ТЕОРИЯ ЛУЧА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ

В 1883 г. известный американский изобретатель Томас Альва Эдисон в поисках рациональной конструкции лампы накаливания обнаружил эффект, названный его именем. Эдисон первый установил, что между накаленной нитью и изолированным от нити электродом, впаянным в баллон лампы, к которому приложено положительное напряжение относительно нити накаливания, протекает электрический ток. Это явление заинтересовало Эдисона, он подробно описал его в рабочем журнале, но не занялся изучением, так как все стремления были направлены на внедрение электрического освещения. Это была, по существу, первая радиолампа, которая возникла из электрической осветительной лампы. В лампочке накаливания Эдисона под угольной нитью на равном расстоянии от ее концов помещался изолированный электрод, состоящий из полоски платины; верхний край этого электрода отстоял от нити приблизительно на 1/2 дюйма. Между проводником, подводящим в лампочку ток, и впаянным электродом, Эдисон включил чувствительный гальванометр. При зажигании лампы гальванометр отметил присутствие тока, который менял направление, смотря по тому, присоединен ли к гальванометру положительный или отрицательный конец нити накаливания. Это указывало на то, что внутри лампы через вакуум проходил ток, который возрастал при увеличении тока накала лампы. После работы лампы в течение некоторого времени ток в гальванометре, включенном между платиновым электродом и положительным полюсом нити, ослабевал; Когда лампа выключалась на некоторое время, то после этого ток снова восстанавливался. Кроме того, удавалось получить ток, проходящий через стеклянный баллон лампы при помещении платинового электрода с внешней стороны баллона [1,2,3].

В подтверждение исследования Эдисона в 1904 году Джон Амброз Флеминг открыл, что электрическая лампа накаливания с угольной нитью, окруженная металлической пластинкой, действует как выпрямитель [1].

Однако попытки Эдисона найти практическое применение эффекта успеха не имели. Эдисон – изобретатель, он не занимается анализом открытого им явления [3]. Сотрудник Эдисона Никола Тесла писал, что Эдисон питал неподдельное презрение к книжному образованию и математическим знаниям, доверяясь всецело своему чутью изобретателя и здравому смыслу [4]. В работе [5] сказано, что Эдисон презрительно относился к книжной учёности и теоретическим наукам, считая, что это пустая трата времени, и для изобретателя куда важнее практика. К своей работе Эдисон всегда подходил очень обстоятельно и тщательно.

Хотя в работе [6] утверждается, будто бы Эдисон установил, что электрический ток электровакуумного диода пропорционален степени накала нити, или, другими словами, световой мощи самой лампы, и на этом, собственно, заканчивается исследование Эдисона.

Такое утверждение не соответствует истине. Эдисон всесторонне исследовал свою лампу-диод и установил чрезвычайно важные закономерности, достаточные для понимания природы катодного тока. Важнейшие из них: 1) после работы лампы в течение некоторого времени катодный ток ослабевал; при повторном включении лампы через некоторое время ток снова восстанавливался; 2) удавалось получить ток, проходящий через стеклянный баллон лампы при помещении платинового электрода с внешней стороны баллона.

Таким образом, электронная лампа возникла из электрической. Создал первую электронную лампу Т. Эдисон случайно. В те времена свет в электрических лампах излучался накаленной угольной нитью, но происходило потемнение баллона. Эдисон предположил, что летят отрицательно заряженные угольные пылинки, и если ввести в лампу дополнительный электрод и подать на него положительный относительно нити потенциал, то угольные пылинки будут притягиваться к этому электроду, и не будут попадать на баллон. Эдисон впаял электрод и получил диод [7].

1.2 Выводы.

1.Катодный ток в лампе Эдисона менял направление в зависимости от подключения гальванометра: к положительному или отрицательному выводу нити накаливания.

2. Катодный ток возрастал при увеличении тока накала лампы.

3. После работы лампы в режиме диода в течение некоторого времени ток ослабевал.

4. После включения охлаждённой лампы катодный ток снова восстанавливался.

5. Катодный ток наблюдался и в случае размещения платинового электрода (анода) вне баллона лампы: ток проходил через стекло и воздушный промежуток между стеклом и анодом.

a2. Знания науки об атоме накануне открытия электрона.

2.1. Развитие представлений об атоме.

Представления об атоме до времени открытия электрона Дж. Томсоном были ничтожно малы, а о строении атома – тем более.

В V в. до н. э. древнегреческим учёным Левкиппом. а затем его учеником Демокритом (около 460 – 371 гг. до н. э.) была выдвинута атомистическая гипотеза. В соответствии с ней всё в мире состоит из атомов, различающихся своей формой, порядком и ориентацией в теле; между атомами находится пустота. По легенде, идея о существовании атомов возникла у её автора, когда он разрезал яблоко. До каких пор можно рассекать яблоко на части? Мысль о том, что существует предел такого деления, и побудила назвать мельчайшие (далее уже неделимые) частицы материи атомами. Но судьба атомистической гипотезы была сложной: уже через несколько десятилетий после смерти Демокрита она была подвергнута серьёзной критике со стороны Аристотеля (384 – 322 гг. до н. э.). Если атомы – это мельчайшие и неделимые частицы, то, как они могут отличаться друг от друга? Согласно Аристотелю, основу мира составляет некая первичная материя. Она непрерывна: ни атомов, ни пустоты в ней не существует. Впоследствии Католическая церковь превратила учение Аристотеля в догму, в которую следовало лишь слепо верить, не пытаясь, что-либо менять. В XI в. церковь объявила науку “служанкой теологии”. Существование атомов не укладывалось в систему религиозных представлений о мире. Потребовалось ещё 300 лет, прежде чем, наконец, появился учебник “Наставления физики” (1638 г.) Иоганна Шперлинга, в котором решительно утверждалось, что учение об атомах не столь ужасно, как это кажется многим. В начале XVII в. французский учёный Пьер Гассенди для обозначения частицы, состоящей из нескольких атомов, впервые вводит термин “молекула” (что в переводе с латинского означает “маленькая масса”). Атомно-молекулярные представления начинают привлекать внимание химиков и физиков. Однако до реабилитации Демокрита было ещё далеко: церковь упорно придерживалась взглядов Аристотеля и карала каждого инакомыслящего. Летом 1624 г. группа французских учёных решила организовать в Париже публичный диспут, на котором предполагалось подвергнуть учение Аристотеля резкой критике, чтобы возродить атомистическую гипотезу. Однако диспут не состоялся: устроителя арестовали, а остальным участникам диспута было предписано покинуть Париж в 24 часа. При этом французский парламент принял постановление, по которому организация подобной полемики и распространение учения об атомах впредь запрещались под страхом смертной казни. Прошло ещё почти 100 лет, прежде, чем идеи о мельчайших частицах вещества стал развивать Михаил Васильевич Ломоносов, различая два вида материи, он даёт им названия “элементы” (“атом”) и “корпускулы” (“молекула”). Но в наибольшей степени вторым рождением атомов человечество обязано английскому учёному Джону Дальтону, который впервые предпринял попытку количественного описания их свойств. Именно им было введено понятие атомного веса и составлена первая таблица атомных весов различных химических элементов [8].

Новое представление об атоме появилось лишь в 1803 году, когда английский химик Джон Дальтон начал развивать научное определение атома. Он основывался на идее древних греков в описании атомов как маленьких, твердых, неделимых сфер, как и у греческих философов, у Дальтона атомы одного элемента идентичны друг другу. Дальтон также предложил теорию о том, как атомы объединяются, образуя соединения [9]. В 1807 г. Дальтон выдвинул свою атомную теорию. Атомами он назвал составляющие всякое вещество малые частицы, которые не изменяются входе химических реакций [10].

Но атом оставался загадочным, хотя существовали попытки понять, как атомы устроены. В 1867 г. В.Томсон (Кельвин) сформулировал предположение о том, что атомы – это вихревые частицы, вращение которых объясняет их основные свойства, по аналогии с теорией гидродинамических вихрей Г.Гельмгольца (1866), в которой утверждалось, что вихри жидкости, вращающиеся в одинаковом направлении, притягиваются, а вихри, имеющие противоположное направление вращения, отталкиваются. В.Томсон выступил с докладом о вихревых атомах. Рассказав о «замечательном открытии Гельмгольца – законе движения вихрей в идеальной жидкости», он утверждал, что это открытие подсказывает мысль о том, что вихри Гельмгольца – «единственные настоящие атомы». Свойства вихревых колец подсказали В.Томсону мысль о возможности построить, основываясь на них, новую форму атомистической теории [11]. Согласно теории «вихревого атома» В.Томсона (Кельвина), атом устроен подобно кольцам дыма, выпускаемым изо рта опытным курильщиком [12].

Джордж Стони в 1874 году сформулировал теорию дискретности электричества, согласно которой электрическая энергия является результатом взаимодействия мельчайших заряженных частиц [12], и впервые дал количественную оценку минимального электрического заряда, опубликовав работу в1881 году [13]. Джордж Стони в 1891 году первый использовал термин «электрон» для одновалентного иона, заряд которого сам рассчитал десятью годами ранее [14], и предложил термин «электрон» для обозначения единицы элементарного электрического заряда, определив его как «фундаментальную единицу измерения электроэнергии»[15].

2.2. Строение вещества.

Не так много знаний было на момент открытия электрона Томсоном и о строении вещества. Существует множество явлений природы, которые можно понять, лишь зная строение вещества.

Вопрос о том, какое строение имеют вещества, занимал людей ещё в древности. Так, в V в. до н.э. древнегреческий мыслитель Демокрит высказал мысль о том, что вещество состоит из мельчайших частиц, невидимых глазом. Он считал, что существует предел деления вещества. Эту последнюю неделимую частичку, сохраняющую свойства вещества, он назвал «атомом». Демокрит также полагал, что атомы непрерывно движутся и что вещества различаются числом атомов, их размерами, формой, порядком расположения [16].

Первоначально атомное учение предполагало существование только одного вида мельчайших частиц – атомов, из которых образуются все тела окружающего мира. Все более четким становилось предположение о существовании наряду с атомами еще одного вида сложных микрочастиц вещества – молекул, состоящих из двух или нескольких атомов [17].

В 1647 году французский учёный Пьер Гассенди ввёл новое в атомную теорию, предполагая, что атомы могут соединяться в более сложные образования. Гассенди впервые вводит термин «молекула» для обозначения частицы, состоящей из нескольких атомов. Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Атомы, вступая в определенное сочетание, образуют качественно новую целостность, наделенную свойствами, отсутствующими у слагающих её частей. Атомно-молекулярные представления начинают привлекать внимание химиков и физиков [18, 19, 20].

Роберт Бойль в теоретических работах, опубликованных в нескольких сочинениях с 1661 по 1669 годы, подробно развил свои взгляды на строение вещества. Бойль подтверждает, подобно своим предшественникам, существование в природе абсолютно пустого пространства, в котором находятся материальные частицы определённой величины и формы. Атомы жидкостей находятся в постоянном движении, а твёрдых тел – в покое, промежутки же между частицами наполнены некоторым очень тонким веществом. Сцепления твёрдых тел Бойль объяснял давлением на них воздуха, а физические и химические изменения вещества – соединением и разъединением атомов [21].

Бойль сознавал необходимость корпускулярного учения для развития науки и искал объяснения различий в свойствах вещества в движении корпускул. Корпускулярно-кинетическое учение открывало возможность для развития более детальных представлений о природе окружающего разнообразия веществ и явлений. Бойлю в первой научной корпускулярной теории структуры веществ удалось объединить существовавшие на протяжении многих веков два подхода к анализу состава веществ — учение об элементах и атомистические представления. Бойль, основываясь на атомном учении Гассенди, излагал корпускулярные учение в своих трудах. В атомистике Бойля корпускулярное учение нашло свое завершение [22].

В 1704 году Исаак Ньютон опубликовал фундаментальное сочинение "Оптика", где в специальном приложении высказал свои воззрения на строение вещества. Ньютон пришёл к идее иерархического строения вещества, допуская, что "частички тел" разделены промежутками – пустым пространством, а сами состоят из более мелких частичек, также разделённых пустым пространством и состоящих из ещё более мелких частичек, вплоть до окончательно неделимых. Ньютон высказывает гипотезу о том, что свет может представлять собой сочетание движения материальных частиц с распространением волн эфира [23].

Развитие естествознания в 17 – 18 вв. характеризует завершение механистических представлений о мире. Ньютон сделал значительный шаг вперёд в области учения о строении и свойствах материи. Он исходил из того, что вещество дискретно и обладает чрезвычайно пористой структурой. Его атомистические представления являются дальнейшим развитием атомизма Лукреция, Эпикура, Галилея и Гассенди. Новое представление о строении вещества у Ньютона по сравнению с античной атомистикой состояло в рассмотрении движения атомов на основе общих законов механики. В отличие от Декарта Ньютон считал, что атомы воздействуют друг на друга не путем контакта, а при помощи сил притяжения, распространяющихся через пустоту. Прочность связи межу мельчайшими частицами зависит от их массы. Ньютон полагал, что частицы могли бы быть доступны делению, но вместе с тем утверждал, что они на части не делятся, ибо обладают силой сопротивления. Материю Ньютон отождествлял с совокупностью атомов. Материя рассматривалась как нечто лишенное собственного внутреннего движения [24].

