Решение проблем электробезопасности на основе только электронных (классической и квантовой) моделей электрического тока представляется недостаточным хотя бы из-за такого известного факта истории развития электротехники, что вся мировая электротехническая промышленность была создана за много лет до появления каких-либо упоминаний об электронах.
Принципиально практическая электротехника не изменилась до настоящего времени, а остаётся на уровне передовых разработок XIX столетия.
Поэтому вполне очевидным является необходимость возвращения к истокам развития электрической индустрии с целью определения возможности применения в наших условиях той методологической базы знаний, которая легла в основу современной электротехники.
Теоретические основы современной электротехники разработаны Фарадеем и Максвеллом, работы которых находятся в тесной взаимосвязи с трудами Ома, Джоуля, Кирхгофа и других выдающихся учёных XIX столетия. Для всей физики того периода было общепризнанным существование мировой среды – эфира, заполняющего всё мировое пространство [3,6].
Не вдаваясь в подробности различных теорий эфира XIX и предшествующих веков, отметим, что резко отрицательное отношение к указанной мировой среде в теоретической физике возникло сразу же после появления в начале XX века работ Эйнштейна по теории относительности, сыгравших роковую роль в развитии науки [I]:
В работе "Принцип относительности и его следствия" (1910 г.) Эйнштейн, анализируя результаты эксперимента Физо, приходит к выводу о том, что частичное увлечение света движущейся жидкостью отвергает гипотезу полного увлечения эфира и остаются две возможности:
-
эфир полностью неподвижен, т.е. он не принимает участия в движении материи;
-
эфир увлекается движущейся материей, но он движется со скоростью, отличной от скорости движения материи.
Развитие второй гипотезы требует введения каких-либо предположений относительно связи между эфиром и движущейся материей. Первая же возможность очень проста, и для её развития на основе теории Максвелла не требуется никакой дополнительной гипотезы, которая могла бы сделать более сложными основы теории.
Указав далее, что теория Лоренца о неподвижном эфире не подтвердилась результатами эксперимента Майкельсона и, таким образом, налицо противоречие, Эйнштейн заявляет: "…нельзя создать удовлетворительную теорию, не отказавшись от существования некоей среды, заполняющей всё пространство".
Из изложенного видно, что Эйнштейн ради "простоты" теории счёл возможным отказаться от физического объяснения факта противоречия выводов, вытекающих из указанных двух экспериментов. Вторая возможность, отмеченная Эйнштейном, так никогда и не была развита никем из известных физиков, хотя именно эта возможность не требует отказа от среды – эфира.
Рассмотрим, что дало указанное "упрощение" Эйнштейна для электротехники, и в частности, для теории электрического тока.
Официально признано, что классическая электронная теория являлась одним из подготовительных этапов в создании теории относительности. Эта теория, появившаяся, как и теория Эйнштейна в начале XIX века, изучает движение и взаимодействие дискретных электрических зарядов.
Необходимо отметить, что модель электрического тока в виде электронного газа, в который погружены положительные ионы кристаллической решётки проводника, до сих пор является основной в преподавании основ электротехники как в школьных, так и в вузовских программах.
Насколько реальным оказалось упрощение от ввода в обращение дискретного электрического заряда (при условии отказа от мировой среды – эфира), можно судить по учебным пособиям для физических специальностей университетов, например [6]:
"Электрон. Электрон является материальным носителем элементарного отрицательного заряда. Обычно принимается, что электрон является точечной бесструктурной частицей, т.е. весь электрический заряд электрона сосредоточен в точке.
Такое представление внутренне противоречиво, так как энергия электрического поля, создаваемого точечным зарядом, бесконечна, а, следовательно, должна быть бесконечной и инертная масса точечного заряда, что противоречит эксперименту, поскольку электрон имеет конечную массу.
Однако с этим противоречием приходится мириться вследствие отсутствия более удовлетворительного и менее противоречивого взгляда на структуру (или отсутствие структуры) электрона. Трудность бесконечной собственной массы успешно преодолевается при вычислениях различных эффектов с помощью перенормировки массы, сущность которой заключается в следующем.
Пусть требуется рассчитать некоторый эффект, причём в расчёт входит бесконечная собственная масса. Получаемая в результате такого вычисления величина бесконечна и, следовательно, лишена непосредственного физического смысла.
Чтобы получить физически разумный результат, проводится ещё одно вычисление, в котором присутствуют все факторы, за исключением факторов рассматриваемого явления. В последний расчёт также входит бесконечная собственная масса, и он приводит к бесконечному результату.
Вычитание из первого бесконечного результата второго приводит к взаимному сокращению бесконечных величин, связанных с собственной массой, а оставшаяся величина является конечной. Она характеризует рассматриваемое явление.
Таким способом удаётся избавиться от бесконечной собственной массы и получить физически разумные результаты, которые подтверждаются экспериментом. Такой приём используется, например, при вычислении энергии электрического поля".
Иными словами, современная теоретическая физика предлагает не подвергать критическому анализу непосредственно саму модель, если по результату её расчёта получается величина, лишённая непосредственного физического смысла, а сделав повторный расчёт, после получения уже новой величины, так же лишённой непосредственного физического смысла, вычитанием взаимно сократив эти неудобные величины, получить физически разумные результаты, которые подтверждаются экспериментом.
Как отмечается в [6], классическая теория электропроводности весьма наглядна и даёт правильную зависимость плотности тока и количества выделяемой теплоты от напряжённости поля. Однако она не приводит к правильным количественным результатам. Главные расхождения теории с экспериментом состоят в следующем.
