Сверхпроводимость
Электрический ток, броуновское движение и гравитация

Рис. 1

Какая связь может быть между сверхпроводимостью, броуновским движением и гравитацией?
Как было отмечено в предыдущих статьях, процесс возникновения и непрекращающегося броуновского движения частиц, это не что иное, как гравитационные импульсы движения. Теплота порождает гравитацию и заставляет двигаться частицы по градиенту наименьшей температуры.
Поскольку теплота и гравитация тесно связаны, а сверхпроводимость связана с теплотой, то понимая эти процессы, представляется возможным объяснить проводимость электрического тока в проводниках.
Почему не наблюдается сверхпроводимость в проводниках при обычной температуре? И что это за тепловое сопротивление электрическому току?
Физика объясняет это явление следующим образом. Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз натыкаются на атомы и подобные себе электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Таким образом, электроны испытывают сопротивление своему движению и соответствующее сопротивление электрическому току [1].
Точно также объясняется прохождение электрического тока в жидких проводниках и газах. Несмотря на то, что в этих веществах не электронная проводимость, а ионная, сопротивление электрическому току также оказывается.
Опытным путем было установлено, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а с понижением уменьшается. Для проводников из чистых металлов такое увеличение (уменьшение) сопротивления почти одинаково и составляет в среднем 0,4% на 1°C [2].
Необходимо отметить, что при наложении одного электрического поля (без теплового), электроны никогда бы не спотыкались о подобные же электроны, т.к. все будут подвержены единому поведению под действием силы этого поля. Также не было бы никакого столкновения с узлами кристаллических решеток, т.к. коридоры между ними огромные в сравнении с электронами. В этом случае любой металлический проводник являлся бы сверхпроводником.
В 1911 г. .голландский физик Камерлинг-Оннес сделал открытие. При температуре 7,2 К у свинца сопротивление электрическому току скачком обращалось в нуль, свинцовый проводник превратился в сверхпроводник [3]. В настоящее время установлено более 1000 сплавов, приобретающих сверхпроводимость при достаточно низких температурах.

Практика показала, чтобы проводнику превратиться в сверхпроводник, необходимо снизить его температуру до весьма низких значений, близких к абсолютному нулю. В этом случае, согласно электронной теории, атомы металлов как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению свободных электронов. Вот здесь должен не согласиться относительно «препятствия движению электронов». При температуре близкой к – 273°C замерзают не только атомы, но и все свободные и не свободные частицы, в том числе и электроны, и всякое движение становится невозможным.
Тогда каким образом теплота «сопротивляется» переносу электрического заряда от начала проводника к его концу? Как переносится электрический заряд? И что такое вообще электрический ток?

Электрический ток

Учебники физики дают объяснение электрическому току, как направленное движение электронов вдоль проводника, которые переносят электрический заряд. Считаю, что это не совсем корректное объяснение переноса электрических зарядов в металлических проводниках. Судите сами, если электроны, под действием разности потенциалов источника, начнут двигаться от одного конца проводника к другому, то, через некоторое время, возникнет дефицит электронов в начале и их избыток в конце проводника. Указанный дисбаланс приведет к прекращению электрического тока вообще, но такого никогда не наблюдается. Проводник не изнашивается и не портится даже при многолетней эксплуатации. Все объяснения по поводу компенсации электронов из источника не соответствуют действительности, т.к. скорость направленного движения заряженных частиц в проводнике не превышает 0,007 мм в сек, а электрический ток передается со скоростью 300000 км/с. Как видим, на торопливость электронов или ионов уповать не приходится.
Все дело в том, что перенос электрических зарядов происходит не на «плечах» электронов, а на полевом уровне. Иначе, электроны передают свой заряд (энергию) с помощью тех же электромагнитных волн. Как только первый атом, в начале проводника и последний атом, в конце того же проводника, будут присоединены к источнику разных потенциалов, то моментально возникает электрический ток. Все свободные электроны становятся в единую цепь и начинают передавать заряды друг другу с помощью электромагнитного излучения, при этом оставаясь, практически на тех же самых местах. Весьма похожая картина на эффект домино. Почему практически на местах, да потому, что выбивает электроны из общего строя теплота. Тепловое поле пытается навести свой порядок (для нас и электрического тока это беспорядок) в подвластных ему свободных частицах. Тепловое поле сдвинуть атомы с места не может, а только поколебать их, они довольно жестко закреплены в узлах кристаллической решетки. Зато электроны подвластны влиянию теплоты. Вот и мечутся свободные электроны между двух господ – электричества и теплоты! При этом, еще больше разогревают проводник и создают сопротивление электрическому току.
Учитывая выше сказанное, следовало дать определение электрическому току в следующем виде: Электрический ток – это направленная передача электрических зарядов с помощью электрического поля от одного атома к другому атому, от электрона к электрону.
Посмотрим на ри.1, где изображена электрическая цепь, состоящая из источника питания (Ps), нагрузки (электролампа Eb), выключателя (S), амперметра (А) и металлического проводника. На рисунке приведена картина, когда проводник был охлажден до сверх низких температур – находился в сверхпроводящем состоянии. На момент демонстрации опыта, половина этого проводника была вынута из криостата (разморожена). На рисунке условно показана граница между сверхпроводящим и проводящим состояниями данного проводника в разрезе с большим увеличением электронов. Выключатель (S) находится в положении «включено» и в замкнутой цепи течет электрический ток, который фиксируется амперметром. В момент выхода половины проводника из сверхпроводящего состояния, прибор фиксирует снижение электрического тока I. Все в соответствии с законом Ома (I=U/R), при постоянной разности потенциалов – возросло сопротивление проводника R. Мы понимаем, что сопротивление возросло при наложении теплового поля (Т) на электрическое поле (Е). Часть электронов (помечены оранжевым цветом) стала передавать электрические заряды не вдоль проводника, а хаотично, в результате сопротивление электрическому току возросло. В земных условиях аналогию данному явлению можно увидеть, когда вы включаете душ. Если часть отверстий в душевой головке забиты, то струя воды прерывается. На рисунке электрон №6, выбитый тепловым полем, прерывает одну из многочисленных струй электрического тока.
Камерлинг-Оннес экспериментировал не только со свинцом, но и с ртутью. Он обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначала постепенно снижается, а затем при температуре 4,1 К резко падает до нуля (рис. 2).