Даниил Бернулли первый выступил с утверждением, что причиной давления газа является тепловое движение молекул. В 1738 году Бернулли в классической работе «Гидродинамика» вывел уравнение стационарного течения несжимаемой жидкости, лежащее в основе динамики жидкостей и газов. С точки зрения молекулярной теории он объяснил закон Бойля – Мариотта [25].

Объяснение газовых законов базируется на атомно-молекулярном учении и кинетической теории. Основателями кинетической теории следует считать Д. Бернулли и М. В. Ломоносова. Д. Бернулли дал математическое выражение, связывающее давление газа с движением молекул [26].

В 1741 году в работе «Элементы математической химии» Михаил Васильевич Ломоносов изложил свою корпускулярную теорию строения вещества. Согласно этой теории, все вещества состоят из мельчайших «нечувствительных» частичек. Эти частички неделимы и способны сцепляться друг с другом. Мелкие частицы Ломоносов назвал элементами, а крупные корпускулами. Вещества различны, потому что корпускулы различаются по своему составу и соединению. Ломоносов считал, что корпускулы движутся по законам механики. А так как движение корпускул влечёт изменения веществ, то и химические превращения следует изучать физическими и математическими методами. В работе «О причине теплоты и стужи» Ломоносов писал, что может быть тело горячим или тёплым, потому что в нём происходит внутреннее движение частиц [27].

Создание научной теории строения вещества стало возможно только в XVIII-XIX веках, когда физика и химия стали базироваться на точных экспериментальных данных. Экспериментальное подтверждение атомной гипотезы нашёл английский химик Джон Дальтон. В начале XIX века Дальтон открыл несколько новых эмпирических закономерностей: закон парциальных давлений (закон Дальтона), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона) и, наконец, в 1803 году – закон кратных отношений. Объяснить эти закономерности, прежде всего закон кратных отношений, не прибегая к предположению о дискретности материи, невозможно. В 1808 году Дальтон изложил свою атомистическую гипотезу в труде «Новая система химической философии». В основе атомно-молекулярного учения лежит принцип дискретности строения вещества. Основные положения теории Дальтона состояли в следующем:

1. Всякое вещество не является чем-то сплошным, а состоит из отдельных очень малых частиц – все вещества состоят из большого числа атомов (простых или сложных). Различие между веществами обусловлено различием между их частицами.

2. Атомы одного вещества полностью тождественны. Простые атомы абсолютно неизменны и неделимы.

3. Частицы (атомы) различных веществ – различны, как по массе, так и по свойствам.

4. Атомы различных элементов способны соединяться между собой в определённых соотношениях.

5. Важнейшим свойством атомов является атомный вес.

Уже в 1903 году в лабораторном журнале Дальтона появилась первая таблица относительных атомных весов некоторых элементов и соединений [28].

Шведский химик и минералог Йёнс Берцелиус в 1812-1819 годах развил электрохимическую теорию сродства, согласно которой все атомы простых тел могут быть поставлены в ряд по знаку и величине заряда. При этом металлоиды (название введено Берцелиусом) заряжены отрицательно, металлы – положительно. Самым электроотрицательным следует считать кислород, а наибольшие положительные заряды характерны для щелочных металлов. Согласно Берцелиусу, существует электрохимический ряд соединений, и все химические реакции сводятся к взаимодействию электрических зарядов, которыми обладают атомы [29].

Сущность учения Берцелиуса о химических соединениях сводится к следующим положениям:

1. Все химические элементы можно расположить в ряд, где в направлении справа налево каждый последующий элемент будет являться более электроотрицательным, чем предыдущий, и, наоборот, в направлении слева направо каждый последующий элемент будет более электроположительным.

2. Атом каждого элемента несет оба заряда, но в зависимости от места элемента в ряду один из зарядов больше.

3. Образование химических соединений происходит за счет частичной нейтрализации зарядов, так как полная их компенсация вследствие неравенства зарядов атомов невозможна.

4. Из предыдущего положения следует, что частица каждого соединения также обладает каким-либо избыточным зарядом.

Согласно Берцелиусу, каждый атом обладает двумя полюсами – положительного и отрицательного электричества, при этом относительное количество положительного или отрицательного электричества в атомах какого-либо элемента тем больше, чем ярче проявляет этот элемент свои основные или, соответственно, кислые свойства [30].

Немецкий физик Рудольф Клаузиус, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты, первым понял и проанализировал глубокие идеи С.Карно и оценил их значение для теории теплоты. Развивая эти идеи, Клаузиус в 1850 году дал первую формулировку второго начала термодинамики; «Теплота не может сама собою перейти от более холодного тела к более тёплому». Клаузиусу принадлежат основополагающие работы в области молекулярно-кинетической теории теплоты. Клаузиусу удалось с единой точки зрения объяснить такие внешне совершенно различные явления в газах, как внутреннее трение, теплопроводность и диффузия. Он ввел понятие идеального газа, а также понятие длины свободного пробега молекул, впервые вычислив (1860) эту длину. Построил кинетическую теорию перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое [31].

Четкое разграничение понятий атома и молекулы было закреплено в 1860 г. на Международном съезде химиков в Карлсруэ. На основе достижений химии в учении о веществе утвердилось, таким образом, представление о существовании двух видов микрочастиц – атомов и молекул. Все вещества (жидкие, твердые, газообразные тела) стали представлять состоящими из молекул, которые, в свою очередь, образованы путем химического соединения из неделимых, неизменных атомов. Общие представления о веществе поднялись на качественно новую ступень. Учение о дискретном строении вещества стало благодаря успехам химии уже не атомным, а атомно-молекулярным [17].

2.3. Наука об электричестве до Томсона.

Ещё в 1600 году английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввёл термин «электричество», и считал, что электричество – совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Первую теорию электричества создаёт в 1747 году американец Бенджамин Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид [32].

Важнейшим шагом вперед в развитии учения об электрических и магнитных явлениях было изобретение первого источника постоянного тока – гальванического элемента. Итальянский учёный Луиджи Гальвани препарировал лягушек. Гальвани решил, что открыл «животное электричество», т. е. электричество, которое вырабатывается в организме лягушки. Открытием Гальвани заинтересовались и физики, и врачи. Среди физиков был соотечественник Гальвани Алессандро Вольта. Проделав такого же рода исследования, Вольта пришел к выводу, что лягушка является только «прибором», регистрирующим протекание электричества, что никакого особого «животного электричества» не существует. Вольта предположил, что причиной электричества является контакт двух различных металлов. В результате длительных исследований Вольта в 1800 году построил первую гальваническую батарею – Вольтов столб. Изобретение Вольтова столба – первого источника постоянного тока имело огромное значение для развития учения об электричестве и магнетизме [33].

Классический опыт по демонстрации теплового воздействия электрического тока, который Ганс Эрстед провёл в 1820 году, является первым экспериментальным доказательством воздействия электрического тока на магниты. Эрстед помещал над магнитной стрелкой компаса прямолинейный металлический проводник, направленный параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась почти перпендикулярно проводнику [34].

Таким образом, Эрстед открыл магнитное действие электричества. Новость об открытии Эрстедом взаимодействия электрического поля и магнита быстро облетела всех физиков. Это дало толчок к выдвижению и развитию новых гипотез и объединило развивающиеся параллельно учения об электричестве и магнетизме [35].

Андре Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества [32].

Ампер подтвердил наличие взаимодействия между электрическими токами и показал силу воздействия магнитного поля в отношении находящегося внутри его проводника. Ампер, автор теории, объясняющей связь электрических и магнитных явлений, доказал, что параллельно находящиеся проводники начинают взаимно притягиваться при движении тока в одном направлении и отталкиваются при его пропускании в обратном. Ампер утверждал, что любой электрический проводник создает рядом с собой магнитное поле и в 1822 году открыл магнитный эффект соленоида [36].

Ампер провёл множество опытов по исследованию взаимодействия между магнитом и электрическим током, обнаружил, что магнитное поле Земли влияет на движущиеся проводники [37].

Работы Георга Ома касались вопросов прохождения электрического тока и привели к установлению закономерности, связывающей сопротивление цепи электрического тока, напряжение и силу тока. В 1826 году Ом формулирует открытый им закон, и затем все свои работы по этому вопросу объединяет в книге, в которой даёт и теоретический вывод своего закона, исходя из теории, аналогичной теории теплопроводности Фурье. Открытие Ома, давшее впервые возможность количественно рассмотреть явления электрического тока, имело огромное значение для науки. Дальнейшие работы Ома по электричеству относились к области униполярной проводимости (1830) и нагревания проводов током (1829) [38].

До Фарадея человечеству были известны два проявления электрической энергии – статическое электричество и гальванический ток. Оба из-за своих особенностей не смогли найти широкое практическое применение, чего не скажешь об индукционном электричестве. Индукционный ток имеет значительное напряжение, действует постоянно и проявляется в больших количествах. Изучая взаимосвязь различных видов энергии, Майкл Фарадей решил превратить магнетизм в электричество – пытался использовать свойства электромагнита в обратном направлении, чтобы с помощью магнита произвести электрический ток [39].

Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Майкл Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создаёт на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей открывает в 1834 году законы электролиза, вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привёл Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы – частицы материи. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель – проволочка с током вращалась вокруг магнита [32].

Эмилий Ленц работал, главным образом, в области электромагнетизма. Отталкиваясь от работ Фарадея, Ленц проводил опыты, призванные объяснить природу открытых им явлений. Осенью 1833 года Ленц открыл основополагающий закон электродинамики, в котором утверждалось, что любому электромагнитному явлению соответствует затраченная механическая энергия. Огромное значение для науки имели труды Ленца по установлению количества тепла, которое выделяется током в проводнике. В 1833 году Ленц обнаружил связь между электропроводностью металлов и степенью их нагревания, но окончательную версию закона представил только в 1843 году, почти в одно время с Джеймсом Джоулем [40].

Джеймс Джоуль проводил разнообразные эксперименты по превращению различных форм энергии: механической, электрической и химической в тепловую энергию. Под влиянием работ Фарадея Джоуль обратился к изучению тепловых эффектов тока и, начиная с 1841 года, занимался исследованием выделения теплоты электрическим током. В это время он открыл закон, независимо от него установленный также Ленцем. Исследуя общее количество теплоты, выделяемой во всей цепи, включая и гальванический элемент, он определил, что это количество теплоты равно теплоте химических реакций, протекающих в элементе за то же время. У Джоуля складывается мнение, что источником теплоты, выделенной в цепи электрического тока, являются химические процессы, проходящие в гальваническом элементе, а электрический ток как бы разносит эту теплоту по всей цепи. Продолжая исследования в этом направлении, Джоуль пришел к новым важным результатам, которые изложил в работе, опубликованной в 1843 г. Джоуль нашёл, что индукционный ток, как и гальванический, выделяет теплоту, количество которой пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению [41].

Венцом исследований электромагнетизма явилась разработка Джеймсом Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля в 1873 году [32].

Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Силовые линии заполняют все окружающее пространство и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Следуя Фарадею, Максвелл разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. В 1860–1865 годах Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений, описывающих основные закономерности электромагнитных явлений. Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы к электростатической. В октябре 1861 года Максвелл сообщил Фарадею о своем открытии: свет – это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитных волн [42].

Основное достижение Генриха Герца – экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла. В 1888 году, после серии трудоемких опытов, Герц экспериментально доказал существование предсказанных Максвеллом электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве [43].

Герц подробно исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал, что скорость их распространения совпадает со скоростью распространения света, и что свет представляет собой не что иное, как разновидность электромагнитных волн [44].

2.4. Катодные лучи.

В физике путь для проведения исследований электрического разряда в разреженных газах проложил Генрих Гейслер – стеклодув, механик, физик и изобретатель [45].

Гейслер был механиком в Боннском университете, где сотрудничал с Ю.Плюккером, снабжая его инструментами. В 1855 году Гейслер изобрёл вакуумный насос и в 1858 году – трубку с разрежённым газом и двумя впаянными в стекло электродами. Продемонстрировал явление свечения газа при прохождении через него электрического тока, показал, что

цвет свечения зависит от природы газа [46]. Трубки Гейслера рассматривались либо как приборы для наглядной демонстрации свечения газа, либо как забавные игрушки-светильники. Практическое применение было невозможно из-за быстрого износа трубок. Тем не менее, трубка Гейслера является родоначальницей приборов на основе электрического разряда [47].

Друг Гейслера физик и математик Юлиус Плюккер использовал эти трубки для изучения электрических разрядов в вакууме и газах. Плюккер впаял в трубку два электрода, создал между ними электрический потенциал и получил электрический ток. Под действием тока в трубках возникало свечение, характер которого зависел от глубины вакуума. При достаточно глубоком вакууме свечение в трубке исчезало, и только вблизи анода было заметно зелёное свечение стекла трубки [48]. Так Плюккер в 1859 году открывает лучи, которые испускаются отрицательно заряженным электродом и по прямой линии устремляются к аноду [49].

Иоганн Гитторф изучал прохождение электрического тока через разрежённый газ и в вакууме. Для исследования электрических разрядов в газах Гитторф в 1869 году разработал трубку собственной конструкции, в которой наблюдал лучи проводимости и описал их свойства. Для доказательства прямолинейности распространения лучей получил с их помощью тени предметов, помещённых в трубку. В 1884 году показал, что нагревание отрицательного электрода облегчает разряд в вакууме [50]. Еще раньше, в 1869 году, Гитторф обнаружил отклонение этих лучей в магнитном поле [51].

