Движение электронов вдоль проводов

Мы уже показали, что электрон представляет собой полый тор, который имеет два вращения: относительно оси симметрии и относительно кольцевой оси тора. Вращение относительно кольцевой оси тора формирует магнитное поле электрона, а направления магнитных силовых линий этого поля формируют два магнитных полюса: северный N и южный S (рис. 42, а). Вращением электрона относительно центральной оси управляет закон сохранения кинетического момента , численная величина которого равна численной величине закона сохранения момента импульса . Магнитный момент электрона - тоже величина векторная, совпадающая с направлением вектора кинетического момента. Оба эти вектора формируют северный магнитный полюс электрона (N), а на другом конце центральной оси его вращения формируется южный магнитный полюс (S). Формированием столь сложной структуры электрона (рис. 42, а) управляют 23 константы. Имея эту общую информацию о структуре электрона, приступим к анализу его поведения в проводах.

Свободные электроны не могут существовать в проводах совместно со свободными протонами, так как их соседство всегда заканчивается формированием атомов водорода, которые существуют только в плазменном состоянии в интервале температур 2700-10000 град. С.

В результате возникает вопрос: каким образом в проводе с постоянным напряжением формируется на одном конце плюсовой потенциал, носителем которого являются протоны, а на другом - минусовый потенциал, носителем которого являются электроны?

Наличие модели электрона (рис. 42, а) позволяет нам приступить к поиску ответа на поставленный вопрос. Вполне естественно, что его надо базировать на экспериментальных данных. Начнём с самого простого, школьного эксперимента, с изучения процесса отклонения стрелки самого древнего физического прибора - компаса, положенного на провод или под провод, к концам которого приложено напряжение.

На рис. 122 показана электрическая схема. Направления проводов которой сориентированы плюсовыми концами на юг (S), а минусовыми - на север (N). При отсутствии напряжения в проводе направление стрелок компасов А, В, С и D совпадают с направлением правого и левого проводов на север N. При включении напряжения вокруг провода возникает магнитное поле, и стрелки компасов отклоняются (рис. 122).

Когда электроны движутся по левому проводу в направлении с юга (S) на север (N), то стрелка компаса A, расположенного над проводом, отклоняется вправо, а стрелка компаса B, расположенного под проводом, – влево (табл. 41). Из этих результатов следует, что магнитное поле вокруг провода закручено против хода часовой стрелки и имеет магнитный момент Наличие модели электрона (рис. 42, а) с известным направлением вектора его магнитного момента даёт нам основание полагать, что магнитное поле вокруг провода формируется совокупностью магнитных полей электронов, сориентированных вдоль провода таким образом, что направления векторов магнитного момента каждого электрона совпадают с направлением вектора магнитного момента поля, образующегося вокруг провода (рис. 122 и 123).

Те же электроны, которые движутся по правому проводу с севера (N) на юг (S), формируют вокруг него противоположно направленное магнитное поле и стрелки аналогичных компасов С и D отклоняются противоположно отклонению стрелок компасов А и В (рис. 122).

Рис. 122. Схема эксперимента по формированию магнитного поля электронами , сориентированными вдоль провода

Таблица 41. Углы отклонения стрелок компасов A и B

при различных токах (рис. 122)

Ток, I	, град.	, град
1,0 А	34,0	33,0
2,0 А	48,0	50,0
3,0 А	57,0	58,0

На рис. 123 представлены схемы магнитных полей вокруг проводов. Вполне естественно, что эти поля формируют электроны, сориентированные вдоль провода (рис. 122 и 123).

Из схемы магнитного поля вокруг провода (рис. 123, а) следует, что оно может быть сформировано лишь в том случае, если северные магнитные полюса электронов (рис. 42, а) направлены вверх, в сторону минусового конца провода, направленного на Север, а южные - вниз, в сторону плюсового конца провода, направленного на Юг.

Рис. 123. Схемы движения электронов в проводе от плюса (+) к минусу (-) и формирования на его концах южного (S) и северного (N) магнитных полюсов и магнитного поля вокруг провода: а) электроны ориентированы вверх; b) электроны ориентированы вниз

На рис. 123, b электроны движутся вниз и формируют вокруг провода магнитное поле, направление которого противоположно направлению магнитного поля вокруг провода, когда электроны движутся вверх (рис. 123, а). Это означает, что плюсовой конец провода эквивалентен южному магнитному полюсу (S), а минусовой – северному (N) (рис. 123). Из этого эксперимента следует, что магнитное поле вокруг провода при такой его ориентации закручено против хода часовой стрелки и имеет магнитный момент .

Итак, результаты школьного эксперимента, представленные на рис. 122 и в табл. 41, показывают, что направление магнитного поля, формирующегося вокруг провода, совпадает с направлением вращения свободных электронов в нём (рис. 122, 123), поэтому направление тока совпадает с направлением векторов спинов и магнитных моментов электронов.

Таким образом, направления силовых линий магнитного поля, образующегося вокруг провода, соответствуют такой ориентации свободных электронов в нём, при которой они сориентированы от плюса к минусу, ориентируясь так, что южные полюса магнитных полей электронов оказываются направленными к плюсовому концу провода, а северные - к минусовому (рис. 122, 123).

Из новых представлений о поведении электронов в проводе, следует необходимость заменить представления о плюсовом и минусовом концах проводов сети с постоянным напряжением на концы с северным и южным магнитными полюсами. Однако, процесс реализации этой необходимости будет длительный. Но он, как мы увидим дальше, неизбежен, так как углубление представлений о реальных электрофотонодинамических процессах невозможно без новых условностей в обозначении концов электрических проводов.

Таким образом, элементарная экспериментальная информация, которую мы привели, позволяет перевести сформировавшиеся предположения о структуре электрона и о его движении по проводам в статусы научных постулатов. Для этого обратим внимание на то, что экспериментальный провод сориентирован с юга (S) на север (N) и южный конец этого провода подключён к плюсовой (+) клемме аккумулятора (рис. 123).

Итак, формулируем постулаты.

Первый – электрон имеет вращающуюся электромагнитную структуру.

Второй – электроны вращаются против часовой стрелки и имеют собственные магнитные моменты .

Третий - электроны, движутся по проводу с постоянным напряжением от плюса (+) к минусу (-) .

Четвёртый - магнитные поля вращающихся электронов формируют суммарное магнитное поле, которое выходит за пределы провода. Направление вектора магнитного момента вокруг провода совпадает с направлениями векторов магнитных моментов электронов сориентированных вдоль провода (рис. 123).

Чистое постоянное напряжение V имеют батареи и аккумуляторы. Однако, этим понятием обозначают и выпрямленное переменное напряжение, поэтому при анализе поведения электронов в проводе с чистым постоянным напряжением и выпрямленным переменным напряжением надо учитывать этот факт.

Если к концам провода не приложено напряжение, то свободные электроны ориентированы в нём произвольно (рис. 124, а). Постоянное напряжение, приложенное к концам провода, сразу ориентирует свободные электроны так, что векторы их спинов и магнитных моментов оказываются направленными в сторону конца провода с отрицательным (-) потенциалом (рис. 124, b). Суммарное магнитное поле всех электронов, сориентированных вдоль провода, формирует вокруг него магнитное поле, направленное против хода часовой стрелки, если смотреть с концов векторов спинов электронов (рис. 124, с).

Схема ориентации электронов при их движении вдоль провода с постоянным напряжением показана на рис. 124, b. Она следует из структуры электрона (рис. 42, а) и магнитного поля, формирующегося вокруг проводника с постоянным напряжением (рис. 124, с). Как видно (рис. 124, b и с), электроны выстраиваются так, что векторы их магнитных моментов оказываются направленными от плюса (+) к минусу (-). Таким образом, южные полюса S всех свободных электронов в проводе с постоянным напряжением оказываются сориентированными к плюсовому ( ) концу провода. Северные полюса N всех свободных электронов оказываются сориентированными к концу провода с отрицательным потенциалом ( ) (рис. 124, b и с).

Рис. 124: а) схема ориентации свободных электронов в проводе;

b)cхема движения электронов в проводе с постоянным напряжением от южного полюса S (+) к северному полюсу N (-); с) схема формирования электронами магнитного поля вокруг провода

Чтобы понимать основания для введения представлений о том, что плюсовой конец провода соответствует южному магнитному полюсу, а минусовый – северному, надо иметь в виду, что в проводе нет свободных протонов, поэтому некому формировать в нём положительный знак заряда. Есть только свободные электроны, а они имеют один знак заряда, но два магнитных полюса: южный (S) и северный (N).

Дальше мы увидим, как из такой условности вытекают следствия, объясняющие такое обилие электрических эффектов, что данная гипотеза уверенно завоёвывает статус научного постулата.

Анализируя описываемый процесс движения свободных электронов в проводе, надо иметь представления о разнице между размерами атомов и электронов, которые оказываются в промежутках между атомами.Примерная разница известна. Размеры электронов , а размеры атомов . Тысячекратная разница в размерах - достаточное условие для перемещения электронов в проводе.

Тем не менее, заряды и магнитные поля свободных электронов не безразличны для зарядов и магнитных полей электронов атомов. Они оказываются достаточными, чтобы, воздействуя на валентные и другие связанные электроны, заставлять их излучать фотоны.

Таким образом, приложенное постоянное напряжение не только перемещает свободные электроны вдоль провода, но и генерирует фотоны, нагревающие провод. Чем больше приложенное напряжение, тем больше скорость движения электронов в проводе и интенсивнее их действие на связанные электроны, которые излучают фотоны с большей энергией.

Нетрудно видеть, что переменное напряжение заставит электроны вращаться так, что концы векторов магнитных моментов и спинов электронов, а также общих моментов будут описывать окружности. Изменение напряжения и напряжённости магнитного поля , возникающего при этом вокруг провода (рис. 123, а и b), принимает синусоидальный характер (рис. 125, а).

