Решение проблем электробезопасности на основе только электронных (классической и квантовой) моделей электрического тока представляется недостаточным хотя бы из-за такого известного факта истории развития электротехники, что вся мировая электротехническая промышленность была создана за много лет до появления каких-либо упоминаний об электронах.

Принципиально практическая электротехника не изменилась до настоящего времени, а остаётся на уровне передовых разработок XIX столетия.

Поэтому вполне очевидным является необходимость возвращения к истокам развития электрической индустрии с целью определения возможности применения в наших условиях той методологической базы знаний, которая легла в основу современной электротехники.

Теоретические основы современной электротехники разработаны Фарадеем и Максвеллом, работы которых находятся в тесной взаимосвязи с трудами Ома, Джоуля, Кирхгофа и других выдающихся учёных XIX столетия. Для всей физики того периода было общепризнанным существование мировой среды – эфира, заполняющего всё мировое пространство [3,6].

Не вдаваясь в подробности различных теорий эфира XIX и предшествующих веков, отметим, что резко отрицательное отношение к указанной мировой среде в теоретической физике возникло сразу же после появления в начале XX века работ Эйнштейна по теории относительности, сыгравших роковую роль в развитии науки [I]:

В работе "Принцип относительности и его следствия" (1910 г.) Эйнштейн, анализируя результаты эксперимента Физо, приходит к выводу о том, что частичное увлечение света движущейся жидкостью отвергает гипотезу полного увлечения эфира и остаются две возможности:

1. эфир полностью неподвижен, т.е. он не принимает участия в движении материи;

2. эфир увлекается движущейся материей, но он движется со скоростью, отличной от скорости движения материи.

Развитие второй гипотезы требует введения каких-либо предположений относительно связи между эфиром и движущейся материей. Первая же возможность очень проста, и для её развития на основе теории Максвелла не требуется никакой дополнительной гипотезы, которая могла бы сделать более сложными основы теории.

Указав далее, что теория Лоренца о неподвижном эфире не подтвердилась результатами эксперимента Майкельсона и, таким образом, налицо противоречие, Эйнштейн заявляет: "…нельзя создать удовлетворительную теорию, не отказавшись от существования некоей среды, заполняющей всё пространство".

Из изложенного видно, что Эйнштейн ради "простоты" теории счёл возможным отказаться от физического объяснения факта противоречия выводов, вытекающих из указанных двух экспериментов. Вторая возможность, отмеченная Эйнштейном, так никогда и не была развита никем из известных физиков, хотя именно эта возможность не требует отказа от среды – эфира.

Рассмотрим, что дало указанное "упрощение" Эйнштейна для электротехники, и в частности, для теории электрического тока.

Официально признано, что классическая электронная теория являлась одним из подготовительных этапов в создании теории относительности. Эта теория, появившаяся, как и теория Эйнштейна в начале XIX века, изучает движение и взаимодействие дискретных электрических зарядов.

Необходимо отметить, что модель электрического тока в виде электронного газа, в который погружены положительные ионы кристаллической решётки проводника, до сих пор является основной в преподавании основ электротехники как в школьных, так и в вузовских программах.

Насколько реальным оказалось упрощение от ввода в обращение дискретного электрического заряда (при условии отказа от мировой среды – эфира), можно судить по учебным пособиям для физических специальностей университетов, например [6]:

"Электрон. Электрон является материальным носителем элементарного отрицательного заряда. Обычно принимается, что электрон является точечной бесструктурной частицей, т.е. весь электрический заряд электрона сосредоточен в точке.

Такое представление внутренне противоречиво, так как энергия электрического поля, создаваемого точечным зарядом, бесконечна, а, следовательно, должна быть бесконечной и инертная масса точечного заряда, что противоречит эксперименту, поскольку электрон имеет конечную массу.

Однако с этим противоречием приходится мириться вследствие отсутствия более удовлетворительного и менее противоречивого взгляда на структуру (или отсутствие структуры) электрона. Трудность бесконечной собственной массы успешно преодолевается при вычислениях различных эффектов с помощью перенормировки массы, сущность которой заключается в следующем.

Пусть требуется рассчитать некоторый эффект, причём в расчёт входит бесконечная собственная масса. Получаемая в результате такого вычисления величина бесконечна и, следовательно, лишена непосредственного физического смысла.