Ойген Гольдштейн, исследуя свечение в трубках Гейслера, пришел к выводу, что существуют невидимые лучи, которые испускает отрицательно заряженный электрод, и заканчиваются у противоположного конца трубки. Он назвал их «катодными лучами» и полагал, что катодные лучи представляют собой тот электрический ток, который движется внутри металлических проводов. Гольдштейн считал, что изучение природы и свойств катодных лучей может много прояснить в отношении свойств электрического тока [52]. Гольдштейн в 1876 году показал, что катодные лучи распространяются прямолинейно и испускаются перпендикулярно к поверхности катода. В 1880 году обнаружил отклонение катодных лучей в магнитном поле и исследовал одностороннюю проводимость вакуумного пространства в катодной трубке. Гольдштейн приписывал катодным лучам волновые свойства [53].

Когда Уильям Крукс в 1878 году гораздо сильнее откачал воздух из трубки, при подаче напряжения от катода отделилось еще одно, более темное пространство, которое также постепенно заполнило всю трубку, после чего анод вспыхнул зеленоватым светом. Крукс стал тщательно изучать свойства излучения, которое назвал лучистой материей. Он понимал, что столкнулся с совершенно новым явлением природы, и предлагал назвать его «четвертым состоянием вещества», которое «ни жидко, ни твердо, ни газообразно». Независимо от смысла, который Крукс вкладывал в понятие «лучистая материя», он бесспорными опытами обнаружил у нее такие свойства: она распространяется прямолинейно; вызывает свечение тел и может их даже расплавить; отклоняется в электрическом и магнитном полях; проникает сквозь твердые тела. Опираясь на эти факты, Уильям Крукс утверждал: катодные лучи, или лучистая материя, есть поток быстрых отрицательных частиц, величина которых значительно меньше размеров атомов [51]. Крукс повторил эти исследования, добившись значительно большего разрежения в трубках, которым он придавал самую различную форму. Введя в трубку радиометр, Крукс обнаружил вращение радиометра, когда он оказывался на пути катодного пучка, и сделал вывод, что катодные лучи обладают механическим действием. Поместив в трубку металлический мальтийский крест, Крукс увидел на флуоресцирующем стекле тень и пришел к выводу, что катодные лучи распространяются внутри трубки прямолинейно. Приблизив магнит к тонкому пучку катодных лучей, прошедших сквозь щель, он обнаружил, что флуоресцирующее пятно при этом сместилось, откуда заключил, что магнитное поле искривляет катодные лучи. Согласно Круксу катодные лучи образованы молекулами остаточного газа, содержащегося в трубке, которые, соприкоснувшись с катодом, заряжаются отрицательно и отталкиваются от катода. Проявляемые ими своеобразные свойства связаны не с их природой, которая остается такой же, как и у остальных известных веществ, а с их агрегатным состоянием, с высокой степенью разрежения [54]. Трубка Крукса – модифицированная сильно разряженная трубка Гейсслера. Крукс установил, что характер разряда в трубке меняется в зависимости от давления и полностью исчезает при глубоком вакууме. Трубка Крукса имеет холодный катод, а значит, генерация носителей тока может быть обеспечена только ионизацией остаточного газа и высоким напряжением между электродами [55].

Артур Шустер изучал прохождение тока через газы, доказал, что проводимость газа обусловлена его ионами. Пришел к выводу, что катодные лучи возникают в результате бомбардировки ускоренными вблизи катода в сильном поле ионами газа. Первый показал в 1884 году, что отношение заряда к массе можно определить по отклонению катодных лучей в магнитном поле. В 1890 определил верхний и нижний пределы для отношения заряда к массе частиц катодных лучей. Первый предположил (1897) существование электрона в атоме [56].

Филипп Ленард занимался катодными лучами, особенно их способностью проникать через тонкие слои металлов. После изобретения в 1892 году разрядных трубок, названных его именем, а также окошка Ленарда, впервые появилась возможность изучать катодные лучи независимо от газового разряда. Эксперименты Ленарда привели к прояснению корпускулярной природы катодных лучей [57].

Жан Перрен в 1895 году показал, что катодные лучи имеют корпускулярную природу и имеют отрицательный электрический заряд [58]. Перрен поместил внутри разрядной трубки перед катодом закрытый металлический цилиндр с небольшим отверстием против катода на расстоянии 10 см от него и соединил цилиндр с электроскопом. При работе трубки пучок катодных лучей проникал в цилиндр, причем цилиндр всегда оказывался заряженным отрицательно. Для проверки достаточно было отклонить магнитом катодные лучи так, чтобы они не проникали в цилиндр, и сразу электроскоп, присоединенный к цилиндру, оказывался незаряженным. Отсюда можно было сделать вывод: катодные лучи – это отрицательные электрические заряды, так что их материальная природа представляется значительно более вероятной, чем волновая [59].

2.5. От трубки Гейслера к кинескопу.

Карл Браун своей известности обязан в основном катодно-лучевой трубке. Первая версия, которая была сделана в 1897году, была ещё не совершенна: у неё был холодный катод и умеренный вакуум. Это требовало ускоряющих напряжений в 100 киловольт, чтобы световой след отклонённого магнитным полем луча был виден. Кроме того, магнитное отклонение было сделано только в одном направлении. Второе направление развёртывалось при помощи вращающегося зеркала, помещённого перед светящимся слоем. Однако промышленность сразу заинтересовалась открытием, и поэтому оно быстро модифицировалось. Уже в 1899 году ассистент Брауна Ценнек ввёл магнитное вертикальное отклонение, потом последовал накаливаемый катод, цилиндр Венельта и высокий вакуум. Таким образом, эти трубки могли применяться не только для осциллографов, но и в качестве основной детали телевизоров [60].

Артур Венельт проводил целый комплекс экспериментов с катодными трубками Брауна. Наибольший интерес среди работ, проводимых Венельтом, представляли эксперименты, относящиеся к усилению потока катодных лучей в трубке и изучение законов излучения нагретыми телами. Для получения сильного катодного тока при сравнительно низких потенциалах ученый воспользовался термоионными токами. В трубке, изготовленной для этой цели, катод состоял из платиновой пластинки, покрытой окисью какого-либо металла, а анод был сделан из алюминиевой проволочки. Пластинка накалялась посредством тока вспомогательной батареи и соединялась с отрицательным полюсом источника электричества, в то время как положительный полюс был соединен с алюминиевой проволочкой. Из раскаленного катода уже при разности потенциалов в 100–200 вольт начинали исходить сильные катодные лучи. В проведенных экспериментах соответствующим изменением разности потенциалов удавалось не только формировать направление катодных лучей, но и менять их скорость, в частности, в сторону ее увеличения. В 1902 году Венельт сделал важное усовершенствование катодной трубки: ввел в нее цилиндрический электрод, заряженный отрицательно, по существу это был подогреваемый катод. Изменяя силу заряда на этом электроде, можно было усиливать или ослаблять ток с катода, делая точку на экране то более яркой, то тусклой. В 1904 году ученый получил патент на катодную трубку-выпрямитель (диод), состоящий из подогреваемого катода и анода. Другим важным результатом исследований Венельта стало изобретение в 1903 году оксидного катода. Подвергнув проверке закон испускания носителей тока нагретыми телами, ученый выбрал для экспериментов образцы платиновой проволочки. Первый же опыт полностью подтвердил закон, но Венельт спустя некоторое время решил повторить эксперимент еще с одним образцом. Каково же было его удивление, когда платина начала испускать поток электронов, во много раз более сильный, чем накануне – это была окись бария. Было открыто вещество, которое по способности увеличивать катодный ток при нагреве не имеет себе равных [61].

2.6. Альтернативные взгляды на природу катодных лучей.

На протяжении всей второй половины 19 века физики активно изучали феномен катодных лучей. К концу 1880-х годов дискуссия о природе катодных лучей приняла острый полемический характер между видными учеными немецкой и английской научных школ [62].

Немецкие физики Гольдштейн, Герц, Видеманн в 1880 г. предполагали, что катодные лучи – это электромагнитные волны. Это предположение как будто подтверждалось и последующими исследованиями Герца об отсутствии у катодных лучей электрического заряда. Однако английские физики придерживались другой точки зрения. Так, Крукс рассматривал катодные лучи как поток молекул газа, находящегося внутри трубки, получивших отрицательный заряд при столкновении с катодом трубки. Артур Шустер предложил считать катодные лучи потоком отрицательно заряженных частиц, образовавшихся в результате распада молекул в газовом разряде. Экспериментальные исследования Шустера по отклонению катодных лучей в магнитном поле опровергали опыты Герца, не обнаружившего электрического заряда у катодных лучей. Из экспериментов Шустера следовало, что катодные лучи переносят отрицательный заряд [63]. Согласно Круксу, принявшему гипотезу Варли, выдвинутую в 1871 г., катодные лучи образованы молекулами остаточного газа, содержащегося в трубке, которые, соприкоснувшись с катодом, заряжаются отрицательно и отталкиваются от катода. Проявляемые ими своеобразные свойства связаны не с их природой, которая остается такой же, как и у остальных известных веществ, а с их агрегатным состоянием, с высокой степенью разрежения. Молекулярной гипотезе Крукса о природе катодных лучей противостояла волновая гипотеза, поддерживаемая немецкими учеными Видеманом. Гольдштейном, Герцем и Ленардом. Герцу не удалось добиться отклонения катодных лучей при прохождении ими электростатического поля. В 1892 г. он показал, что катодные лучи могут проникать сквозь тонкие пластинки алюминия. Используя это открытие, Ленард вывел эти лучи из трубки, заменив участок стеклянной трубки перед катодом металлической фольгой, достаточно прочной, чтобы выдержать атмосферное давление. Если катодные лучи не отклоняются электростатическим полем, как это могут быть наэлектризованные молекулы? Если это наэлектризованные молекулы, каким образом они могут проходить сквозь твердое тело? Однако волновая гипотеза несовместима с тем фактом, что катодные лучи отклоняются магнитом, потому что на световые волны магнитное поле не действует. Как молекулярная гипотеза Крукса, так и волновая гипотеза Гольдштейна оказались неудовлетворительными. Чтобы выйти из этого затруднения, нужны были дополнительные экспериментальные данные. Французский физик Жан Перрен в 1895 году показал, что катодные лучи – это отрицательные электрические заряды, так что их материальная природа представляется значительно более вероятной, чем волновая [64]. Если катодные лучи представляют собой заряженные частицы, то электрическое поле также должно их отклонять. Однако доказать, что катодные лучи отклоняются в электрическом поле, удалось далеко не сразу. Только в 1897 году Джозеф Джон Томсон, работая с трубками с очень глубоким вакуумом, сумел, в конце концов, показать, что катодные лучи отклоняются под действием электрического поля [65].

Но это совсем иная история: все исследователи катодных лучей до Дж. Томсона, исключая Крукса, работали с трубками Гейслера, а Томсон – с диодом Эдисона. Эти трубки по характеру тока принципиально отличаются как фаэтон от автомобиля. Природа тока в трубках с холодным катодом в этой работе рассматриваться не будет, но из обзора ясно, что и немецкая школа физиков, и английская были неправы.

2.7. Теория излучения нагретых тел до 1900 года.

Испускаемый источником свет уносит с собой энергию. В тех случаях, когда необходимая энергия сообщается нагреванием, излучение называется тепловым. Этот вид излучения для физиков конца XIX века представлял особый интерес, так как в отличие от всех других видов люминесценции, тепловое излучение может находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами. Изучая закономерности теплового излучения тел, физики надеялись установить взаимосвязь между термодинамикой и оптикой [66].

В конце XIX века физикам казалось, что понимание окружающего мира практически наступило. Успехи существовавших теорий механических и электромагнитных явлений были грандиозны, а решение нескольких оставшихся проблем, которые поставила оптика, казалось «делом техники» и ближайшего будущего. Одной из таких проблем было непонимание того, как нагретые тела испускают излучение: почему это происходит вообще и, в частности, по каким законам. Известно, что любое тело при нагревании выше 500° С начинает испускать свет. Опыты по исследованию теплового излучения показали, что любое тело всегда испускает излучение всех длин волн, то есть спектр волн. И при каждой температуре максимум излучаемой телом энергии приходится на конкретное значение длины волны. В 1893 году немецкий учёный В. Вин теоретически вывел, а в 1896 году уточнил формулу, описывающую положение максимума энергии в спектре излучения тела в зависимости от его температуры. Эта формула хорошо согласовывалась с опытами в области коротких волн, однако для длинноволновых излучений формула значительно расходилась с экспериментальными данными. В 1900 году английские учёные У. Рэлей и Д. Джинс теоретически вывели другую формулу, описывающую спектр теплового излучения. Она давала согласующиеся с опытом результаты для длинных волн, а для коротких волн предсказывала бесконечно большую энергию излучения. Это означало, что любое тело должно «излучить» всю свою энергию и охладиться до абсолютного нуля, чего не наблюдается в окружающем нас мире. Стала очевидной неудача описать характер теплового излучения, охватывая весь диапазон длин волн. Поэтому теории, перешедшие в XX век из физики предыдущего века, нужно было пересматривать. Все они исходили из представлений об излучении исключительно как о волне, непрерывно переносящей энергию [67].

a3 Открытие электрона.