Согласно этой теории значение удельной электрической проводимости прямо пропорционально произведению квадрата заряда электрона на концентрацию электронов и на среднюю длину пробега электронов между столкновениями, и обратно пропорционально двойному произведению массы электрона на его среднюю скорость. Однако:
1) для того чтобы получать таким способом правильные значения удельной электрической проводимости, надо принимать значение средней длины пробега между столкновениями в тысячи раз больше межатомных расстояний в проводнике. Понять возможность таких больших свободных пробегов затруднительно в рамках классических представлений;
2) эксперимент для зависимости удельной проводимости от температуры приводит к обратно пропорциональной зависимости этих величин.
Но, согласно кинетической теории газов, средняя скорость электрона должна быть прямо пропорциональной квадратному корню из температуры, допустить же обратно пропорциональную зависимость средней длины пробега между столкновениями от квадратного корня из температуры невозможно в классической картине взаимодействия;
З) по теореме о равнораспределении энергии по степеням свободы следует ожидать от свободных электронов очень большого вклада в теплоёмкость проводников, которая в эксперименте не наблюдается.
Таким образом, представленные положения официального учебного издания уже дают основание для критического анализа самой постановки рассмотрения электрического тока как движения и взаимодействия именно дискретных электрических зарядов при условии отказа от мировой среды – эфира.
Но как уже отмечалось, эта модель до сих пор является основной в школьных и вузовских образовательных программах. Чтобы хоть как-то обосновать жизнеспособность электронной модели тока, физиками-теоретиками была предложена квантовая трактовка электропроводности [6]:
“Лишь квантовая теория позволила преодолеть указанные трудности классических представлений. Квантовая теория учитывает волновые свойства микрочастиц. Важнейшей характеристикой волнового движения является способность волн огибать препятствия благодаря дифракции.
В результате этого при своём движении электроны как бы огибают атомы без столкновений, и длины их свободного пробега могут быть весьма большими. Из-за того, что электроны подчиняются статистике Ферми – Дирака, в образовании электронной теплоемкости может принимать участие лишь незначительная часть электронов вблизи уровня Ферми.
Поэтому электронная теплоемкость проводника совершенно незначительна. Решение квантово-механической задачи о движении электрона в металлическом проводнике приводит к обратно пропорциональной зависимости удельной электрической проводимости от температуры, как это и наблюдается действительно.
Таким образом, непротиворечивая количественная теория электропроводности была построена лишь в рамках квантовой механики”.
Если допустить правомерность последнего утверждения, то следует признать завидную интуицию учёных XIX столетия, которые, не будучи вооружёнными совершенной квантовой теорией электропроводности, сумели создать основы электротехники, которые принципиально не устарели и на сегодняшний день.
Но вместе с тем, как и сто лет назад, осталось нерешённым множество вопросов (не говоря уже о тех, которые накопились в XX столетии).
И даже теория квантов не даёт однозначные ответы хотя бы на некоторые из них, например:
-
Как течёт ток: по поверхности или через всё сечение проводника?
-
Почему в металлах носителями заряда являются электроны, а в электролитах – ионы? Почему не существует единой для металлов и жидкостей модели электрического тока, и не являются ли принятые в настоящее время модели лишь следствием более глубокого общего для всех процесса локального перемещения материи, называемого "электричеством"?
-
В чём заключается механизм проявления магнитного поля, выражающийся в перпендикулярной ориентации чувствительной магнитной стрелки относительно проводника с током?
-
Существует ли модель электрического тока, отличная от принятой в настоящее время модели движения "свободных электронов", объясняющая тесную корреляцию тепло- и электропроводности в металлах?
-
Если произведение силы тока (амперы) на напряжение (вольты), то есть произведение двух электрических величин, даёт в результате значение мощности (ватты), которая является производной наглядной системы единиц измерений "килограмм – метр – секунда", то почему сами электрические величины не выражаются через килограммы, метры и секунды?
В поиске ответов на поставленные вопросы и ряд других вопросов потребовалось обратиться к немногочисленным сохранившимся первоисточникам.
В результате этого поиска были выявлены некоторые тенденции в развитии науки об электричестве в XIX веке, которые по непонятным причинам не только не обсуждались в XX столетии, но иногда даже фальсифицировались.
Так, например, в 1908 году в книге Лакура и Аппеля "Историческая физика" представлен перевод циркуляра основоположника электромагнетизма Ганса-Христиана Эрстеда "Опыты над действием электрического конфликта на магнитную стрелку", в котором, в частности, говорится:
"То что электрический конфликт не ограничен только проводящей проволокой, но, как сказано, распространяется еще в окружающем пространстве довольно далеко, достаточно видно из вышеизложенных наблюдений.
Из сделанных наблюдений можно также заключить, что этот конфликт распространяется по кругам; ибо без этого допущения трудно понять, каким образом одна и та же часть соединительной проволоки, находясь под полюсом магнитной стрелки, заставляет стрелку поворачиваться к востоку, находясь же над полюсом, отклоняет стрелку к западу, круговое же движение происходит на противоположных концах диаметра в противоположных направлениях.
Нужно сверх того думать, что круговое движение, в связи с поступательным движением вдоль по проводнику, должно давать улиткообразную линию или спираль; это, однако, если я не ошибаюсь, ничего не прибавляет к объяснению до сих пор наблюденных явлений".
В книге историка физики Л.Д. Белькинда, посвящённой Амперу, указано, что "новый и более совершенный перевод циркуляра Эрстеда дан в книге: А.-М. Ампер. Электродинамика. М., 1954, стр. 433-439.". Для сравнения приведём заключительную часть точно того же отрывка перевода циркуляра Эрстеда: