Природа энергии и электрического тока в металлах

Кузнецов А.И., Кузнецов В.А.

В физике существует определение: энергия - это общая количественная мера движения и взаимодействия материи, а также способность тела или системы совершать работу.

Наверняка многие согласятся с тем, что это слишком расплывчатое и не конкретное понятие, характеризующее способность тела без указания наличия повода для этого. Так любой человек способен совершить определенную работу, но не всегда в состоянии это сделать.

Мы предлагаем несколько измененное, но более емкое определение понятие энергии. Особенность состоит в том, что она не существует постоянно у объекта, а возникает при определенных условиях за счет наличия особого состояния, позволяющего совершить какое-то действие.

Согласно нашего определения: энергия – это состояние объекта, под действием которого он способен совершить определенную работу.

Например, объект, находящийся в состоянии движения, может совершить работу за счет кинетической энергии, паровой котел - за счет давления пара, сжатая пружина - за счет упругости материала и т.д.

Рассмотрим существующее понятие электрического тока в металлах на примере Классической электронной теории электропроводности металлов, созданной немецким физиком Паулем Друде в 1900 году и доработанной впоследствии нидерландским физиком Г. Лоренцем в 1909 году. Ее до сих пор изучают в школьной и в вузовской физике, не смотря на установленные принципиальные внутренние несоответствия этой теории природе электрического тока [1].

Согласно проведенным опытам, при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Принято считать, что природа электрического тока в металлах представляет собой упорядоченное движение электронов под действием внешнего электрического поля.

В указанной теории предполагается, что носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. При этом движение электронов подчиняется законам классической механики Ньютона.

Существование свободных электронов в металлах объясняется следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему.

Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

При отсутствии источника тока напряженность усредненного электрического поля, действующего на свободные электроны, равна нулю. Свободные электроны в среднем равномерно распределены по проводнику, и внутри кристалла поддерживается состояние с нулевой средней напряженностью электрического поля. Электроны мечутся по зигзагообразным траекториям, каждый раз меняя свое направление в результате столкновений (взаимодействий) с ионами. Эти столкновения считаются абсолютно упругими.

Вычисленная величина средней скорости хаотического движения электронов при комнатной температуре составляет 100 км/с.

При наличии электрического поля электроны теряют свою относительную свободу и под действием электрической силы начинают перемещаться вдоль силовых линий этого поля. Траектории результирующего движения электронов, в промежутках между столкновениями с ионами решетки, становятся сложными. Проведенные вычисления дают значение их скорости в комнатной электропроводке порядка 0,1 мм/с.

Если бы электрический ток представлял собой перемещение электронов по проводнику с такой скоростью, то на путь от выключателя до лампочки электронам потребовались бы целые сутки!

По этой теории непонятным становится также переменный ток в наших проводах, который 50 раз в секунду меняет свое направление. Получается, что в этом случае электроны вообще не распространяются вдоль проводника. Они совершают в нем лишь колебательное движение около своего среднего положения. Каждое такое колебание в любую сторону способствует только сближению электронов с ионами металла проводника, выводя их из состояния равновесия за счет изменения его заряда. 

Из этого следует, что основное положение природы электрического тока в классической электронной теории проводимости не соблюдается и причина его возникновения не понятна.

Мы постараемся отметить основные недостатки принятой теории и, исходя из своих соображений, дать ответ на ряд существующих проблем или, как их нежно обзывают теоретики, «затруднений теории», которые она не в состоянии объяснить.

Одним из главных недостатков большинства трудов теоретиков является распространенное пренебрежение основными, многократно проверенными, законами классической физики в угоду новым модным сомнительным понятиям и теориям. В данном случае это отсутствие взаимодействия разноименно заряженных частиц. Для объяснения обнаруженных несоответствий вновь полученных результатов уже существующим законам, теоретики не задумываясь используют для этого «универсальную» квантовую теорию, которая позволяет с помощью математических манипуляций и принятых допущений объяснить все что угодно.

Основной ошибкой рассматриваемой теории является использование классической механики Ньютона для объяснения движения и столкновения заряженных частиц без учета их электрического взаимодействия.

