Физхимия электрической дуги

Следующий важный момент связан с тем, что электрические цепи могут иметь прерыватели, в которых формируется искра (рис. 67, зона D).

Рассмотрим процесс формирования электрической дуги в зоне (D) разрыва электрической цепи (рис. 67). Сразу возникает вопрос: какие потенциалы формируются на концах провода в зоне его разрыва (рис. 67, зона D)? Поиск ответа на этот вопрос можно начать с анализа экспериментов, в которых один конец разорванного провода соединён с магнитом или находится в зоне действия постоянного магнита определённой полярности (рис. 68).

Рис. 67. Схема для иллюстрации знаков в зоне (D) разрыва провода

Рис. 68. Схема электрической дуги между игольчатым электродом и

северным полюсом магнита, помещённых в вакуум,

при последовательном увеличении напряжения

Считается, чтопервооткрыватель электрической дуги, вращающейся в магнитном поле - Никола Тесла. Идея вращения дуги в магнитном поле принадлежит и российскому учёному Дудышеву В. Д. Подобные опыты были повторены им совместно с Писковатским А. И.в экспериментальной лаборатории г. Speyer (ФРГ). На рис. 68. показана схема эксперимента, в котором плюс подключён к магниту, а минус – к игольчатому электроду. Эта система помещается в стеклянную ёмкость, из которой откачивается воздух. В результате, при изменении напряжения, прямолинейная форма электрической дуги в образовавшемся зазоре изменяется незначительно, а цвет значительно.

Тонкая форма дуги свидетельствует о том, что её формируют линейные кластеры электронов соединенных друг с другом посредством разноименных магнитных полюсов. Как видно, этот процесс сопровождается излучением электронами фотонов, цвет которых зависит от приложенного напряжения. С увеличением напряжения цвет дуги меняется от красного до голубого и это естественно, так как с увеличением напряжения увеличивается энергия связи между электронами в их кластерах. При разрыве этой связи электроны излучают фотоны с энергией, эквивалентной энергии электронов в их кластерах. Это и приводит к указанной закономерности изменения цвета дуги (рис. 68, а, b, c и d).

Однако, если аналогичный эксперимент провести на открытом воздухе (рис. 69), то форма и поведение электрической дуги резко меняются. Игольчатый электрод подключён к плюсовой клемме выпрямителя (рис. 69), а постоянный магнит – к минусовой.

Рис. 69. Фото электрической дуги между игольчатым электродом и плоскостью северного (а) и южного (b) магнитных полюсов

постоянного магнита

Сразу возникают вопросы: по какой причине линейная дуга (рис. 68), образующаяся в вакууме при взаимодействии с магнитом, превращается в коническую дугу (рис. 69) в воздушной среде и почему изменение магнитной полярности (N, S, рис, а и b) не меняет форму дуги?

Причина одна. В вакууме (рис. 67) форму дуги формируют фотоны, излучаемые электронами при формировании ими линейного ионного кластера. В воздушной среде (рис. 69) в процесс формирования электрической дуги включаются ионы химических элементов воздуха.

Поскольку воздух имеет влажность, то главным из этих ионов является ион гидроксила , состоящий из атома водорода и атома кислорода (рис. 70, b). Эти ионы также могут формировать кластеры совместно с электронами, выходящими из электрода и со свободными электронами воздуха (рис. 70, b).

На рис. 70, а показана схема эксперимента по определению направления движения электронов в электрической цепи с помощью отклонения стрелок компасов К. Как видно, стрелки компасов 1 и 2, расположенных по обе стороны от разрыва (зона D) электрической цепи, отклоняются в одну (правую сторону).

Важно обратить внимание на то, что провод с разрывом электрической цепи сориентирован с юга на север и компас положен на провод. В этом случае в соответствии с рис. 57, 61, 55 и 56 северные магнитные полюса электронов, в этом участке провода, сориентированы на север, а южные – на юг. Это значит, что на выходе из верхней части разорванного провода (рис. 70, а, зона D) электроны ориентированы южными магнитными полюсами вниз, что соответствует знаку плюс в существующих представлениях, а в нижней части разорванного провода электроны ориентированы к выходу из него северными магнитными полюсами, что соответствует знаку минус в существующих представлениях.