3.1. Возникновение понятия тока как движения электронов.

С 1895 года Джозеф Джон Томсон начинает методическое количественное изучение отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. В своем опыте Томсон доказал, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества. Суть опытов и гипотезу о существовании материи в состоянии ещё более тонкого дробления, чем атомы, Томсон опубликовал в 1897 году [68]. Дж. Томсон изучал катодные лучи на разрядной трубке, которая имела горячий катод и анод с отверстием, за ним располагался еще один электрод с потенциалом, близким к потенциалу анода, и таким же отверстием. Эта часть трубки создавала тонкий пучок электронов с достаточно большой кинетической энергией (напряжение между катодом и анодом составляло киловольты). После выхода из электронной пушки пучок направлялся в пространство между пластинами конденсатора и катушками индуктивности. В этой области создавались скрещенные электрическое и магнитное поля; для того, чтобы избежать экранировки электрического поля, в трубке создавался высокий вакуум. Из опытов выяснилось, что катодные лучи отклонялись как в электрическом, так и в магнитном поле, причем при некотором значении полей магнитная и электрическая компоненты, действовавшей на заряженные частицы луча, оказывались противоположными, и пучок не отклонялся. Однако Томсон с помощью своей трубки не просто произвел качественное исследование катодных лучей: он измерил удельный заряд частиц, из которых они состояли, для чего наблюдал, как нагревается экран от их ударов. Зная теплоемкость экрана, и наблюдая за изменением его температуры, была рассчитана скорость электронов. Наблюдая направление отклонения пучка в электрическом и магнитном полях, Томсон заключил, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц [69], которые являются универсальным строительным материалом для атомов и назвал эти частицы «корпускулами» [70]. Корпускулы вскоре стали называться «электронами». Сразу же стало ясно, что электроны обязаны существовать в составе атомов – иначе, откуда бы они взялись? 30 апреля 1897 года, дата доклада Томсоном полученных им результатов на заседании Лондонского королевского общества, считается днем рождения электрона. И в этот день отошло в прошлое представление о «неделимости» атомов [71].

3.2. Строение атома Томсона.

После открытия в 1897 году электрона, Дж. Томсон в 1904 году предложил «пудинговую модель атома». Томсон предположил, что отрицательно заряженные «корпускулы» входят в состав атома и находятся в облаке положительного заряда, равного размеру атома. Суммарный электрический заряд корпускул равен заряду положительно заряженного облака, обеспечивая электронейтральность атомов. Корпускулы в модели Томсона распределены внутри положительно заряженного облака с одинаковой по объёму плотностью заряда, подобно изюминкам в тесте пудинга. С точки зрения Томсона атомы элементов состоят из нескольких отрицательно заряженных корпускул, заключённых в сферу. Согласно этой модели, корпускулы могли свободно вращаться в облаке положительно заряженной субстанции. Их орбиты стабилизировались тем, что при удалении от центра положительно заряженного облака, корпускула испытывала увеличение силы притяжения, возвращающей её обратно, поскольку внутри её орбиты было больше вещества противоположного заряда, чем снаружи. В модели атома корпускулы могли свободно вращаться по кольцам [72].

Модель атома Томсона – одна из ранних моделей строения атома, предложенная вскоре после открытия электрона, но до открытия атомного ядра. В 1897 году в физике произошло знаменательное событие: Дж. Томпсон открыл электроны, тем самым экспериментально подтвердив предположение, что атом не является «монолитной» частицей. Однако точного представления, что собой представляют элементарные частицы, не было. После серии экспериментов выяснилось, что электроны отрицательно заряжены, а между тем уже было известно, что атомы имеют нейтральный заряд. Томсон разумно предположил, что в атоме должен быть некий источник положительного заряда для компенсации отрицательного заряда корпускул. Публикация вызвала неподдельный интерес у научного сообщества. Однако прочных доказательств она не имела, а, следовательно, критиковалась многими авторитетными физиками. Впрочем, она соответствовала тем представлениям и экспериментальным данным, которые были известны на то время [73].

a4. Внедрение взглядов Томсона в современную науку.

4.1. Следствия объяснения Томпсоном эффекта Эдисона.

Дж. Томсон открыл электрон, чем сделал значительный вклад в теорию строения атома. Открытие электрона сразу же внесло ясность в сущность природы катодных лучей. Катодные лучи – поток электронов, излучаемый катодом вакуумной трубки. Катодные лучи состоят из электронов, ускоряемых в вакууме разностью потенциалов между катодом и анодом, т.е. электродами, находящимися соответственно под отрицательным и положительным потенциалом относительно друг друга. Для возникновения катодных лучей необходим выход электронов с катода в межэлектродное пространство, которое может происходить в результате нагрева катода [74].

Открытие природы катодного тока позволило Томсону стать автором теории электрического тока. Электрический ток представляет собой направленное движение электрических зарядов – электронов. Непрерывное движение электронов в замкнутой цепи от источника (генератора), вырабатывающего их, до потребителя (электродвигателей, лампочек освещения и т. д.) по проводнику, соединяющему эти элементы, называется электрическим током. Перемещение электронов происходит под влиянием электродвижущей силы тока, которая поддерживает разность потенциалов в различных точках цепи [75].

С открытием электрона стало ясно, что катодный ток в трубке Томсона появлялся в результате испускания электронов нагретым металлом подогревателя. Термоэлектронная эмиссия – это испускание электронов нагретой поверхностью. Эффект протекания тока в вакууме между отрицательным нагретым и положительным электродами был открыт в 1884 г. Эдисоном и объяснён в 1887 г. Томсоном [76]. Таким образом, Томсон открыл ещё одну область для исследований в физике – термоэлектронную эмиссию.

О наименьших частицах, составляющих всю материю, было известно еще в древности. Однако, основоположниками «атомизма» принято считать философа Древней Греции Левкиппа и его ученика Демокрита, который ввел термин «атом» –«неделимый». Но стало известно, что атом все же можно разделить на два физических объекта: ядро и электрон. Последний впоследствии и стал первой элементарной частицей, когда в 1897 году Джозеф Томсон провел эксперимент с катодными лучами и выявил, что они представляют собой поток одинаковых частиц с одинаковыми массой и зарядом [77]. С открытием электрона рухнуло представление о неделимости атома, и вслед за этим начали формироваться исходные идеи совершенно неклассической теории поведения электронов в атомах [78]. Таким образом Томсон открыл электрон (хотя называл его «корпускула»), и показал, что атомы не являются неделимыми. За это открытие он получил Нобелевскую премию в 1906 году [79]. Дж. Томсона по праву можно назвать человеком, который расщепил атом [80].

Благодаря открытию электрона Дж. Томсон внёс значительный вклад в теорию строения вещества. Какова природа сил, связывающих атомы в молекуле? Ответ на этот вопрос искали с момента появления атомистической гипотезы строения вещества. Дальнейшее развитие теории химической связи стало возможным после открытия электрона. Первым высказал электронную концепцию Дж. Томсон в 1907 году. Он предположил наличие в атомах определенной устойчивости электронных конфигураций, которые могут реализоваться при потере или присоединении к ним электронов [81].

4.2. Влияние открытия электрона на развитие науки.

Последствия открытия Дж. Томсоном электрона, который может беспрепятственно покинуть свой атом при нагревании металла, не заставили долго себя ждать, особенно после подтверждения авторитетом Нобелевского комитета.

Уже в 1900 году П. Друде, а в 1904 году Х. Лоренц создали классическую теорию проводимости металлов. Металлический проводник состоит из положительно заряженных ионов и свободных электронов, способных перемещаться по всему объему проводника. Таким образом, электрические свойства металлов обусловлены наличием в них свободных электронов с концентрацией, которая примерно соответствует концентрации атомов. Эти электроны называются электронами проводимости. Они образуются путем отрыва от атомов металлов их валентных электронов. Такие электроны не принадлежат какому-то определенному атому и способны перемещаться по всему объему тела. В металле в отсутствие электрического поля электроны проводимости хаотически движутся и сталкиваются, чаще всего с ионами кристаллической решётки. Совокупность этих электронов можно приближенно рассматривать как некий электронный газ, подчиняющийся законам идеального газа. Средняя скорость теплового движения электронов при комнатной температуре составляет примерно 10⁵м/с. Экспериментальное доказательство того, что ток в металлах создается свободными электронами, было дано в опытах Л.И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1912 г., результаты не были опубликованы), а также Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г.). Они обнаружили, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводнике катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами – электронами. Следовательно, электрический ток в металлах – это направленное движением свободных электронов [82].

Теорию термоэлектронной эмиссии разработал в 1902 году О.Ричардсон [83]. Термоэлектронная эмиссия (эффект Ричардсона, эффект Эдисона) – явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным. При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона – Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики [84]. При нагревании металла энергетическое распределение электронов в зоне проводимости меняется. Появляются электроны с энергией, превышающей уровень Ферми. Незначительное количество электронов может приобрести энергию, которая превышает работу выхода. Такие электроны могут выйти за пределы металла, в результате чего возникает эмиссия электронов. Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода и свойств поверхности (уравнение Ричардсона – Дешмана). Приведенное уравнение справедливо для металлов. За исследования термоэлектронной эмиссии в 1928 году Оуэн Ричардсон получил Нобелевскую премию по физике [85].

Несмотря на огромное количество свободных электронов в металле, располагаются они по энергетическим уровням потенциальной ямы в строгом порядке. Каждый электрон занимает вакантное место на возможно более низком уровне. Самый высокий энергетический уровень потенциальной ямы металла, занятый электронами при Т = 0, называется уровнем Ферми. Энергия электрона, находящегося на этом уровне, называется энергией Ферми. Все энергетические уровни, расположенные выше уровня Ферми, при Т = 0 оказываются абсолютно пустыми. Свое название этот уровень получил в честь выдающегося итальянского физика Э. Ферми, разработавшего совместно с известным английским физиком П. Дираком теорию поведения коллективов частиц, ведущих себя как электроны в металле. Характер распределения частиц по разным уровням или состояниям в тех или иных условиях определяется функцией распределения Ферми – Дирака. В общем случае функция распределения описывает вероятность занятости того или иного уровня частицами. Способность твердых тел проводить электрический ток связана с возможностью перехода электронов на более высокие энергетические уровни, то есть определяется возможностью получения электронами ускорения во внешнем электрическом поле. В металлах при Т > 0 такая возможность имеется только у электронов, находящихся в области размытия функции распределения, так как реальные электрические поля не в состоянии вырвать электроны из глубины потенциальной ямы и перевести их на свободные уровни. Следовательно, при Т > 0 энергия Ферми имеет смысл наиболее вероятной или средней энергии электронов металла, могущих принять участие в проводимости при данной температуре [86, 87].

Модель свободных электронов, также известна как модель Зоммерфельда или модель Друде – Зоммерфельда – простая квантовая модель поведения валентных электронов в атоме металла, разработана Арнольдом Зоммерфельдом на основе классической модели Друде с учётом квантово – механической статистики Ферми – Дирака. Электроны металла рассматриваются в этой модели как Ферми-газ. Отличие модели Зоммерфельда от модели Друде в том, что в кинетических процессах участвуют не все валентные электроны металла, а только те, которые имеют только часть энергии от энергии Ферми. Это ограничение возникает благодаря принципу Паули, запрещающему электронам иметь одинаковые квантовые числа. Как следствие при конечных температурах состояния с низкими энергиями заполнены, что препятствует электронам изменить свою энергию или направление движения. Если в модели Друде электроны металла делились на связанные и свободные, то в квантовой механике вследствие принципа тождественности частиц электроны коллективизированы и принадлежат всему твёрдому телу. Остовы атомов металла образуют периодическую кристаллическую решётку, в которой состояния электронов характеризуются квазиимпульсом. Энергетический спектр электронов металла распадается на зоны, важнейшей из которых является частично заполненная зона проводимости, образованная валентными электронами. Модель Зоммерфельда не конкретизирует закон дисперсии для электронов в зоне проводимости, считая лишь, что отклонения от параболического закона дисперсии свободных частиц незначительны. В начальном приближении теория пренебрегает электрон электронным взаимодействием, рассматривая электроны как идеальный газ [88].

Открытие электрона сразу оказало влияние на все дальнейшее развитие физики. В 1898 году несколько ученых: К. Рикке, П. Друде и Дж. Томсон, независимо друг от друга, выдвинули концепцию свободных электронов в металлах. Эта концепция в дальнейшем была положена в основу теории Друде-Лоренца. А. Пуанкаре свою фундаментальную работу по теории относительности озаглавил "О динамике электрона". Но все это было не только началом бурного развития физики электронов, но и началом революционного преобразования основных физических положений [89]. Металлическая связь – химическая связь, обусловленная наличием относительно свободных электронов. Так как металлы являются кристаллическими веществами, число валентных электронов атома металла недостаточно для образования связей со всеми его соседями (так как соседей много). Поэтому в металлах небольшое число электронов одновременно связывает большое число атомных ядер, а сами электроны могут перемещаться в металле. Иначе говоря, в металлах имеет место сильно делокализованная химическая связь [90].

