Pobierz tekst w pliku pdf.
Z rozważań przeprowadzonych w opracowaniu głównym wynika, że jądro każdego atomu zbudowane jest ze zobojętnionych protonów, które są nośnikami elementarnego ładunku grawitacyjnego. Zobojętnienie protonu oznacza, że naprzeciwko każdego protonu w różnych odległościach umieszczony jest elektron (patrz rys.1).
Rysunek powyższy przedstawia rozwiniętą spiralę atomową argonu (zwijanie spirali odbywa się od prawej do lewej). Z rys. 1 wynika, że każdy zobojętniony proton będący nośnikiem elementarnego ładunku grawitacyjnego jest jednocześnie dipolem elektrycznym typu proton – elektron. Mówiąc bardziej precyzyjnie jest to dipol elektryczny pozyton – elektron obciążony obojętnym elektrycznie balastem od strony pozytonu. Dipole elektryczne atomu po nieparzystej stronie (1-3-5) i parzystej (2-4-6) stronie jądra są równoległe do siebie, zaś w danej parze (1-2),(3-4) leżą w jednej linii i są przeciwnie skierowane.
Każdy elektryczny dipol atomowy posiada moment dipolowy
Na rys. 1 pokazano takie odległości wyliczone dla atomu argonu. Oznacza to, że na podstawie powyższego wzoru możemy wyliczyć wszystkie elektryczne momenty dipolowe składające się na atom argonu. Wynoszą one:
Takie wartości momentów dipolowych możemy wyliczyć dla atomu dowolnego pierwiastka układu okresowego.
Jeżeli atom zbudowany jest z wielu różnych dipolów elektrycznych, to posiada on całkowity elektryczny moment dipolowy, będący wypadkową wartości momentów elektrycznych poszczególnych dipolów. Taki całkowity elektryczny moment dipolowy dla przedstawionego wyżej atomu argonu będzie się równał:
a jego wartość wynosi (- 0,55) 10-10 e m.
Wartość całkowitego elektrycznego momentu dipolowego możemy wyliczyć dla atomu dowolnego pierwiastka układu okresowego.
Wartości całkowitych elektrycznych momentów dipolowych różnych atomów nie przekraczają kilku jednostek. Mała wartość całkowitych elektrycznych momentów dipolowych wynika stąd, że kompensują się one, w wyniku zjawiska tzw. dwójkowania (pairing). Dwójkowanie polega na tym, że dipole elektryczne każdej pary protonów ustawiają się antyrównolegle. Jest to klasyczna realizacja dążenia do osiągnięcia przez układ fizyczny minimalnej energii potencjalnej. O wartości wypadkowego elektrycznego momentu atomu decydują wartości kilku ostatnich dipolów. Rozważania te znakomicie ilustruje rysunek 1.
Różny od zera, całkowity, elektryczny moment dipolowy atomu oznacza, że w polu elektrycznym każdy atom, w miarę możliwości będzie starał się ustawić równolegle do linii pola elektrycznego, tak jak to przedstawia rys. 2. Dla jasności obrazu do rozważań przyjęto atom helu.
Im wyższa będzie wypadkowa wartość całkowitego elektrycznego momentu dipolowego atomu, tym bardziej równolegle do linii pola elektrycznego ustawi się atom.
Rys. 3 przedstawia widok A atomu przedstawionego na rys.2
Widać na nim jeden z elektronów atomu na tle jądra atomowego. Czarne kropki to linie pola elektrycznego prostopadłe do płaszczyzny rysunku.
Przejdziemy teraz do omawiania przewodnika o przekroju kołowym przez który płynie prąd. Taki przewodnik w przekroju poprzecznym przedstawia rys. 4
W przewodniku tym, pod wpływem pola elektrycznego atomy starają się ustawić tak jak pokazano wyżej. Ułożone równolegle do siebie i poprzecznie do przekroju przewodnika atomy łączą się ze sobą biegunami magnetycznymi elektronów i tworzą wtórny, wieloelektronowy dipol magnetyczny N-S. Asymetryczna budowa elektronów powoduje, że dipol utworzony przez te elektrony nie jest prosty lecz zagina się na kształt rogala. W wyniku tego na zewnątrz przewodnika pojawia się linia pola magnetycznego tego dipola. Taka linia wytworzona bezpośrednio przez fizycznie istniejący dipol magnetyczny jest linią pierwszego rzędu, jest linią pierwotną. W przewodniku z prądem jest ogromna ilość takich dipoli magnetycznych. Układ pierwotnych linii magnetycznych tych dipoli przedstawia rys. 5
W miejscach przecięcia się tych linii powstają wypadkowe wektorów sił, które tworzą nowe, zamknięte (kołowe) linie magnetyczne. Im bliżej przewodnika, tym silniejsze są te linie i tym gęściej są ułożone. Są to linie wtórne, linie II rzędu, które nie zostały wytworzone bezpośrednio przez dipole magnetyczne. Okazuje się, że kołowe linie pola magnetycznego przewodnika z prądem, w solenoidzie z prądem tworzą linie kolejnego, III rzędu. Są to linie również zamknięte ale o bardziej złożonym kształcie (patrz rys.6 ).