Рис. 70. а) - схема эксперимента с разрывом электрической цепи;

b) схема формирования иона в зоне D

(рис. 69, а) разрыва провода

На рис. 70, b представлен ион с дополнительным осевым электроном 5, присоединившемся к протону Р атома водорода. Как видно (рис. 70, b), магнитные полюса концевых электронов 4 и 5 ионно-электронного кластера контактируют с противоположными магнитными полюсами электронов в нижней и верхней частях разорванного провода. Благодаря этому электрическая цепь оказывается замкнутой. Конечно, в реальности ионно-электронные кластеры многократно длиннее, но в любом случае на их концах осевые электроны формируют разноимённые магнитные полярности.

Следующая важная особенность иона (рис. 70, b) - удалённость от его осевой линии шести (1’, 2’, 3’, 4’, 5’, 6’) кольцевых электронов атома кислорода. Все они создают отрицательный потенциал. И если кластеры ионов выстраиваются в ряды между игольчатым электродом и магнитом (рис. 69), то одноимённый электрический потенциал (рис. 70, b) , формируемый кольцевыми электронами (1’, 2’, 3’, 4’, 5’, 6’) атомов кислорода, должен отталкивать их друг от друга по мере удаления от конца провода и ослабления электрической связи с ним. В результате они образуют конус (рис. 69). Он светится потому, что все электроны, входящие в кластеры из ионов , излучают фотоны в момент установления связей между соседними ионами (рис. 70, b).

Есть основания полагать, что образовавшийся таким образом конус из кластеров ионов при встрече с магнитным полюсом магнита, выполняющим роль электрода, будет вращаться и эксперимент подтверждает это (рис. 71).

Это значит, что силовые линии магнитных полей северного полюса N магнита (рис. 72) и концевого осевого электрона кластера , в момент контакта с корпусом свечи (рис. 70, b) будут направлены навстречу друг другу и будут сближаться (рис. 73, а) и вращать кластер в одном направлении (против хода часовой стрелки) (рис. 73, d).

Рис. 71. Сектор воздуха, ионизированного электронами в кольцевом магните

Рис. 72. Структура магнитных силовых линий ферритового кольца

Если магнитную полярность поменять, то магнитные силовые линии концевых электронов ионно-электронных кластеров и магнитов будут направлены в одну сторону (рис. 73, b). В результате направление вращения кластеров изменится на противоположное (рис. 73, e).

Таким образом, если минус подключён к центральному электроду свечи и сверху магнита расположен северный магнитный полюс N (рис. 73, d) , то дуга между центральным электродом и корпусом начинает устойчиво вращаться против хода часовой стрелки. Если же центральный электрод подсоединён к минусу и сверху (рис. 73, e) расположен южный магнитный полюс S кольцевого магнита, то дуга начинает устойчиво вращаться по ходу часовой стрелки (рис. 73, e).

Чтобы попытаться найти более или менее достоверную интерпретацию процесса формирования и вращения дуги в магнитном поле кольцевого магнита (рис. 71), обратим внимание на направление магнитных силовых линий кольцевого магнита (рис. 72) и электрона (рис. 49, a и 73, a и b). И у электрона, и у магнита они выходят из северного магнитно полюса N и входят в южный полюс S.

Когда центральный электрод свечи подсоединён к плюсу и сверху расположен северный магнитный полюс N (рис. 73, j), то у дуги теряется устойчивость и появляются разрывы, вращение по ходу часовой стрелки (рис. 73, j) неустойчивое или совсем отсутствует.

Если центральный электрод соединить с плюсом и южный магнитный полюс кольцевого магнита S разместить сверху (рис. 73, k), то дуга начинает вращаться против часовой стрелки при меньшей скорости развёртки (рис. 73, k).

При этом необходимо учитывать, что при смене электрической полярности электроны могут выходить из корпуса (К) свечи (рис. 73, c) и двигаться к её центральному электроду. В результате вращение электрической дуги в кольцевом магните изменится на противоположное.