Эрнестом Резерфордом и Нильсом Бором была создана теория химической связи, осуществляемая путем перераспределения электронов между атомами. Основы этой теории были представлены в работах Вальтера Косселя, Джильберта Льюиса, Ирвина Ленгмюра. Коссель предложил (1915 г.) статическую электронную теорию строения атомов и молекул. Образование молекул происходит вследствие передачи определенного числа электронов от атома одного элемента (металла) к атому другого элемента (неметалла). В результате такого перераспределения электронов каждый атом должен иметь внешнюю оболочку, аналогичную устойчивой электронной оболочке благородного газа. При этом атом металла приобретает положительный, а атом неметалла – отрицательный заряд. Соединение между ними обусловливается в соответствии с законом Кулона силами электростатического притяжения. Такая химическая связь называется ионной. Примерно в то же время (1916 г.) Льюис предпринял попытку объяснить механизм образования химической связи между любыми атомами. Затем теория Льюиса была развита Ленгмюром. Теория Льюиса – Ленгмюра исходит из особой стабильности двух- или восьмиэлектронных внешних оболочек атомов и стремления атомов, участвующих в образовании молекулы, иметь такие оболочки. Химическая связь в данном случае осуществляется посредством образования общей электронной пары, в которую каждый атом дает по одному электрону из своей внешней оболочки. Такую химическую связь Ленгмюр назвал ковалентной [81].

a5. Опыт Томсона, в котором был открыт электрон.

Трубка Крукса – вакуумная трубка, изобретённая Уильямом Круксом для исследования электрических разрядов при низких давлениях. В 1897 году трубкой Крукса пользовался Дж. Томсон для демонстрации существования электронов [91].

Английский химик У. Крукс сконструировал первые трубки в 1875 году, и все они испускали излучение. Крукс обратил внимание, что фотографические пластинки, полежавшие рядом с работающей трубкой, затуманивались [92].

В 1879 г. английский физик У. Крукс создает вакуумные трубки с впаянными внутри их различными люминесцирующими веществами, вертушками и другими устройствами. Под действием катодных лучей вещества испускали разноцветные световые лучи, вертушки вращались, отбрасывая тень на поверхность стеклянной колбы, светившуюся таинственным зеленым светом. Эксперименты с круксовыми трубками привлекли внимание людей, далеких от физики, к физическим явлениям, вызванным катодными лучами [93].

В 1895 г. Крукс проводил эксперименты по электрическому разряду в газах при низких давлениях. Используя стеклянную трубку, которую называют трубкой Крукса, он наблюдал свечение стекла при очень низких давлениях газа. Если стекло на конце трубки, противоположном катоду, было покрыто фосфоресцирующим материалом, этот конец трубки сильно светился. Крукс обнаружил, что когда он помещал внутри трубки препятствие в форме креста, то в области свечения появлялась его тень [94].

До Крукса все физики проводили исследования на трубках Гейслера с холодным катодом. С 1975 года с такими трубками работал и Крукс. Но в 1895 году, за два года до открытия электрона Томсоном, Крукс изобрёл катодную трубку, в которой первым использовал изобретение Эдисона – горячий катод. Катод представлял металлическую нить накала, подсоединённую к батарее. Высоковольтная батарея создавала электрическое поле в пространстве между катодом и покрытым фосфором анодом, а электрод-маска в виде креста отбрасывала тень на анод. Сам анод светился благодаря ударам катодных лучей по его фосфоресцирующему покрытию. Данный опыт показывал, что действительно от катода исходят некоторые лучи, излучение которых сопровождается протеканием тока в цепи катод-анод [69].

Крукс на своей трубке поставил ряд блестящих опытов, для чего он гораздо сильнее откачал воздух из трубки. Крукс понял, что столкнулся с совершенно новым явлением природы, и предлагал назвать его «четвертым состоянием вещества». Независимо от смысла, который Крукс вкладывал в понятие «лучистая материя», он бесспорными опытами обнаружил у нее такие свойства: она распространяется прямолинейно, вызывает свечение тел и может их даже расплавить, отклоняется в электрическом и магнитном полях, проникает сквозь твердые тела. Опираясь на эти факты, Уильям Крукс утверждал: катодные лучи, или лучистая материя, есть поток быстрых отрицательных частиц, величина которых значительно меньше размеров атомов [51].

В 1874 году Джордж Стони формулирует теорию дискретности электричества, согласно которой электрическая энергия является результатом взаимодействия мельчайших заряженных частиц – электронов. Правда, само понятие «электрон» ученый ввел значительно позже – в 1891 году. Так он обозначил единицу элементарного электрического заряда [12]. В начале века в физике бытовали самые разные и часто фантастические представления о строении атома. Например, ректор Мюнхенского университета Фердинанд Линдеман в 1905 году утверждал, что «атом кислорода имеет форму кольца, а атом серы – форму лепешки». Продолжала жить и теория «вихревого атома» лорда Кельвина, согласно которой атом устроен подобно кольцам дыма, выпускаемым изо рта опытным курильщиком. Конкретные представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества. Мысль об электронном строении атома, впервые высказанную В. Вебером в 1896 году, развил Л. Лоренц. Именно он создал электронную теорию, согласно которой электроны входят в состав атома [95, 96].

Томсону было известно, что при пропускании тока через проводник выделяется теплота. Это было показано в работах Эрстеда в 1820 году [34], Ленца в 1843 году [40] и Джоуля также в 1843 году [41].

Для того, чтобы понять сущность катодного тока в трубке Крукса, надо иметь представление о строении вещества подогревателя (угля в лампе Эдисона и металла в трубке Крукса), знать физику его поверхности, природу излучения нагретых тел, теорию химической связи, теорию теплоты и физику процесса теплопередачи. Состояние научных знаний на момент открытия электрона было таковым, что Томсон ничего этого не знал. Тем более, Томсон не имел ясного представления о роли электронов в атоме.

Трубка Крукса, на которой Томсон открыл электроны, в отличие от оригинальной, имела стационарно установленные пластины конденсатора и катушки индуктивности. Благодаря им создавались скрещенные электрическое и магнитное поля. Из опытов выяснилось, что катодные лучи отклонялись как в электрическом, так и в магнитном поле. Наблюдая направление отклонения пучка в электрическом и магнитном полях, Томсон также заключил, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц. Однако Томсон с помощью своей трубки не просто произвел качественное исследование катодных лучей – он измерил удельный заряд частиц, из которых они состояли. Для этого он наблюдал, как нагревается экран от их ударов: при достаточно разреженном газе в трубке вся энергия катодных лучей в хорошем приближении переходит в тепло. Зная теплоемкость экрана, и наблюдая за изменением его температуры, можно получить скорость электронов. С другой стороны, электрон, пролетающий пространство между катушками индуктивности, в котором существует магнитное поле, начинает из-за действующей на него силы Лоренца двигаться по окружности. Радиус кривизны траектории электрона можно определить, зная геометрию катодной трубки и сдвиг электронного пучка на экране. Из полученных результатов легко вывести выражение для абсолютного значения удельного заряда электрона [69].

Всё, что экспериментально установил Томсон, задолго до него установили Крукс, Стоуни и Вебер. В 1897 году Шустер первым предположил существование электрона в атоме [56]. Относительно теоретических результатов каждому понятно, что на трубке Крукса их получить нельзя. Тем более, что надо знать теплоёмкость стекла экрана, а исследования теплоёмкости простых стёкол впервые проведены только в 1919 году [97].

Исходя из открытия Томсона, считалось, что металлический проводник состоит из положительно заряженных ионов и свободных электронов, способных перемещаться по всему объему проводника. Электрические свойства металлов обусловлены наличием в них свободных электронов [82]. Но в 1904 году Винельт предложил в качестве эффективного катода использовать оксид бария [98]. И сразу, не смущаясь, и оксидному катоду приписали термоэлектронную эмиссию [99]. Хотя уже этот факт указывал на ошибку Томсона, когда он открыл, что носителями тока в трубке Крукса являются корпускулы. Следует отметить, что ещё в 1600 году английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввёл термин «электричество», и считал, что электричество – совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов [32].

Рассмотрим электрическую лампу-диод Эдисона. Если в лампе течёт катодный ток, то угольная нить по Томсону излучает электроны. Отключим катодный ток, и пусть лампа светит обычным образом. Что в этом случае излучает угольная нить? Выключим нагретую лампу. Что теперь излучает угольная нить? Очевидно, что в зависимости от режима: ток, свет или просто остывание угольной нити, излучение должно быть идентичным.

Томсон не имел ясного представления о роли электронов в атоме (пудинг с изюмом) и предназначил им только функцию носителей тока. Информации для открытия электрона у Томсона было явно недостаточно. Но Томсон предположил, что раз есть ток, должны быть и его носители, которые в 1000 раз меньше атома водорода. А если есть носители тока в виде электронов, то в состав атома входят электроны. Значит, электрон, как частица, не был открыт непосредственно, а только постулирован.

Таким образом, Дж. Томсон никогда не открывал электрона, а применил железную логику, достойную только как инструментарий анекдота. Обман, что ток – направленное движение электронов вошёл в науку и процветает в ней уже более 120 лет. Все области физики, в которых электрический ток – направленное движение электронов, также являются сплошным обманом.

Альфред Нобель установил свои премии для процветания науки, а получилось, что только для её стагнации. Необузданное желание учёных, во что бы то ни стало, получить премию, приводит к фальсификации науки. Любая глупость, подкреплённая Нобелевской премией в физике, становится физическим законом. Никто не хотел противоречить Нобелевскому комитету, чтобы получить свою премию, и получали.

a6. Знания, необходимые для понимания сущности катодного тока.

Дж. Томсон открыл электрон в составе атома, назвав его носителем тока катодных лучей в трубке Крукса, и электрический ток от Томсона до наших дней стал направленным движение электронов. Но постичь природу тока, как и других физических и химических свойств объектов окружающего мира, без знания строения атома невозможно. Томсон, наоборот, из постулата о носителе тока открыл электрон атома. Благодаря мистификации Дж. Томсона об атоме как носителе тока, наука в первой четверти 21 века ещё не знает, что такое ток луча электронно-лучевых трубок.

Каково же состояние знаний о строении физических объектов? Хотя разработано бесчисленное множество теорий строения атома, но, если теория бессильна ответить на вопрос о теплопередаче между физическими объектами и внутри тел газообразных, жидких и твёрдых, такая теория далека от истины, так как она заводит науку в глухой тупик.

В работах [100, 101] показано, что физика по состоянию на 9.10.2016 года не знает, что такое строение атома, энергия, строение физических объектов, теплота, излучение и поглощение тепла, теплопередача между телами и внутри тел, физика поверхности. Но эти знания необходимы для понимания природы электрического тока, что позволит познать сущность катодного тока электронно-лучевой трубки с подогреваемым катодом.

6.1. Теория строения атома [100].

После того, как в начале XX-го века экспериментально установили, что атом не является элементарной частицей, было предпринято немало попыток создать его физическую модель. Однако дело оказалось столь сложным, что физическая наука была вынуждена отказаться от физической модели, заменив ее моделью математической – очень сложным математическим аппаратом волновой механики.

Построить верную модель атома нельзя, не зная, прежде всего сущности энергии, процесса обмена энергией между телами естественным путём в природе и в технике. Только имея теории излучения нагретых тел, поглощения энергии более холодными телами, теорию света, электрического тока, радиоволн можно приступать к моделированию атома. Никакая теория с тысячью формул не нужна, если она не может объяснить физических процессов.

Однако, современная математическая модель атома неспособна объяснить физики процессов всего комплекса вопросов, связанных с поглощением и излучением энергии. Камнем преткновения в создании модели строения атома было представление, что при ускоренном движении электрон должен упасть на ядро. Теоретическая физика не может ответить на вопрос: почему электрон не излучает?

Прежде, чем ответить на этот вопрос строения атома, надо иметь представление об обратимом процессе излучение – поглощение. Необходимо разобраться с вопросом, что такое теплота, как и чем Солнце согревает Землю, понять процесс термического расширения физических объектов и их перехода в различные состояния в зависимости от внешних условий, и теория строения и функций атома откроется сама собой.

На пути создания теории строения атома модель Резерфорда была последним этапом истины. Далее приоритет был отдан выдумкам, к которым слишком склонны физики-теоретики. С кванта в теории строения атома Бора теоретическая физика оторвалась от реальности и стала рассказывать нобелевские сказки о строении атома. Теоретическая физика заблудилась на пути своего развития и зашла в глухой тупик, из которого нет выхода.

Функция электрона в атоме. Каждый знает, если протопить печь, в доме становится тепло. Как же происходит обмен теплом между нагретыми и холодными телами? Если такой процесс происходит, в телах должен быть механизм передачи энергии. Элементарной частицей любого тела является атом, в атоме и нужно искать такой механизм.

Как происходит процесс приёма и передачи энергии между физическими объектами? Самыми подвижными элементами атома являются электроны. Если тело может поглощать энергию и излучать её, в атоме должно быть устройство, обеспечивающее эти процессы. Подсказку даёт система генерации и передачи радиоволн: электроны атома должны быть колебательным контуром по приёму и передаче электромагнитного излучения.

Электрон универсален, колебательный контур электрона может быть поочерёдно передатчиком и приёмником электромагнитного излучения. Электрон – корпускула, обладающая свойствами излучать и принимать электромагнитные волны. Электромагнитная модель электрона – передающий генератор и радиоприёмник. Каждый электрон горячего тела – осциллятор (генератор электромагнитных колебаний). Каждый электрон холодного тела – резонатор (приёмник колебаний). Электрон одновременно поглощать и излучать энергию не может, идёт цикл поглощения и цикл излучения. В электроне один колебательный контур, который попеременно работает как осциллятор или резонатор.