W ten sposób, wyłącznie na podstawie rozważań teoretycznych wynikających z Modelu 31, pokazano jak powstaje pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem.
Przewodnik z prądem wytwarzający pole magnetyczne ma na ogół średnicę kilku milimetrów, zaś linie pola wytwarzane przez dipole magnetyczne tego przewodnika mają zasięg kilkudziesięciu centymetrów. Linia dipola magnetycznego wytworzonego przez przewodnik z prądem ma specyficzną budowę. Przypomina dorodny kłos zboża złamany w połowie i z powrotem przygięty do ziemi (patrz rys.7).
Taki kształt linii powoduje, że ma ona parę przeciwnych, znajdujących się bardzo blisko siebie (prawie antyrównoległych) wektorów siły. Jak się okazuje człowiek nie umie wykryć istnienia takich linii. Wszystkie „ludzkie” czujniki pola magnetycznego są zbyt toporne, żeby wykryć linię magnetyczną, zbudowaną w tak specyficzny sposób. Czyli człowiek nigdy nie wiedziałby o wytwarzaniu pola magnetycznego przez przewodnik z prądem (nigdy nie zbudowałby silnika elektrycznego), gdyby nie fakt, że linie te przecinają się wzajemnie tak jak to pokazuje rys. 6 i wypadkowe wektorów sił tych linii tworzą nowe, wtórne linie pola magnetycznego w kształcie okręgu (patrz rys.8).
Wszystkie wektory sił tych linii są styczne do nich i skierowane są w tą samą stronę tak, że można je wykryć np. przy pomocy igły magnetycznej. Po raz pierwszy zrobił to Hans Christian Oersted w 1820 roku.
Wynik doświadczenia Oersteda wprawił fizyków w konsternację. Oto pojawiły się siły, które nie działają wzdłuż linii rozchodzenia się pól, lecz prostopadle do nich (są niecentralne i bezźródłowe). Jak ten problem rozwiązali fizycy? Po galileuszowsku. Ujęli zależności matematycznie i uznali, że siły niecentralne i bezźródłowe występują w przyrodzie, nie wnikając w istotę ich powstawania. Oznacza to, że brak wiedzy o istnieniu świata kwantów i świata ciemnej energii doprowadził fizyków do fałszywego wniosku, że w przyrodzie występują siły niecentralne i bezźródłowe.
Po tym teoretycznym wstępie możemy przejść do odpowiedzi na pytanie.
Co to jest prąd elektryczny?
Prąd elektryczny jest to uporządkowanie w przewodniku atomów o niezerowym całkowitym momencie elektrycznym, pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Jednoczesnym dla tego procesu jest wytworzenie przez w/w atomy wtórnych dipolów magnetycznych w przewodniku, powodujących powstanie pola magnetycznego w przestrzeni wokół przewodnika.
Im większy jest całkowity moment elektryczny atomów danego pierwiastka, tym większy jest stopień uporządkowania jego atomów w przestrzeni pod wpływem danego pola elektrycznego . Pierwiastki, których atomy posiadają wysoką wartość całkowitego momentu elektrycznego nazywane są obecnie dobrymi przewodnikami prądu.
Np. całkowity moment elektryczny wynosi
1,15 x 10-10 exm dla złota,
1,5 x 10-10 exm dla srebra,
1,44 x 10-10 exm miedzi.
Pierwiastki, których atomy posiadają niską wartość całkowitego momentu elektrycznego nazywane są złymi przewodnikami prądu.
Np. całkowity moment elektryczny wynosi
-1,42 x 10-10 exm dla niklu,
-1,23 x 10-10 exm dla palladu,
-0,86 x 10-10 exm dla platyny.
Kilka temu pewien polski profesor fizyki z Ameryki wyraził się tak.
„Dziwię się i dziwić nie przestanę, dlaczego pierwiastki sąsiadujące ze sobą w układzie okresowym [nikiel (28) i miedź (29), pallad (46) i srebro (47), platyna(78) i złoto (79)] tak bardzo różnią się przewodnictwem właściwym”. W każdej parze tych metali, jeden jest bardzo dobrym przewodnikiem prądu (miedź, srebro i złoto), zaś drugi jest bardzo złym przewodnikiem prądu (nikiel, pallad, platyna). Wychodzi na to, że profesor może przestać się dziwić. Złoto, srebro, miedź są dobrymi przewodnikami prądu ponieważ mają wysokie wartości całkowitych atomowych momentów elektrycznych. Platyna, pallad nikiel są złymi przewodnikami (są dobrymi opornikami), bo mają niskie całkowite atomowe momenty elektryczne.
Natężenie prądu w przewodniku jest to stopień uporządkowania atomów w tym przewodniku. Im większy jest stopień uporządkowania atomów, tym większe jest natężenie prądu.
Im większe jest stopień uporządkowania atomów w przewodniku (im większe jest natężenie prądu) tym bardziej zakłócony jest ruch atomów w sieci krystalicznej przewodnika, tym bardziej utrudniony jest odpływ na zewnątrz kwantów energii wytwarzanych przez elektrony tych atomów, co skutkuje wzrostem temperatury przewodnika.