Итак, электрическая дуга в магнитном поле и в вакууме имеет линейную форму (рис. 67). В воздушной среде и магнитном поле кольцевого магнита электрическая дуга вращается (рис. 69, 71, 73). Описанное поведение электрической дуги обусловлено взаимодействием магнитных силовых линий постоянных магнитов и магнитных силовых линий электронно-ионных кластеров, которые формируясь, излучают фотоны, и мы видим их в виде плоской электрической дуги (рис. 71, 73) или в виде дуги объёмной формы (рис. 69).

А теперь представим молнии и мощные громовые раскаты в грозу. Молнии между облаками и между облаками и землей формируют линейные, ионно-электронные кластеры, а раскаты грома - результат повышения давления в зоне молнии фотонами, излучаемыми электронами при формировании ионно-электронных кластеров. Причина мгновенного формирования высокого давления воздуха в зоне молнии – разность между размерами электронов и размерами фотонов, излучаемых электронами.

Как мы уже отметили, размеры световых фотонов, излучаемых всеми электронами ионно-электронных кластеров, на 5 порядков больше размеров электронов. В результате рождения фотонов резко повышается давление в зоне молнии, которое формирует громовые раскаты. Важную роль в этом процессе играют кольцевые электроны атомов кислорода, так как они все сразу излучают фотоны и переходят на нижние энергетические уровни. Такие же кольцевые электроны – главные источники излучаемых фотонов, формируют взрывы всех взрывчатых веществ, в состав которых входят атомы кислорода, азота и углерода.

Рис. 73. а) - взаимодействие электрона кластера (рис. 64, b) с северным магнитным полюсом N; b) - взаимодействие электрона

кластера с южным магнитным полюсом S; с) – схема эксперимента (М – плоское магнитное кольцо, К – автомобильная свеча);

d) - минус на центральном электроде свечи, северный полюс N сверху; e) - минус на центральном электроде свечи, южный магнитный полюс S сверху; j) – плюс на центральном электроде свечи, северный магнитный полюс N сверху; k) - плюс на центральном электроде свечи, южный магнитный полюс S сверху

Бытующее представление о том, что давление в патроне, в корпусе артиллерийского снаряда или в камере сгорания ракетного двигателя формируется только газами - глубоко ошибочно.

Эффект Комптона

Рис. 74: а) схема модели электрона; b) схема модели фотона

Известен факт увеличения длины волны отраженных фотонов. Наиболее надежно и точно он фиксируется в эффекте Комптона. При этом, в соответствии с законом локализации фотонов , масса отраженных фотонов уменьшается. Это однозначно свидетельствует о потере массы, а значит - и энергии фотоном. Если владелец потерянной массы остаётся неизвестным, то эффект Комптона становится ярким доказательством нарушения закона сохранения энергии и этот факт невозможно опровергнуть никакими косвенными экспериментами, доказывающими обратное.

Рис. 75. Схема для изучения эффекта Комптона: 1-рентгеновская трубка; 2-свинцовые экраны с прорезями; 3-фотопленка

На рис. 75 показана схема экспериментальной установки для изучения эффекта Комптона, а на рис. 76 – схема изменения длины волны отраженных фотонов при изменении угла . В эксперименте использовались рентгеновские фотоны с длиной волны .

Как видно (рис. 76), при увеличении угла рассеяния (рис. 76) интенсивность несмещенной линии (рис. 76) падает, а интенсивность смещенной линии возрастает. Чтобы найти математическую модель, описывающую изменение длины волны отраженного фотона, надо знать, прежде всего, геометрические параметры взаимодействующих объектов – рентгеновских фотонов и электронов.

Рис. 76. Схема изменения длины волны отраженных фотонов

от угла

Известно, что длина волны рентгеновского фотона равна радиусу его вращения и изменяется в интервале . Длина волны, а значит и радиус свободного электрона равны , то есть радиус свободного электрона - в интервале изменения радиусов рентгеновских фотонов.

Конечно, при энергетических переходах электрона в атоме, длина его волны (радиуса) изменяется. Однако эти изменения у поверхностных электронов настолько незначительны, что в данном случае ими можно пренебречь. Сравнивая длину волны рентгеновского фотона, использованного в эксперименте, и длину волны электрона , видим их близкие значения.