Угловая скорость вращения электронов на всех орбитах атома постоянная, а окружные скорости зависят от радиуса орбиты и изменяются от минимума до максимума на каждом обороте электрона. Окружная скорость электронов у различных химических элементов всегда постоянная и равная. Если б было иначе, обмен энергией между физическими объектами был бы невозможен. Абсолютно все электроны Вселенной имеют идентичное устройство, колебательный контур их настроен на одну волну передачи-приёма энергии.

Модель строения атома. Когда физические объекты находятся в каком-то замкнутом пространстве (например, в комнате) и между ними нет обмена теплом, атомы в них находятся в стабильном состоянии. В атомах нет процессов излучения или поглощения энергии, ядра атомов вращаются с постоянной угловой скоростью, электроны вращаются на орбитах, соответствующих температуре пространства. Подведём итоги и рассмотрим строение атома в стабильном состоянии.

1. Атом состоит из ядра и электронов, которые вращаются вокруг ядра.

2. Ядро и электроны атома вращаются вокруг оси за счёт собственного вращающегося электромагнитного поля, которое одновременно является вращающим.

3. Электроны вращаются вокруг ядра вращающим электромагнитным полем ядра.

4. Электромагнитное поле ядра расставляет электроны по местам и поддерживает их движение.

5. Все электроны атома вращаются по круговым орбитам, плоскости которых проходят через ядро.

6. Электроны атома являются колебательным контуром по приёму и передаче электромагнитного излучения.

7. Электрон универсален, его колебательный контур поочерёдно может быть передатчиком и приёмником электромагнитного излучения.

8. Угловая скорость вращения электронов на всех орбитах атома постоянная.

9. Окружные скорости зависят от радиуса орбиты и изменяются от минимума до максимума на каждом обороте электрона.

10. Окружная скорость электронов у различных химических элементов всегда постоянная и равная.

11. Абсолютно все электроны Вселенной имеют идентичное устройство, колебательный контур их настроен на одну волну передачи-приёма энергии.

12. Орбиты электронов располагаются на силовых линиях вращающего электромагнитного поля ядра.

13. Вращающее электромагнитное поле атома образуют протоны ядра, каждый протон – одну группу силовых линий.

14. Электрон движется по круговой орбите на своей силовой линии поля с более ярко выраженной напряженностью.

15. Все электроны атома имеют одинаковое направление вращения.

16. Электроны занимают места на своих орбитах по принципу минимума потенциальной энергии атома.

17. Электроны располагаются по всей сфере электромагнитного поля, образованного ядром.

18. На каждом обороте ядра изменяется мощность вращающего электромагнитного поля.

19. Во время поглощения энергии мощность электромагнитного поля увеличивается, и силовые линии удаляются от ядра, при излучении энергии мощность электромагнитного поля уменьшается, и силовые линии приближаются к ядру.

Но, когда в пространстве, в котором находятся физические объекты, появляется градиент температур (например, затопили печь), все атомы пространства приступают к излучению – поглощению энергии: переходят в мобильное состояние. Рассмотрим, что такое энергия и как происходит обмен энергией между физическими объектами.

6.2. Теория энергии [100, 101].

Существуют два вида энергии: в состоянии покоя и в движении – потенциальная энергия и кинетическая энергия. Потенциальная энергия физического объекта – его внутренняя энергия, уровень потенциальной энергии определяется высотой электронов над ядром. Кинетическая энергия – энергия в движении в виде электромагнитных волн как средство передачи энергии от одного физического объекта к другому. Кинетическая энергия атомов – электромагнитные волны, которые могут преобразовываться в другие виды энергии: теплоту, свет, радиоволны, электричество и др. Электромагнитные волны возникают только при разности потенциалов состояния между физическими объектами. Внутренняя энергия физических объектов спонтанно переходит от горячего тела к холодному посредством излучения энергии.

Энергия присуща каждому физическому телу (объекту). Подпитка внутренней энергии физических объектов происходит за счёт внешних источников: солнечной энергии, тепловой энергии сжигания топлива или внутренней энергии других тел. Внешние источники пополнения тел энергией могут быть временными (сжигание топлива, пища для фауны) или постоянными (энергия Солнца, питание для флоры). При разности потенциалов потенциальная энергия объекта превращается в кинетическую и через электромагнитное излучение переходит к объекту с меньшей потенциальной энергией. Таким образом, энергия может быть в покое (потенциальная энергия) и в движении (кинетическая энергия).

Электромагнитная волна – способ передачи потенциальной энергии путём превращения её в кинетическую от одного атома другому, имеющему меньшую потенциальную энергию, посредством колебательного контура электронов. Электрон формирует и излучает электромагнитные волны. Поглощающий электрон своим колебательным контуром принимает электромагнитные волны, часть кинетической энергии превращает в свою потенциальную, остальную энергию передаёт дальше соседнему атому при наличии разности потенциалов состояния. Единственным средством передачи энергии тепловой, световой, ультрафиолетового излучения, электрического тока и, тем более, радиоволн, является электромагнитные волны.

6.3. Теория строения физических объектов [101].

Развитие химии привело к созданию теории строения молекул. Но единичная молекула ещё не определяет строения физического объекта. Автор ещё в 1977 году для описания строения стекла ввёл понятие коллективной химической связи. В процессе варки стекла из отдельных сырьевых компонентов, в конце концов, образуется стекломасса с определённым набором атомов. Каждый атом, имея свой электрический заряд, вступает во взаимодействие с другими, в результате образуется физическое поле с учётом гравитационной составляющей, что и является структурой твёрдого тела. Структура стекла должна быть равновесной для каждой температуры. В подвижном маловязком расплаве образуется структура с наименьшей потенциальной энергией. В застывшем стекле нет никаких движений структурных единиц. Нет движущих сил и достаточной энергии, чтобы атом мог совершить переход (скачёк) в другое положение.

Электрически нейтральные молекулы, собранные вместе, не смогут обеспечить прочность твёрдого тела, вязкости жидкости, текучести газа. Макромоделью такого представления может быть любой сыпучий материал. В массивных телах вступает в силу коллективная химическая связь, под влиянием воздействия силового электромагнитного гравитационного поля (эфира) происходит деформация молекул для обеспечения устойчивого состояния с минимальной потенциальной энергией. Каждая молекула теряет электрическую нейтральность и образует прочные межмолекулярные силы благодаря взаимодействию электромагнитного поля физического объекта и гравитационного поля. Это положение является универсальным и относится ко всем агрегатным состояниям: твёрдым телам, жидкостям и газам.

Любое вещество или смеси веществ в твёрдом, жидком и газообразном состоянии образуют устойчивое электрическое поле согласно электрических зарядов атомов и электронов. В этом физическом поле каждый атом занимает оптимальное положение с минимальной потенциальной энергией. В физическом объекте нет внутренних сил, способных хоть на малейшее расстояние сдвинуть какой-либо атом структуры со своего положения. Такое состояние физического объекта является результатом коллективной химической связи.

Независимо от типа химической связи согласно теории строения молекул, при синтезе физического объекта немедленно возникает коллективная химическая связь. В коллективной химической связи положение атомов в молекуле значительно отличается от теоретических представлений строения молекулы. Коллективная химическая связь во взаимодействии с гравитационным полем (эфиром) определяет все свойства физического объекта.

Есть ли в стекле химические соединения? В нормальных условиях для кристаллических веществ химическое соединение всегда определённо. Химическое соединение – это возможность взаимного сосуществования атомов, способных прочно удерживаться друг возле друга. С этой точки зрения в стекле есть химические соединения, но они неопределённого состава.

Что же удерживает все атомы стекла в едином блоке? Такой силой является коллективная химическая связь. Силами, приводящими к монолиту, к единой большой «молекуле» являются силы неуравновешивания электрического заряда в каждом элементарном объёме стекла. Это неуравновешивание происходит в связи с асимметрией структуры из-за соответствующего набора атомов. Различия по силе химической связи в твёрдом теле как раз и определяют природу стеклообразного состояния.

При некоторой температуре в массе вещества имеется равновесие атомов согласно их заряда, и фактически нельзя сказать, что данному аниону принадлежит именно этот катион. Любой ион уравновешивает своим электрическим полем все заряды, координирующие с ним. При этом основная часть заряда идёт на взаимодействие с первой координирующей сферой, на следующие сферы воздействие заряда очень резко уменьшается. Одинаковые заряды в различных катионах неравнозначны. Имеет значение ионный радиус катиона и количество экранирующих его элементов.

Положения атомов компонентов, входящих в стекло, характеризуется их электрическими свойствами. Именно электрические заряды атомов расставляют их в определённом порядке, чтобы система была электрически нейтральна, и все атомы в ней имели наименьший потенциал и наибольшую силу связи. Образуется коллективная химическая связь, о которой уже упоминалось выше. Нельзя согласиться с тем, что катионы модификаторов находятся в пустотах между анионами и распределены статистически, образуя аморфную структуру.

Атомы в любом физическом объекте, твёрдых телах, жидкостях и газах, а также их смесях стремятся занять положение с минимальной потенциальной энергией и максимальной прочностью связей между ними. В массивном теле имеется равновесное положение атомов согласно их заряда, который определяет силу взаимодействия атома со всем окружением. Фактически нельзя сказать, что данному аниону принадлежит именно этот катион. Поэтому можно считать, что любой ион уравновешивает все заряды, координирующие с рассматриваемым ионом, хотя основная часть заряда идёт именно на это взаимодействие, а дальше на взаимодействие с зарядами второй сферы и так далее. Это взаимодействие и является ответственным за прочность вещества. Если каждый ион взаимодействует со многими, то можно сказать, что валентность элемента – величина статистическая. Благодаря такому взаимодействию образуется коллективная химическая связь во всех физических объектах.

Любое тело, в том числе и стекло, – равновесная силовая структура, в которой каждый атом (ион) имеет свои индивидуальные силовые характеристики и как можно лучше организовывает сосуществование с ближними и не совсем ближними соседями.

Атом – неделимая частица. Электроны атома движутся по предопределённым орбитам, их ведёт магнитное поле ядра. Атом априори не может спонтанно передавать свои электроны другим атомам (ионная связь). При этом атомы доноры и акцепторы должны терять признаки и становиться совсем иными элементами. Также атомы не могут объединять свои электроны. Изменение орбиты атома невозможно (ковалентная связь). Ещё более фантастической выглядит металлическая химическая связь: никогда, ни при каких обстоятельствах, электроны спонтанно не начнут покидать свои атомы и прогуливаться в межатомном пространстве.

Абсолютно все физические объекты устроены так, как стекло в расплавах (жидкости) и в твёрдых телах. Аналогичное устройство имеют и газы. Основой строения всех физических тел, элементарных химических веществ и их смесей, является коллективная химическая связь. Атомы в любой структуре создают физическое поле и располагаются в соответствии своих электрических зарядов, фактически не создавая молекул. Стехиометрический состав физического объекта можно считать формулой вещества в привычном для химии виде.

Устройство всех физических объектов универсально. В жизни мы привыкли видеть физические объекты природы при нормальных условиях температуры и давления в обычных пределах в виде газов, жидкостей и твёрдых тел. В ряде случаев можно, даже в быту, наблюдать переход материи из одного состояния в другое. Наиболее характерным веществом, способным находиться в бытовых условиях в трёх состояниях материи, является вода в виде жидкости, пара и льда. Так же, как и вода, и другие физические объекты могут иметь различные агрегатные состояния в зависимости от внешних условий: температуры и давления. Каждый физический объект можно перевести в любое агрегатное состояние.

В силовом электрическом поле физического объекта принцип построения структуры – создание конструкции с минимальной потенциальной энергией. Так устроены элементарные вещества и их смеси. Смеси могут быть разнообразными: твёрдое тело – твёрдое тело, твёрдое тело – жидкость (структурная), жидкость – жидкость, жидкость – твёрдое тело, жидкость – газ, газ – газ, газ – жидкость и так далее. Примерами таких объектов являются горные породы, сплавы металлов, растворы, морская вода (растворённые газы и соли), воздух (смесь газов), влажный воздух (газ и вода).

Все тела в любом агрегатном состоянии имеют строго определённую структуру с минимумом потенциальной энергии. Физическое поле определяет структуру любого объекта и чутко реагирует на изменение внешних условий: изменяется потенциальная энергия объекта, а вместе с ней расположение атомов структуры вплоть до перехода в иное агрегатное состояние.

6.4. Теория теплоты [100, 101].

Излучение и поглощение энергии атомом – универсальное назначение электронов. Теплота и свет имеют общую природу с излучением энергии. В распространении электромагнитных волн особое место занимают свет и теплота. В природе понятия «теплота» и «свет» отсутствуют. Свет и теплота – категории не физические, а физиологические.

Свет – видимая часть спектра электромагнитных колебаний, которые способны ощутить только те представители фауны, которые имеют глаза. Свет – абстрактное понятие для человека, который потерял зрение.

Теплота – часть спектра электромагнитных колебаний в инфракрасном диапазоне. Теплота – свойство органов осязания представителей фауны и флоры. Теплота – уровень потенциальной энергии тела, который определяется положением орбит электронов над ядром атомов. Мерой потенциального состояния тела служит температура, введённая человеком для оценки внутренней энергии тела.