Другой, не менее важной, погрешностью, по нашему мнению, обладает существующая теория металлической связи. В отличии от газов и жидкостей, металлы существуют не в виде изолированных атомов, а в виде слитка или металлического изделия. В нашем случае – это электрический провод. Механизм удерживания атомов металла в монолите определяет его свойства и играет существенную роль в объяснении его электропроводности.

Основой, приведенной классической электронной теории, является, по мнению ученых, способность атомов металла легко отдавать внешние электроны.

Кристаллическая структура металлического изделия представляет собой размещенные по объему в определенном порядке ионы металла, между которых свободно перемещаются электроны. При соединении их с ионами металла происходит образование атомов. В последующем электроны отрываются от одного атома и присоединяются к другому иону металла, и так бесконечно.

Такая схема обеспечивает только попарное взаимодействие и, по-нашему мнению, не в состоянии обеспечить постоянную устойчивую связь всех атомов металла в монолите. Прочная монолитная структура металла возможна только при наличии одновременной связи всех атомов и ионов друг с другом. При соединении электронов с ионом и превращении его в атом происходит обрыв связи и нарушение однородности структуры металла.

Мы считаем, что в металлическом проводнике одновременно происходит взаимодействие всех ионов металла. Между всеми частицами, образующими атом и монолит металла, непрерывно существуют связи, удерживающие их в скученном состоянии.

Никаких свободных электронов в проводниках нет. В природе нет ничего лишнего и ненужного, здесь всегда царит порядок. Все взаимосвязано и обязано строго подчиняться установленному правилу поддержания равновесия. Поэтому движение заряженных частиц может осуществляться только по конкретным траекториям.

Поскольку ион металла имеет относительно большой размер и его заряд равномерно распределен по его поверхности, то он постоянно одновременно взаимодействует со всеми находящимися вокруг него электронами.

Согласно принципа суперпозиции, если заряженное тело одновременно взаимодействует с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Это можно сравнить с действием магнита, который притягивает к себе все металлические опилки, находящиеся вокруг него, превращаясь, как бы в ежа.

Обладая большой массой и размером, ионы металла проводника при нормальных условиях практически не участвуют в движении. Они все располагаются на определенном расстоянии друг от друга, образуя «жесткий» каркас (решетку). Его размеры могут меняться при колебаниях температуры проводника.

Электроны в проводнике находятся в постоянном движении с установленной для данного вида металла закономерностью. Их расстояние относительно центра ионов непрерывно меняются. Следовательно, каждый из них компенсирует только определенную долю от требуемого иону заряда, величина которой непрерывно меняется обратно пропорционально этому расстоянию.

Силой притяжения одному из ионов удается приблизить к себе на какое-то расстояние окружающие его электроны. Другой соседний с ним ион, с удалением от него электрона, приобретает положительный заряд и начинает в свою очередь притягивать к себе расположенные в близи его электроны.

Поскольку суммарные заряды всех ионов равны по величине, то ни один из них не в состоянии отобрать полностью электрон у другого.

Вследствие этого электроны вынуждены совершать постоянные колебания от одного иона к другому, не касаясь их полностью и не вступая с ними в тесную связь. Такое движение электронов способствует созданию в проводнике электромагнитного поля. Колебание электронов между ионами осуществляется не по прямой линии, а по конической спирали, диаметр которой изменяется прямо пропорционально расстоянию от иона.

Это обусловлено действием силы Лоренца, с которой магнитное или электромагнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу.

Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости, она не меняет скорость частицы по модулю (не разгоняет и не тормозит ее) и не совершает работу, а только искривляет траекторию движения.

Именно наличие у всех близлежащих ионов общих электронов, совершающих колебание от одного иона к другому, способствует появлению между ними сил взаимодействия, удерживающих их вблизи друг друга в монолите.

Если в какой-то момент суммарное значение долей заряда от общих электронов стабилизируется и становится равным целому заряду иона, то он становится нейтральным. Это состояние назвали асимптотической свободой.

В этом случае если, в результате движения, или под действием других сил, в каком-нибудь направлении происходит сближение электронов с таким ионом, то он «заряжается» отрицательно и начинает отталкивать электроны.

Если от иона, находящегося в состоянии асимптотической свободы, происходит удаление электронов в каком-нибудь направлении, то он заряжается положительно и начинает притягивать к себе другие электроны.