Im większe jest stopień uporządkowania atomów w przewodniku z prądem (im większe jest natężenie prądu), tym silniejsze pole magnetyczne wokół przewodnika wytwarzają elektrony tych atomów. Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem jest zjawiskiem wtórnym, skutkiem ubocznym uporządkowania atomów przewodnika.
Z powyższych rozważań wynika ważny wniosek.
W każdym atomie, każdy elementarny dipol elektryczny (e– -> e+) ustawiony jest prostopadle do odpowiadającego mu elementarnego dipola magnetycznego (N àS). Oznacza to, że każdy atom jest źródłem skrzyżowanych dipolów, elektrycznego i magnetycznego (patrz rys.9). Ilość tych skrzyżowanych dipolów jest równa liczbie protonów budujących dany atom.
Obecnie obowiązująca definicja prądu elektrycznego brzmi następująco.
Prąd elektryczny jest to uporządkowanie w przewodniku ruchu ładunków elektrycznych zachodzące pod wpływem pola elektrycznego.
Według Modelu 31 definicja prądu elektrycznego brzmi następująco.
Prąd elektryczny jest to uporządkowanie w przewodniku atomów o niezerowym całkowitym momencie elektrycznym, zachodzące pod wpływem pola elektrycznego.
Powyższe oznacza, że wg Modelu 31 prąd elektryczny nie ma nic wspólnego z ruchem ładunków w przewodniku.
Takie ujęcie zagadnienia pozwala wyjaśnić, dlaczego prąd elektryczny pojawia się „bezzwłocznie” w całym przewodniku niezależnie od długości tego przewodnika. Porządkowanie atomów o niezerowym całkowitym momencie elektrycznym nie jest związane z ich ruchem postępowym. W przypadku prądu stałego polega ono tylko na jednorazowym obrocie atomów o kąt od 00 do 1800 (ustawieniu się wzdłuż linii pola elektrycznego). To porządkowanie jest tak szybkie, jak szybko w przewodniku propaguje się pole elektryczne. Propagacja pola elektrycznego jest zjawiskiem subatomowym, zachodzącym z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Nie ma tu znaczenia bezwładność elektronów, których ruch, wg obowiązującej definicji ma stanowić istotę przepływu prądu elektrycznego. W przypadku prądu przemiennego dipole atomowe zmieniają swoje ustawienie o 1800 za każdym razem, gdy pole elektryczne zmienia kierunek.
Takie ujęcie zagadnienia pozwala też wyjaśnić, dlaczego możliwe jest ładowanie kondensatora, mimo że stanowi on ewidentną przerwę w obwodzie elektrycznym.
W kondensatorze przed ładowaniem (rys.10a) ładunki elektryczne okładek (atomy o niezerowym całkowitym momencie elektrycznym) są nieuporządkowane.
W czasie ładowania kondensatora nic nie płynie, tylko na jego okładkach, pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, porządkowane są atomy posiadające niezerowy całkowity moment elektryczny (rys. 10b). Powoduje to, że pomiędzy okładkami kondensatora pojawia się różnica potencjałów, czego następstwem jest pojawienie się linii pola elektrycznego w pustej przestrzeni między tymi okładkami. Po usunięciu pola zewnętrznego, zostaje zachowane wewnętrzne pole elektryczne między okładkami kondensatora, bo zachowana jest różnica potencjałów między tymi okładkami. W ten sposób kondensator staje się źródłem prądu.
Dla powyższego przypadku definicja prądu oparta na ruchu ładunków zupełnie nie sprawdziła się. J. C. Maxwell, żeby uratować ten pogląd wprowadził do fizyki całkiem nowy byt zwany prądem przesunięcia. Ta wymyślona ad hoc koncepcja była niezbędna dla zachowania ciągłości prądu w przestrzeni gdzie nie jest przenoszony ładunek. Przyjmując, że w trakcie ładowania kondensatora prąd dopływa do jednej okładki i odpływa z drugiej, trzeba było założyć, że płynie on również pomiędzy okładkami tak, aby była zachowana ciągłość prądu w obwodzie.
Rozpatrzmy teraz co dzieje się w kondensatorze naładowanym (rys.11 a) między okładki którego wprowadzimy dielektryk (rys.11 b).
W kondensatorze naładowanym jego ładunki elektryczne są uporządkowane, pomiędzy nimi istnieje różnica potencjałów. Gdy wprowadzamy między okładki dielektryk, jego nieuporządkowane ładunki elektryczne (dipole) wchodzą w strefę pola elektrycznego i również podlegają uporządkowaniu. Ilość uporządkowanych dipolów w kondensatorze z dielektrykiem jest znacznie większa niż ilość takich dipolów w kondensatorze bez dielektryka, co objawia się wzrostem pojemności kondensatora. Uporządkowane dipole dielektryka znajdujące się między okładkami kondensatora zastępują część istniejących tam wcześniej linii pola elektrycznego, co powoduje zmniejszenie różnicy potencjałów między okładkami kondensatora.