Теплота – понятие относительное. Всегда тёплым будет тело, которое излучает энергию в окружающую среду, и, наоборот, холодным, которое поглощает энергию. Таким образом, теплота – состояние, в котором тело излучает энергию. Свет и теплота не нуждаются в отдельных теориях – это излучение энергии посредством электромагнитных волн.

6.5. Теория теплопередачи [100. 101].

Если температура всех тел в замкнутом пространстве равна, не происходит процессов излучения и поглощения энергии между ними. Это означает, что электроны на орбитах атомов не излучают. Но только стоит появиться нагретому телу, например, включить электрическую лампочку или утюг, немедленно возникает разность потенциалов состояния и появляется тепловой поток. Неукоснительное свойство физических объектов – выравнивание потенциалов состояния. Горячее тело излучает энергию, окружающая среда поглощает её. Передача энергии от одного физического объекта другому осуществляется единственным универсальным способом – через электромагнитные волны.

Что же происходит с телами, окружающими источник энергии и самим источником? За счёт подведённой энергии электроны источника излучения работают как генераторы излучения, а электроны тел окружающей среды – как приёмники излучения. Процесс теплопередачи идёт до тех пор, пока есть разность потенциалов состояния, то есть до выравнивания температур.

Физические объекты излучают и поглощают энергию только поверхностью. Излучение и поглощение энергии возможно на границе раздела между телами или внутри тела между соседними атомами при наличии градиента температур. Чем больше поверхность излучающего или поглощающего тела, тем интенсивнее идёт процесс.

Какова физика процессов передачи энергии в массивных телах? Процесс излучения энергии складывается из процессов излучения и поглощения энергии между соседними слоями атомов и теле. Электроны служат только трансляторами энергии. При излучении энергии электроны наружного слоя тела при вращении вокруг собственной оси на первой полуволне излучают электромагнитные волны, а на второй полуволне поглощают энергию от электронов рядом лежащего атома, чтобы на следующей полуволне снова излучить её. Излучение и поглощение энергии происходит на границе двух атомных слоёв физического тела, имеющих различные потенциалы состояния, т.е. при наличии разности потенциалов или, что равносильно, разности температур. Так, за слоем слой, продолжается процесс излучения горячего тела через акты излучения – поглощения до выравнивания потенциалов состояния. По мере остывания тела уменьшается мощность излучаемой энергии и изменяется спектр волн электромагнитных колебаний.

Таким же образом происходит поглощение энергии, только в этом случае часть энергии идёт на выравнивание потенциалов состояния. Каждый электрон тела периодически поглощает и излучает энергию. Иначе не прогреется весь объём нагреваемого тела. Когда от источника тепла нагревается первый слой атомов, он начинает излучать энергию второму слою и т.д. Таким образом, за слоем слой тело прогревается, пока имеется источник нагревания. Волновой состав поглощённой и излученной энергии идентичен. Внутренняя энергия атома изменяется аналогово.

6.6. Теория излучения и поглощения тепла [100, 101].

Излучение и поглощение энергии – процессы взаимосвязанные. В случае появления разности потенциалов состояния синхронно изменяется мощность вращающего электромагнитного поля ядра: при получении энергии радиус силовых линий увеличивается, электроны ускоряются, их кинетическая энергия переходит в потенциальную. Электроны работают как резонаторы – получают электромагнитные колебания и повышают свою потенциальную энергию. Процесс поглощения и излучения энергии – единый процесс. Каждый электрон атома при наличии разности потенциалов после поглощения энергии излучает её. Из-за разности потенциалов состояния потенциальная энергия электронов переходит в кинетическую энергию путём электромагнитного излучения, поглощается электронами с меньшей потенциальной энергией и превращается в потенциальную энергию.

Функция электронов – принимать или излучать электромагнитные волны. В электроне длится непрерывный процесс получения и передачи энергии. При излучении энергии на каждом обороте электрона вокруг собственной оси образуется полная волна: одна полуволна – получение энергии резонатором электрона, вторая полуволна – передача энергии осциллятором электрона. При поглощении энергии идёт противоположный процесс. Резонатор и осциллятор электрона является одним и тем же колебательным контуром. Вращение электрона в режиме получения и передачи энергии как раз и определяет волновую сущность процесса передачи энергии и описывается синусоидой.

Ядро атома и электроны имеют одну и ту же угловую скорость. На каждом обороте ядра вокруг оси изменяется мощность его вращающего электромагнитного поля: удаление силовых линий от ядра при поглощении энергии и приближение силовых линий к ядру при излучении энергии. При поглощении энергии электрон ускоряется в связи с постепенным переходом на орбиту большего радиуса и его потенциальная энергия увеличивается. Ядро атома образует вращающее поле таким образом, что каждому протону соответствуют свои силовые линии электромагнитного поля. По самой интенсивной, генеральной силовой линии и движется электрон. При излучении энергии электрон замедляется и постепенно переходит на более низкую орбиту, а его потенциальная энергия его уменьшается. Такой цикл электрон совершает за один оборот вокруг собственной оси. Процессы поглощения и излучения энергии состоят из импульсов полуволн, то есть имеют дискретный характер. Направление передачи энергии всегда единое: от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой, или, что равносильно, от атомов с большей потенциальной энергией к атомам с меньшей потенциальной энергией.

Каждый электрон половину оборота вокруг оси поглощает (излучает) энергию, а вторую половин оборота излучает (поглощает) её. Передача энергии от одного электрона другому осуществляется дискретно – полуволнами. Полуволна энергии, которая излучается электроном, состоит из электромагнитных волн всех диапазонов, которые соответствуют химическому составу и температуре излучающего объекта. Такая же вторая полуволна энергии поглощается другим электроном.

Электроны горячего тела излучают не конкретную электромагнитную волну, а импульсы энергии, в который входят все волны излучающего объекта, состав которых определяется температурой излучения и химическим составом. Если частота электромагнитных волн излучения больше частоты вращения атома вокруг собственной оси, в импульс полуволны энергии входит количество излучаемых волн, равное соотношению частоты волны и частоты вращения атома вокруг оси. Если частота передаваемой волны меньше частоты вращения атома вокруг оси, волна передаётся дискретными отрезками. Так как дискретные отрезки волны передаются разными электронами со сдвигом во времени, поглощаемая волна воспринимается как непрерывная.

6.7. Теория физики поверхности [101].

Общепринятым представлением о физике поверхности является положение о повышенной энергии поверхностного слоя вещества. Но это не так. Объяснить явление поверхностного натяжения с таких позиций невозможно. Понимание факта высокой прочности тонкого стеклянного волокна стало проблемой физики твёрдого тела. Причиной трудностей интерпретации явлений в поверхностном слое стала некорректная теория поверхности конденсированных тел.

Разработанная модель предлагает диаметрально противоположную предпосылку – конденсированная система обладает поверхностным сгущением плотности, что эквивалентно поверхностному понижению энергии.

Рассмотрим атомный механизм образования новых поверхностей при разрушении твёрдых тел и жидкостей. Прочность всех тел определяется силами межатомного взаимодействия. Чем меньше расстояния между атомами в структуре материала, тем прочнее связи между ними. Это связано с тем, что при взаимодействии зарядов атомов между собой с уменьшением расстояния выделяется больше энергии.

При разрушении системы по некоторой атомной плоскости устанавливается новое равновесное состояние. Хотя атомы, оказавшиеся на поверхности, имеют меньшую координацию, они освободившимися атомными связями вступают во взаимодействие со своими соседями. Поэтому атомные ряды, лежащие ниже, должны противодействовать интенсивному взаимодействию поверхностных атомов. В результате такого межмолекулярного силового взаимодействия система переходит в состояние всестороннего сжатия. Так как в системе нет внешних сжимающих сил, то силами, приводящими к всестороннему сжатию поверхности, являются межмолекулярные силы внутреннего объёма. Такое взаимодействие поверхностного слоя и внутреннего объёма приводит к появлению напряжений растяжения в объёме. Расстояния между атомами внутреннего объёма при этом увеличиваются.

Из анализа внутренней энергии при разрушении и сфероидизации системы следует, что:

а) структурная внутренняя энергия системы не может увеличиваться за счёт внесенной в систему энергии;

б) поверхностный слой любой системы всегда имеет более низкую энергию, чем её объём;

в) пониженная структурная энергия поверхностного слоя создаёт в системе напряжённое состояние всестороннего сжатия и реализует возможность сфероидизации систем с пониженной жёсткостью;

г) понижение структурной энергии поверхностного слоя в системе при образовании новых поверхностей за счёт самой системы приводит к градиенту энергии, то есть делает систему анизотропной по экстенсивным параметрам;

д) в связи с пониженной энергией поверхностный слой конденсированного тела имеет более высокую прочность;

е) поверхностно-активные вещества способствуют повышению энергии поверхностного слоя и снижению его прочности;

ж) система должна своими внутренними силами отреагировать на то воздействие, которое к ней приложено;

з) не может быть одновременно в поверхностном слое или объёме вещества сгущения энергии и плотности вещества: чем выше плотность, тем меньше энергия и выше прочность.

Во времена Дж. Томсона таких знаний в теоретической физике не было, да и не могло быть, раз и сейчас в физике о них нет представлений.

Весьма странно, что физики не замечали, или не хотели замечать, ущербность открытия электрона Дж. Томсоном. Ждали меня, технолога силикатной промышленности, который в Кричеве делал цемент, в Керчи – стеклотару и кирпичи, во Львове – листовое стекло и кинескопы.

Ложь в науке – страшное дело, и её следует пресекать своевременно, а не давать, основываясь на лжи, развивать новые ложные направления физики.

a7. Разрушительные последствия электрона Томсона на науку.

Предположение Дж. Томсона об электронах как носителях катодного тока было мистификацией. Томсон не открывал электронов, и не мог открыть. Последствия открытия Дж. Томсоном электрона, который может беспрепятственно покинуть свой атом при нагревании металла, не заставили долго себя ждать. Обман, введённый в физику посредством электрона Томсона, быстро нашёл своих апологетов, соучастников обмана, особенно после подтверждения открытия Нобелевской премией в 1906 году. В науку вошёл целый ряд ложных понятий и представлений (раздел 4 статьи). Все они являются или ложными, или ошибочными:

1. Катодные лучи не могут быть потоком электронов, излучаемым катодом вакуумной трубки.

2. Катодные лучи не состоят из электронов, ускоряемых в вакууме разностью потенциалов между катодом и анодом.

3. Катодные лучи не возникают в результате нагрева катода, так как не может быть выхода электронов с катода в межэлектродное пространство.

4. Электрический ток не представляет направленного движения электрических зарядов, электронов, в замкнутой цепи от источника.

5. Источник электрического тока (генератор) не вырабатывает электронов.

6. Перемещения электронов не может происходить под влиянием электродвижущей силы тока, которая поддерживает разность потенциалов в различных точках цепи.

7. Катодный ток в трубке Томсона не мог появляться в результате испускания электронов нагретым металлом подогревателя.

8. Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов нагретой поверхностью, ложное представление о физике поверхности.

9. Открытие Эдисоном эффекта протекания тока в вакууме между отрицательным нагретым и положительным электродами было неправильно объяснено Томсоном.

10. Атом конкретного вещества невозможно разделить на два физических объекта: ядро и электрон.

11. Открытие Томсоном электрона, как первой элементарной частицы в 1897 году, было простой выдумкой – атом химического элемента неделимый.

12. Мнение, что с открытием электрона рухнуло представление о неделимости атома, ошибочно.

13. Благодаря открытию электрона Дж. Томсон внёс значительные отклонения от истины в теорию строения вещества и дальнейшее развитие теории химической связи.

14. Классическая теория проводимости металлов, созданная уже в 1900 году П. Друде, а в 1904 году Х. Лоренцем, глубоко ошибочна.

15. В металлическом проводнике нет свободных электронов проводимости, способных перемещаться по всему объему.

16. Электроны проводимости не могут образоваться путем отрыва от атомов металлов их валентных электронов, теоретическая физика не имеет теории физики этого процесса.

17. Электроны принадлежат определенному атому и не способны перемещаться по всему объему тела.

18. Опыты Л.И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1912 г), а также Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г.) по экспериментальному доказательству, что ток в металлах создается свободными электронами, были слишком наивными и ошибочными: электрический ток в металлах – не направленное движением свободных электронов, которых нет в металле.

19. Теория термоэлектронной эмиссии, разработанная в 1902 О.Ричардсоном с большим количеством формул, по испусканию электронов нагретыми телами, ложная, так как в металлах нет свободных электронов.

20. При отсутствии свободных электронов в металлах бессмысленно утверждать, что даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла.

21. С повышением температуры кинетическая энергия теплового движения не возрастает. Такое представление – отсутствие понимания процесса нагревания тела.

22. Работа выхода электрона из физического объекта при нагревании – выдумка физиков. Никакой работы выхода не существует, так как все электроны в телах занимают свои места на орбитах атомов.

23. Хотя свободных электронов в металле нет, но за исследования термоэлектронной эмиссии в 1928 году Оуэн Ричардсон получил Нобелевскую премию по физике.

24. В металле огромное количество свободных электронов, располагаются они по энергетическим уровням

потенциальной ямы в строгом порядке. Самый высокий энергетический уровень потенциальной ямы металла называется уровнем Ферми. Э. Ферми и П. Дирак разработали теорию поведения коллективов частиц, ведущих себя как электроны в металле. Характер распределения частиц по разным уровням или состояниям в тех или иных условиях определяется функцией распределения Ферми – Дирака, которые исследовали процесс, не существующий в природе.