При нормальных условиях в проводнике нет свободных, беспорядочно (хаотично) движущихся, электронов. Они все находятся в состоянии динамического равновесия. Оно возникает при равновесном содержании количества ионов и электронов и обусловлено связью всех ионов за счет наличия у них общих электронов, совершающих колебания между ними с определенной амплитудой и частотой, в соответствии с принципом суперпозиции полей. Ток в проводнике отсутствует.

Аналогично классической теории, одним из основных является вопрос передачи энергии от движущихся электронов к неподвижным ионам. Если в классической теории это происходит за счет их механического столкновения, то у нас – за счет электрического взаимодействия.

При подаче напряжения происходит смещение электронов в направлении положительно заряженного конца проводника на ничтожно малое расстояние. Это приводит к нарушению существующего динамического равновесия и изменению амплитуды или частоты колебания электронов.

Сближение общих электронов с ионами приводит к изменению величины их заряда. Учитывая взаимосвязь ионов друг с другом и плотное расположение в проводнике, изменение заряда одного иона немедленно сопровождается соответствующим изменением зарядов других, рядом с ним расположенных ионов, связанных общими электронами. Это приводит к возникновению цепной реакции и мгновенному распространению энергии по длине всего проводника, т.е. возникновению в нем тока.

В этом случае движение электронов по проводнику осуществляется не за счет их перемещения по всей его длине, а путем непрерывного небольшого смещения по цепочке общих электронов.

Это позволяет объяснить мгновенное распространение тока от его источника до лампочки даже при значительном расстоянии между ними, что не могла сделать классическая теория.

Таким образом, смещение электронов на ничтожно малое расстояние способствует мгновенному появлению энергии в районе расположения установленного в цепи объекта и приводит к запуску его в работу.

Подобный эффект появления энергии в цепи наблюдается мгновенно при смещении электронов в любом направлении. Это позволяет легко объяснить принцип работы оборудования на переменном токе, при котором его направление меняется 50 или 60 раз за одну секунду, что невозможно было сделать по классической теории.

Увеличение частоты колебания общих электронов с появлением тока ведет к повышению температуры проводника. Это свойство тока широко используется при производстве нагревательных приборов и агрегатов.

При применении для обогрева в помещении нагревательных приборов с открытой спиралью люди жалуются на нехватку кислорода. Причиной этого является то, что в качестве нагревающего элемента используется материал с высоким электросопротивлением. Нехватка подвижных электронов для обеспечения тока в таком материале, в сочетании с отсутствием поступления в помещение достаточного количества свежего воздуха, приводит к быстрому поглощению («сжиганию») находящегося в помещении кислорода. Причиной этого является отбор недостающих электронов у молекул кислорода, имеющих более низкий порог ионизации по сравнению с азотом.

При этом образующиеся ионы кислорода интенсивно взаимодействуют с металлом нагревательного элемента, способствуя его окислению и выходу из строя (перегоранию) в последующем.

Более легкая нагретая масса воздуха, обедненная кислородом, поднимается от спирали вверх, освобождая место для поступления сюда более тяжелых и холодных его слоев.

Вблизи спирали можно заметить движение потока воздуха, которое обычно воспринимается как выделение тепла. Аналогичные потоки тепла в виде волн можно наблюдать при нагреве воды. В последующем при достижении температуры кипения они приобретают форму поднимающихся к верху пузырьков пара.

Согласно существующей классической теории, сопротивление металлов объясняется столкновениями электронов проводимости с ионами кристаллической решетки. Эти столкновения считаются абсолютно упругими. При этом, очевидно, чем чаще происходят такие столкновения, т. е. чем меньше среднее время и величина свободного пробега электрона между столкновениями, тем больше удельное сопротивление металла.

Классическая теория не в состоянии объяснить увеличение сопротивления проводника с ростом температуры. С расширением металла при нагреве, движение по проводнику наоборот должно улучшиться.

По нашему мнению, с повышением температуры происходит объемное расширение металла, и расстояние между ионами и электронами в проводнике увеличивается. Это ощущается как дефицит заряда и увеличение времени на колебание общих электронов, что объясняет рост сопротивления проводника.

Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля [2].

Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Классическая теория не в состоянии это объяснить. Причина этого, вероятно, заключается в том, что у них, в отличии от остальных металлов, абсолютное значение удельной теплоемкости меньше удельной теплопроводности. Это не позволяет достигнуть требуемой температуры.

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.

Мы считаем, что одной из основных причин этого является проведение непрерывного охлаждения проводника.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений и имеет достаточно сложное его описание.

Ученые утверждают, что объяснить сверхпроводимость можно только с помощью квантовой механики. Без этого нельзя обойтись, так как само явление сверхпроводимости существенно квантовое, и его не удавалось понять, пока не было в основном завершено построение квантовой механики.

Это полная чушъ. Сторонники квантовой теории просто стараются любым способом приписать как можно больше реально наблюдаемых явлений своей нелепой теории, выдавая их за ее экспериментальное подтверждение, чтобы доказать ее реальность и повысить значимость.

По нашему мнению, при температуре близкой к абсолютному нулю у ряда металлов происходит настолько сильное сближение общих электронов с ионами, что они почти касаются друг друга по всей длине проводника. При этом величина заряда, передаваемого от электронов к ионам возрастает настолько, что превышает требуемую иону норму. Это сопровождается смещением электронов в направлении расположения объекта потребления энергии даже при отсутствии источника тока. Со временем движение общих электронов между ионами практически прекращается и взаимодействие осуществляется только за счет высокой частоты их колебаний.

Классическая теория не в состоянии объяснить: почему в критической точке перехода в сверхпроводящее состояние электронная теплоемкость претерпевает скачкообразное увеличение при переходе из нормального состояния в сверхпроводящее.

Известно, что общая теплоемкость в металле складывается из колебаний атомов кристаллической решетки и энергии свободных электронов. Электронная теплоемкость металлов – это вклад свободных электронов в общую теплоемкость металлического твердого тела.

Мы считаем, что причиной скачка электронной теплоемкости является увеличение частоты колебания свободных электронов в сверхпроводящем состоянии.

Также известно, что при скорости движения заряда равной нулю вокруг покоящегося электрического заряда существует только электростатическое поле, а магнитное поле отсутствует. Поскольку при сверхпроводимости в центре проводника причиной тока является не движение электронов, а их колебание на одном месте, то это объясняет отсутствие здесь магнитного поля. 

Магнитное поле в сверхпроводнике создается микроскопическими токами, которые текут без сопротивления в его поверхностном слое.

Это объясняется тем, что у общих электронов, расположенных на поверхности проводника, существуют связи только с его внутренней частью, а поверхность находится под действием электрического поля. Поэтому на его поверхности амплитуда и частота колебаний электронов имеет большее значение. Дополнительно к электронам проводника, в зависимости от приложенного напряжения, возможно перемещение вдоль его поверхности ионизированных частиц из прилегающего слоя воздуха.

Это позволяет объяснить отсутствие магнитного поля внутри сверхпроводника и вытеснение его на поверхность, а также появление изменения цвета поверхности металла в зависимости от температуры его нагрева.

Достаточно сильное магнитное поле, которое создают ферромагнетики, частично разрушает сверхпроводящее состояние, что позволяет объяснить наличие у них одновременно сочетающихся свойств сверхпроводника и ферромагнетика.

Классическая теория не может объяснить большое сопротивление многих металлических сплавов по сравнению с сопротивлением чистых металлов.

По нашему мнению, это объясняется различной величиной заряда и размера ионов у металлов, содержащихся в сплаве. Это способствует наличию существующего вблизи них отличия количества окружающих их общих электронов, их амплитуды и частоты их колебаний. В этом случае для обеспечения связи между ними требуется больше времени на перестройку характера движения связывающих их общих электронов. Увеличение времени колебания электронов характеризует повышение сопротивления проводника.

Таким образом, предложенная нами гипотеза природы энергии и электрического тока в металлах позволяет объяснить недостатки существующей классической теории электропроводности и дать ответ на проблемные вопросы сверхпроводимости металлов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белопухов Л. О природе электрического тока в металлических проводниках. «Квант» № 9, 2024, с. 2-11, 19.

2. 1.12. Электрический ток в металлах. [Электронный ресурс]. – URL: [дата обращения 26.08.2026].