Рис. 2

Вкратце остановлюсь и на этом вопросе: почему переход от проводника к сверхпроводнику происходит скачкообразно?
Все дело в том, что обрыв плавного хода характеристики происходит не из-за «замерзания» атомов и прекращения колебаний, а прекращения ими излучения от тепловой энергии. В момент, так называемой критической температуры перехода Т_с, тепловой энергии недостаточно, чтобы возбудить тот или иной атом, а также сдвинуть с места свободные электроны. Теплота перестает вмешиваться в передачу электрических зарядов и проводник скачком превращается в сверхпроводник. При этом электроны никуда не бегут, т.к. также замерзают что и атомы, но зато свободно без помех переизлучают электромагнитную энергию источника, поддерживая таким способом, электрический ток. Проводник становится сверхпроводником!

Помятуя о том, что теплота порождает гравитацию, я пришел к выводу, что тепловое сопротивление тесным образом связано с гравитацией и броуновским движением. Как это происходит?
Электрон – это мелкая частица, с массой равной 9,10938291(40))·10^-31 кг. Согласно современным представлениям физики элементарных частиц, электрон неделим и бесструктурен (как минимум до расстояний 10^-17 см). В свою очередь, броуновское движение возникает при размерах частиц менее 3 микрон, а это 10^-6 м. Как видим электрон на 12 порядков меньше броуновской частицы, поэтому он в свободном состоянии естественно подвержен действию теплоты и эффекту Броуна. Электроны в проводнике при любой температуре (выше абсолютного нуля) всегда находятся в броуновском движении (колебании), невзирая на то, присоединен данный проводник к источнику электрического тока или нет. По факту, в момент подключения электрического тока, на электроны накладываются два поля: тепловое (хаотичное) и электромагнитное (упорядоченное). В результате мы получаем суммарное, результирующее поведение электрона. Всякий вектор передачи тепловой энергии, направленный встречно и поперек электромагнитному вектору, создает сопротивление протекающему электрическому току. Броуновское, спонтанно наложенное поле, сбивает электроны с упорядоченного курса передачи электрического заряда, проложенного электрическим полем.
Вот поэтому не возможен сверхпроводник при обычной комнатной температуре. Для того чтобы проводник стал сверхпроводником, есть два пути: 1) нужно максимально исключить броуновское движение электронов, т.е. снизить температуру до определенного уровня 2) уменьшить количество броуновских частиц. Снизить температуру – это понятно, а как убрать броуновские частицы? Очевидно, подбором соответствующих материалов, в которых они в большей степени связаны, как атомы в кристаллической решетке и расположены на достаточно близком расстоянии. Вот чем собственно и занимаются современные технологи.
Тепловое поле – это тот же электрический генератор, только объемный. Его действие тоже направленное, от плюса к минусу, но таких плюсов и минусов громадное количество. Поэтому и передача электрических зарядов в общей картине приобретает хаотический, спонтанный рисунок.
Тепловые электроны частично выносят электрический заряд (электрическую энергию) из цепи, соединяющую источник с приемником. Иначе, в проводнике, как бы появляются дополнительные потребители электрической энергии, они маломощные, но их огромное количество, распределенных по всей длине проводника. Грубую аналогию можно привести с водопроводной трубой. Когда труба цельная, то вся вода, закаченная в трубопровод, доходит до потребителя. Если труба проржавела, то часть воды утекает через отверстия, расход увеличивается. Для компенсации потерь требуется дополнительно увеличивать объемы закачиваемой воды.
Тоже самое и с электрическим током, для компенсации потерь требуется дополнительная мощность источника электрической энергии. Электрический заряд, полученный от источника, тепловые электроны превращают в тепло проводника, и аналогично водяному трубопроводу, тепло выносится в окружающую среду.
Водопроводчики говорят об утечке воды, а электрики о сопротивлении электрическому току. Коммунальщикам, чтобы избавиться от утечек воды требуется заменить трубопровод на новый, а электрикам, чтобы исключить сопротивление – снизить температуру.
P.S. Теория сверхпроводимости разрабатывалась в течение практически всего 20-го столетия различными институтами и носит весьма сложный характер. Несмотря на сложность ученые научились создавать сверхпроводники за счет охлаждения. Но пока не удается разобраться во всех тонкостях физики процесса сверхпроводимости.

В данной публикации не стояла задача основательно разобраться в сверхпроводимости,  поэтому обозначен только общий подход к ней. Возможно, я вернусь к данной проблеме спустя какое-то время. В данный момент важно было показать действие теплового шума на проводимость и его связь с гравитацией.

Источники

1. Википедия, https://ru.wikipedia.org/wiki/
2. Мэрион Дж.Б., Общая физика с биологическими примерами (пер. с англ.), с.280, «Высшая школа», 1986
3. Тригг Дж., Физика ХХ века, Ключевые эксперименты (пер, с англ.), «Мир», М. 1978

Назад Вперед