Последовательное изменение направления электронов в проводе с переменным напряжением в интервале одного периода колебаний, представлено на рис. 125, b, c, d, e и k. Как видно, меняющееся направление электронов в проводе формирует синусоидальный закон изменения напряжения в нём (рис. 125, а).

Вполне естественно предположить, что при максимальном положительном напряжении все свободные электроны в проводе ориентированы одинаково и векторы их магнитных моментов и спинов направлены в сторону движения электронов вдоль провода (рис. 125, b) от южного полюса S (плюса) к северному полюсу N (минусу). В этот момент напряжение и напряжённость магнитного поля вокруг провода максимальны и . Схема поворота векторов спинов и магнитных моментов электронов на и падение напряжения до нуля представлена на рис. 125, c. Вполне естественно, что в этом случае магнитное поле вокруг провода (рис. 125, а) отсутствует и напряжение равно нулю .

Рис. 125. Схемы изменения направления векторов магнитных

моментов и спинов свободных электронов в проводе

с переменным напряжением, которые формируют синусоидальное

изменение напряжения

Когда векторы спинов и магнитных моментов электронов повернутся на от исходного положения, то полюса магнитной полярности на концах провода и направление магнитного поля вокруг провода (рис. 125, b и d) поменяются на противоположные, а амплитуда напряжения примет максимальное отрицательное значение (рис. 125, d).

Через следующие четверть периода направления векторов магнитных моментов и спинов электронов окажутся перпендикулярными оси провода (рис. 125, e). Магнитное поле вокруг провода (рис. 125, e) в этот момент исчезает, а величина напряжения будет равна нулю (рис. 125, e).

Векторы магнитных моментов и спинов свободных электронов займут исходную позицию (рис. 125, b) через следующие четверть периода (рис. 125, k). В этот момент направление магнитного поля вокруг провода окажется соответствующим исходному положению (рис. 125, b) и амплитуды напряжения и напряжённости магнитного поля вокруг провода будут максимальны (рис. 125, k).

Так формируется процесс синусоидального изменения напряжения , тока и напряжённости магнитного поля в сети (рис. 125, a). Это даёт нам основание написать уравнения их изменения в таком виде:

(292)

(293)

. (294)

Вполне естественно, что описанным процессом изменения ориентации электронов в проводах управляют магнитные полюса магнитов первичных источников питания, например, генераторов электростанций.

Главная особенность описанного процесса – синхронность синусоидального изменения напряжения U, тока I и напряженности H магнитного поля вокруг провода. Описанный процесс показывает, что при переменном напряжении количество электронов в рассматриваемом сечении провода не изменяется, а изменяется лишь их ориентация, которая изменяет направление магнитного поля вокруг провода, характеризуемого вектором , (рис. 123, a и b).

Из описанного процесса поведения электронов в проводе с переменным напряжением обычной электрической сети следует, что свободные электроны меняют в ней своё направление с частотой сети, равной 50 Гц.

Если сравнивать поведение свободных электронов в проводе с постоянным напряжением (рис. 124), где электроны не меняют свою ориентацию, то потери энергии в проводе с постоянным напряжением меньше, чем с переменным. Это хорошо известный факт.

В проводе с переменным напряжением (рис. 125) расходуется дополнительная энергия на изменения направлений векторов спинов и магнитных моментов электронов, а также на периодичность формирования магнитного поля вокруг провода и на излучение импульсов фотонов электронами (рис. 11).

Резкое изменение направления векторов спинов и магнитных моментов свободных электронов изменяет скорость их вращения относительно своих осей, что и приводит к излучению фотонов. При этом надо иметь в виду, что меняющаяся полярность напряжённости магнитного поля вокруг провода действует не только на свободные электроны, но и на валентные электроны атомов в молекулах и электроны атомов, не имеющие валентных связей. В результате они тоже могут излучать фотоны и увеличивать потери энергии.

Наиболее простой пример проявления явления потерь энергии – спираль электрической лампочки накаливания. Переменные магнитные поля вокруг нитей спирали значительно больше шага спирали. В результате они перекрывают друг друга и таким образом увеличивают интенсивность действия на электроны атомов материала спирали и они, возбуждаясь, начинают излучать фотоны, накаливая спираль лампочки. При этом длина волны излучаемых фотонов (цвет спирали) зависит от приложенного напряжения и величины тока. Чем они больше, тем больше электронов проходит в единицу времени в каждом сечении провода спирали, которые увеличивают напряжённость магнитного поля , возникающего вокруг провода спирали, а это поле в свою очередь интенсивнее действует на электроны атомов, заставляя их терять больше массы в одном акте излучения фотонов.

Известно, чем больше масса фотона, тем меньше длина его волны. Следовательно, процессом изменения длины волны излучаемых фотонов можно управлять, изменяя интенсивность воздействия магнитных полей на электроны. Эта экспериментально разработанная процедура достигла, можно сказать, предельного совершенства в современной электронике, но теоретики далеки от понимания тонкостей этого совершенства.

Дальше мы увидим, что при появлении в электрической цепи ёмкости и индуктивности синхронность изменения напряжения, тока и напряжённости магнитного поля нарушается.