25. Модель свободных электронов, которых нет ни в одном физическом теле, разработал Зоммерфельд (модель Друде – Зоммерфельда). Это простая квантовая модель поведения валентных электронов в атоме металла. Электроны металла рассматриваются в этой модели как Ферми-газ. Отличие модели Зоммерфельда от модели Друде в том, что в кинетических процессах участвуют не все валентные электроны металла, а только те, которые имеют только часть энергии от энергии Ферми. Это ограничение возникает благодаря принципу Паули, запрещающему электронам иметь одинаковые квантовые числа. Зоммерфельд и Друде стали соучастниками обмана Томсона.

26. В 1898 году несколько ученых: К. Рикке, П. Друде и Дж. Томсон, независимо друг от друга, выдвинули концепцию свободных электронов в металлах. Эта концепция в дальнейшем была положена в основу теории Друде-Лоренца. А. Пуанкаре свою фундаментальную работу по теории относительности озаглавил "О динамике электрона". Считается, что всё это было не только началом бурного развития физики электронов, но и началом революционного преобразования основных физических положений. Это случилось сразу после открытия электрона Дж. Томсоном и было началом движения физической науки в глухой тупик, из которого теоретическая физика не находит выхода по сей день.

27. Металлическая связь – химическая связь, обусловленная наличием относительно свободных электронов. Эрнестом Резерфордом и Нильсом Бором была создана теория химической связи, осуществляемая путем перераспределения электронов между атомами. Физики посеяли основы обманной теории химической связи для химии.

28. Ложная возможность электронов беспрепятственно покидать атом, показанная физикой, представлена в работах Вальтера Косселя, Джильберта Льюиса, Ирвина Ленгмюра.

29. Коссель предложил в 1915 году статическую электронную теорию строения атомов и молекул. Образование молекул происходит вследствие передачи определенного числа электронов от атома одного элемента к атому другого элемента.

Такая химическая связь называется ионной. Никто не знает физики процесса такой передачи. Ионная связь – простая выдумка Косселя на фоне триумфального шествия свободных электронов.

30. В 1916 году такую же обманную попытку предпринял Льюис для объяснения механизма образования химической связи между любыми атомами. Затем теория Льюиса была развита Ленгмюром. Химическая связь в данном случае осуществляется посредством образования общей электронной пары, в которую каждый атом дает по одному электрону из своей внешней оболочки. Такую химическую связь Ленгмюр назвал ковалентной.

Все гипотезы, теории, понятия и представления, не указанные в этой работе, связанные со свободными электронами в атоме, являются ложными и вредными для науки.

Неужели и эта моя работа останется безответной, и физики не будут защищать честь мундира? Я пишу, а караван идёт…

a8. Что такое электрический ток?

Что такое электрический ток? Как наука отвечает на этот вопрос?

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля [102].

В классической физике под электрическим током понимается направленное движение электронов от плюса к минусу. Всё просто, но это – иллюзия. Электроны вообще не двигаются в проводнике. А если предположить, что они двигаются, то должна быть скорость их продвижения в проводнике [103].

Современная формулировка: электрический ток – это направленное движение электронов. Но это совсем не так. Движение электронов в металлах и полупроводниках происходит с очень малыми скоростями – единицы метров в секунду [104].

До настоящего времени наука не знает, что такое электрон и электрический ток. Объяснения основываются на постулатах, предположениях и допущениях, не подтверждаемых экспериментальными работами [105].

В работе [106] прямо говорится, что никому неизвестно, что такое электрический ток. Электричество – это не движение электронов. Электронная теория в корне не верна.

Вопреки учёным, электротехники (инженеры) рассматривают ток как электромагнитную волну, а не как движущиеся заряжённые частицы [107].

Из школьного учебника известно, что электрический ток – направленное движение электронов. Но это совершенно не так! Электрон в электрической цепи не может переносить энергию, единственный способ переноса энергии любого вида – через электромагнитные волны. Процесс передачи энергии универсальный – через колебательный контур электронов. Электрон поглощает энергию на полуволне вращения вокруг собственной оси, а на следующей полуволне излучает энергию соседнему электрону.

Электрический ток – передача импульсов волновой энергии со скоростью света от электрона электрону при наличии разности потенциалов, точно, как и в случае передачи тепловой энергии. Электроны передают энергию дискретно в виде электромагнитных волн, как и при любом обмене энергией между физическими объектами.

Длина волны электрического тока 6000 километров. Как же передаёт такую длинную волну колебательный контур электрона? На каждом обороте электрона вокруг оси передаётся дискретно фрагмент волны электрического тока. Так как дискретные отрезки волны передаются разными электронами со сдвигом во времени, передаваемая электромагнитная волна воспринимается как непрерывная. Какую волну выдаёт электрогенератор, точно такую волну передаёт линия электропередач потребителю. Если бы ток был движением электронов, как бы образовалась волна у потребителя через сотни километров от источника энергии, чтобы ток был переменным?

Какова физика процесса нагревания проводника электрическим током? Учёные по вопросу нагревания проводников электрическим током ничего не публиковали.

Чему же учат школьников учителя [108]: электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, кислот, щелочей, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводника увеличивается.

Не глубже знания о нагревании проводника током и у студентов [109]: при прохождении электрического тока через металлический проводник электроны сталкиваются то с нейтральными молекулами, то с молекулами, потерявшими электроны. При столкновении электронов с молекулами расходуется энергия, которая превращается в тепло.

А так объясняют непросвещённой публике нагревание проводов током инженеры [110]: известно, что проводники электрического тока внутри себя (с атомной точки зрения) имеют так называемые свободные электроны, которые перемещаются внутри вещества, перепрыгивая с одного атома на другой, соседний. Эти перемещения электронов имеют хаотический порядок до тех пор, пока к проводнику не подключён источник питания. При включении тока происходит упорядочивание движения электрически заряженных частиц, и они начинают с одного конца проводника перемещаться на другой конец. Поскольку движение электронов имеет не идеально прямую и беспрепятственную траекторию движения, то, естественно, при столкновении с атомами вещества заряженные частицы теряют часть своей внутренней энергии. Именно эта потерянная энергия сообщается атому вещества, в результате чего он увеличивает свою температуру. Следовательно, чем больше электронов протекает через провод (чем больше величина тока), тем больше энергии отдаётся самому веществу и тем сильнее провод нагревается.

Интересно объясняют нагревание электрическим током проводников специалисты компании ПромЛан, которая специализируется на комплексной поставке кабеля и провода [111]: причины нагрева проводников кроются в самой природе электрического тока. Как известно, ток представляет собой упорядоченное перемещение по проводнику заряженных частиц (электронов) под воздействием электрического поля. Кристаллическая решетка металлов обладает чрезвычайно высокими внутренними молекулярными связями, которые и приходится преодолевать электронам в процессе движения. В результате этого высвобождается значительное количество теплоты и происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Довольно грубо, но при этом наглядно, это можно сравнить с выделением теплоты при трении. Электроны проходят по проводнику и «трутся» об атомы кристаллической решетки металла, что и приводит к выделению тепла.

Лучше было бы науке прямо признать, что пока неизвестно, что такое электрический ток, что не способствовало бы такому вульгарному объяснению природы электрического тока и явления нагревания проводника током.

Если в электрической цепи находится сопротивление – такой участок, который, получая электромагнитную волну энергии из соединительного провода, не в состоянии полностью излучать её дальше в цепь, излишняя энергия расходуется на увеличение потенциальной энергии атомов, что равносильно повышению температуры. Нагретое сопротивление начинает излучать энергию в пространство. Если увеличивать сопротивление или силу тока, нагревание сопротивления будет продолжаться до тех пор, пока в результате термического расширения не произойдёт фазовый переход в жидкое состояние, и сопротивление расплавится.

Все тела, независимо от их природы, успешно поглощают и излучают энергию всего диапазона частоты волн солнечного спектра. Почему диэлектрики, не пропуская электрического тока, без проблем поглощают и излучают весь спектр волн солнечного света? В работе [112] показано, что быстропеременные электромагнитные поля, частоты которых не ограничены условием малости по сравнению с частотами, характерными для установления электрической и магнитной поляризации вещества, существенным образом влияют на сопротивление диэлектриков, вызывая дисперсию их диэлектрической проницаемости – её зависимость от частоты переменного поля. При оптических частотах, и более высоких, фактически исчезает количественное отличие в свойствах металлов и диэлектриков. При очень больших частотах установление электрической или магнитной поляризации не успевает следовать за изменением электромагнитного поля. Частота поля должна быть велика по сравнению с частотами движения электронов в атомах данного вещества.

Предлагаемая теория строения атома объясняет природу электрического тока, физику процесса передачи тока, сущность энергии, процессы поглощения и излучения энергии, теплопередачу в массивном теле, природу теплоты. Передача любого вида энергии: электрической, тепловой, световой, радиоволн, от сжигания топлива, солнечного излучения, от съеденной пищи осуществляется только волновым способом электромагнитными волнами. Материальные частицы не могут переносить энергию. Все теории, в которых переносчиками энергии являются материальные частицы – ошибочны. В том числе и миф Дж. Томсона об электронах как носителях тока. Катодный ток в электронно-лучевых трубках с подогреваемым катодом – электромагнитное излучение.

a9. Теория луча в электровакуумных приборах.

Для понимания процессов, происходящих в работающей электронно-лучевой трубке, следует обратиться к разделу 6 статьи, где рассмотрены подробно строение физических объектов, тепловые процессы излучения тепла, поглощения тепла, теплопередачи и физика поверхности.

В разделе 1 статьи сказано, что Томас Эдисон всесторонне исследовал свою лампу-диод и установил чрезвычайно важные закономерности, достаточные для понимания природы катодного тока. Это следующие положения опыта Эдисона:

1. Катодный ток в лампе менял направление в зависимости от подключения гальванометра: к положительному или отрицательному выводу нити накаливания.

2. Катодный ток возрастал при увеличении тока накала лампы.

3. После работы лампы в режиме диода в течение некоторого времени ток ослабевал.

4. После включения охлаждённой лампы катодный ток снова восстанавливался.

Гальванометр показывал противоположные направления тока, так как ветви цепи подогревателя имеют различное направление тока. Если бы при включении гальванометра соблюдалась полярность или ток был переменным, гальванометр показывал идентичные значения.

Катодный ток при увеличении напряжения нити накала возрастал, так как тепловой поток, направленный от горячего тела (катода) к холодному (аноду) становился более интенсивным, при этом увеличивалась разность потенциалов между объектами.

По мере работы лампы катодный ток падал, а после отключения и охлаждения лампы снова уровень катодного тока восстанавливался. Это связано с тем, что между горячим катодом и холодными объектами (анодом и баллоном лампы) уменьшалась разность потенциалов. Поэтому для поддержания величины катодного тока применяется охлаждение анодов [113, 114].

Направление тока в электровакуумных приборах всегда совпадает с направлением теплового потока, так как электроны при тепловом обмене могут передавать энергию теплового потока и энергию тока одновременно только в одном направлении. Если сделать в трубке-диоде подогреваемый анод и довести его температуру до значения, которое будет превышать температуру катода, ток прекратится. Начнётся процесс теплопередачи от анода к катоду. Электроны атомов анода будут заняты передачей тепловой энергии катоду и уже не смогут передавать электромагнитное излучение тока на анод. Электроны способны одновременно передавать электромагнитные волны различных частот. Таким образом, направление катодного тока электровакуумных приборов определяется направлением теплового потока между электродами.

Когда Эдисон выносил анод за пределы баллона лампы-диода, катодный ток не прекращался. Это свидетельствует об электромагнитной природе тока, так как электромагнитные волны свободно проходят через стекло. Эффект прохождения тока при внешнем расположении анода в 1904 году подтверждён Джоном Флемингом [1]. Флеминг

открыл, что электрическая лампа накаливания с угольной нитью, окруженная металлической пластинкой, действует, как выпрямитель для высокочастотных колебаний, и поэтому может быть использована в качестве детектора для радиосигналов.

a10. Общие выводы.

1. Ни при каких излучениях массоперенос невозможен. Перенос энергии осуществляется электромагнитными волнами дискретно.

2. В связи с тем, что энергия излучения передаётся электронами атома дискретно импульсами, отдельные импульсы ошибочно можно принять за частицы.

3. Электроны атома никогда, и ни при каких обстоятельствах, не покидают своей орбиты. В ином случае атом разрушается и превращается в другое вещество.

4. Общепринятое представление, что ток есть направленное движение электронов – вселенский обман.

5. Электрический ток в лампе-диоде Эдисона, трубке Крукса и электровакуумных приборах с подогреваемым катодом: кинескопах, осциллографических электронно-лучевых трубках, радиолампах и других электронно-лучевых трубках – электромагнитные волны.

6. Направление катодного тока электровакуумных приборов с подогреваемым катодом определяется направлением теплового потока между электродами.

7. Томас Эдисон исследованиями лампы-диода неопровержимо показал, что катодный ток электровакуумных приборов имеет электромагнитную природу.

a11ССЫЛКИ НА ИСТОЧНИКИ:

1.1. Электровакуумный диод.

[1] http://www.e-reading.by/chapter.php/32892/23/Lapirov-Sroblo_-_Edison.html