На рис. 76 приведены спектры ( и ), рассеянные под одним и тем же углом различными веществами.

Главный вывод, который следует из этого рисунка: при возрастании атомного номера химического элемента вещества, интенсивность несмещенной линии P возрастает, а интенсивность смещенной линии M падает. Так, у лития (Li) максимальная интенсивность излучения состоит из смещенной М составляющей, а у меди (Cu) наоборот, интенсивность несмещенной линии P значительнее интенсивности смещенной линии M.

Возникает вопрос:почему интенсивность смещённой линии (M) с увеличением номера химического элемента вначале растёт, а потом падает (рис. 76)?Ответ на этот вопрос следует из рисунка 123, на котором показаны модели ядер атомов, самих атомов и некоторых молекул. Нетрудно видеть, что поверхность атомов лития и бериллия слабо заселена электронами, поэтому у рентгеновских фотонов имеется возможность взаимодействовать с отдельными электронами этих атомов.

Это - главная причина увеличенной интенсивности его смещённой (М) линии (рис. 76). По мере заполнения поверхности атомов электронами интенсивность смещенных линий (М) падает, а несмещённых (Р) растёт (рис. 76). Причина одна. Когда поверхность атома (рис. 77, а и b) слабо заселена электронами, то рентгеновские фотоны имеют большую вероятность взаимодействовать с отдельными электронами.

Рис. 77. Эффект Комптона на радиаторах из различных материалов

При увеличении номера химического элемента увеличивается заполнение поверхностей атомов электронами (рис. 77) и возможность для рентгеновских фотонов взаимодействовать индивидуально с электронами сохраняется до определённого предела. Из рис. 76 следует, что атомы кальция и калия являются предельными для увеличения смещённой М составляющей. Поверхность химических элементов с большими номерами так заселена электронами, что интенсивность смещённой (М) линии начинает уменьшаться, а несмещённой (Р) расти (рис. 77). Это значит, что рентгеновские фотоны теряют возможность взаимодействовать с отдельными электронами и воспринимают поверхность атома, густо заселённую электронами, как некоторую плоскость, отражаясь от которой, они почти не излучают и не теряют свою массу.

Если представить атом меди, ядро которого показано на рис. 78, е, то его поверхность заполнена электронами полнее. Это затрудняет взаимодействие рентгеновских фотонов с отдельными электронами и интенсивность смещенной линии М (рис. 77) уменьшается, что и согласуется с рис. 78.

Рис. 78: а) модель ядра и атом лития; b) модель ядра и атома

бериллия; c) модель молекулы азота; d) модель молекулы воды;

e) модель ядра атома меди; i) архитектоника поверхности многоэлектронного атома; k) валентные электроны , связывающие многоэлектронные атомы в молекулы

У нас есть основания представить поверхность многоэлектронного атома в виде одуванчика (рис. 78, j). Тогда поверхность такого невозбуждённого атома, заполненная электронами, будет близка к сферической и рентгеновские фотоны отражаются от такой поверхности почти не теряют своей массы, а значит и энергии. Когда же один из электронов материала экрана поглощает фотон, то энергия связи такого электрона с ядром уменьшается, в результате он удаляется от ядра и от общей сферической поверхности атома (рис. 78, k). В таком состоянии он становится активным – готовым вступить в связь с аналогичным электроном другого атома. Так образуются молекулы из многоэлектронных атомов (рис. 78, k).

Таким образом, сравнивая ядра и поверхности атомов лития и бериллия (рис. 78, a и b) с ядром атома меди (рис. 78, е) и воображаемой поверхностью атома меди, заселённую электронами (рис. 78, j), видим значительную возможность рентгеновских фотонов взаимодействовать индивидуально с электронами атома лития и бериллия, и меньшую - с электронами атома меди (рис. 78, j). Экспериментальные данные, представленные на рис. 77, убедительно подтверждают это.

Итак, фотоэффект – источник фотонов, излучённых электронами атомов и ионов. Эффект Комптона - надёжный источник точных радиусов электронов. [1], [2], [3], [4], [5].