создает ток проводимости. В металлах ток обеспечивается потоком электронов, в электролитах - движением ионов, в полупроводниках - как электронами, так и дырками.
Классическая теория не предусматривает возможности существования тока в отсутствии реальных носителей заряда, поскольку само определение тока как количества заряда, проходящего через сечение проводника в единицу времени, предполагает материальную основу этого явления.
Квантовые и релятивистские аспекты
Современная физика предлагает более сложную картину, где в определенных условиях возможно проявление токоподобных явлений без традиционных носителей заряда.
В квантовой электродинамике рассматривается концепция вакуумных токов, где флуктуации электромагнитного поля могут создавать аналоги токовых структур. В топологических изоляторах наблюдаются поверхностные токи, обусловленные не движением отдельных частиц, а коллективными квантовыми состояниями.
Особый интерес представляют решения уравнений Максвелла в искривленном пространстве-времени, где геометрические эффекты могут имитировать свойства электрического тока без реальных заряженных частиц. Однако строго говоря, эти явления следует относить скорее к токоподобным эффектам, чем к току в классическом понимании.
Альтернативные формы "тока" в физике
В различных разделах физики встречаются аналоги электрического тока, не связанные с переносом заряда.
В гидродинамике существует понятие "тока массы", в термодинамике - "теплового тока", в квантовой теории поля - "тока вероятности". Особый случай представляет ток смещения в электродинамике, который формально входит в уравнение непрерывности наравне с током проводимости, но не связан с движением зарядов, а отражает изменение электрического поля во времени.
Некоторые теоретические модели в квантовой гравитации предполагают возможность существования "гравитационных токов", переносящих не заряд, а другие физические величины.
Эти аналогии, однако, остаются в области теоретических конструкций и не отменяют фундаментальной связи между электрическим током и носителями заряда в общепринятом понимании.
Экспериментальные границы понятия
Современные экспериментальные исследования ставят под вопрос абсолютность традиционных представлений о природе тока.
В эффекте Холла без носителей заряда наблюдается квантованная проводимость, не связанная напрямую с движением отдельных частиц. В сверхпроводниках при температурах близких к абсолютному нулю ток может существовать практически бесконечно долго без видимого движения носителей.
Квантовые явления запутанности демонстрируют корреляции между удаленными системами, которые можно интерпретировать как форму "тока информации" без переноса вещества или энергии. Однако все эти примеры либо требуют пересмотра самого определения тока, либо демонстрируют сложные коллективные эффекты, где носители заряда все же присутствуют, но ведут себя нестандартным образом.
Электричество без электронов: возможны ли альтернативные носители заряда?
А что вы думаете по этому поводу?
Эта статья написана в рамках марафона 365 статей за 365 дней
Андрей Повный, редактор сайта Школа для электрика
Подписывайтесь на мой новый образовательный канал в Telegram: Мир электричества