Чтобы получить физически разумный результат, проводится ещё одно вычисление, в котором присутствуют все факторы, за исключением факторов рассматриваемого явления. В последний расчёт также входит бесконечная собственная масса, и он приводит к бесконечному результату.

Вычитание из первого бесконечного результата второго приводит к взаимному сокращению бесконечных величин, связанных с собственной массой, а оставшаяся величина является конечной. Она характеризует рассматриваемое явление.

Таким способом удаётся избавиться от бесконечной собственной массы и получить физически разумные результаты, которые подтверждаются экспериментом. Такой приём используется, например, при вычислении энергии электрического поля".

Иными словами, современная теоретическая физика предлагает не подвергать критическому анализу непосредственно саму модель, если по результату её расчёта получается величина, лишённая непосредственного физического смысла, а сделав повторный расчёт, после получения уже новой величины, так же лишённой непосредственного физического смысла, вычитанием взаимно сократив эти неудобные величины, получить физически разумные результаты, которые подтверждаются экспериментом.

Как отмечается в [6], классическая теория электропроводности весьма наглядна и даёт правильную зависимость плотности тока и количества выделяемой теплоты от напряжённости поля. Однако она не приводит к правильным количественным результатам. Главные расхождения теории с экспериментом состоят в следующем.

Согласно этой теории значение удельной электрической проводимости прямо пропорционально произведению квадрата заряда электрона на концентрацию электронов и на среднюю длину пробега электронов между столкновениями, и обратно пропорционально двойному произведению массы электрона на его среднюю скорость. Однако:

1) для того чтобы получать таким способом правильные значения удельной электрической проводимости, надо принимать значение средней длины пробега между столкновениями в тысячи раз больше межатомных расстояний в проводнике. Понять возможность таких больших свободных пробегов затруднительно в рамках классических представлений;

2) эксперимент для зависимости удельной проводимости от температуры приводит к обратно пропорциональной зависимости этих величин.

Но, согласно кинетической теории газов, средняя скорость электрона должна быть прямо пропорциональной квадратному корню из температуры, допустить же обратно пропорциональную зависимость средней длины пробега между столкновениями от квадратного корня из температуры невозможно в классической картине взаимодействия;

З) по теореме о равнораспределении энергии по степеням свободы следует ожидать от свободных электронов очень большого вклада в теплоёмкость проводников, которая в эксперименте не наблюдается.

Таким образом, представленные положения официального учебного издания уже дают основание для критического анализа самой постановки рассмотрения электрического тока как движения и взаимодействия именно дискретных электрических зарядов при условии отказа от мировой среды – эфира.

Но как уже отмечалось, эта модель до сих пор является основной в школьных и вузовских образовательных программах. Чтобы хоть как-то обосновать жизнеспособность электронной модели тока, физиками-теоретиками была предложена квантовая трактовка электропроводности [6]:

"Лишь квантовая теория позволила преодолеть указанные трудности классических представлений. Квантовая теория учитывает волновые свойства микрочастиц. Важнейшей характеристикой волнового движения является способность волн огибать препятствия благодаря дифракции.

В результате этого при своём движении электроны как бы огибают атомы без столкновений, и длины их свободного пробега могут быть весьма большими. Из-за того, что электроны подчиняются статистике Ферми – Дирака, в образовании электронной теплоемкости может принимать участие лишь незначительная часть электронов вблизи уровня Ферми.

Поэтому электронная теплоемкость проводника совершенно незначительна. Решение квантово-механической задачи о движении электрона в металлическом проводнике приводит к обратно пропорциональной зависимости удельной электрической проводимости от температуры, как это и наблюдается действительно.

Таким образом, непротиворечивая количественная теория электропроводности была построена лишь в рамках квантовой механики”.

Если допустить правомерность последнего утверждения, то следует признать завидную интуицию учёных XIX столетия, которые, не будучи вооружёнными совершенной квантовой теорией электропроводности, сумели создать основы электротехники, которые принципиально не устарели и на сегодняшний день.

Но вместе с тем, как и сто лет назад, осталось нерешённым множество вопросов (не говоря уже о тех, которые накопились в XX столетии).

И даже теория квантов не даёт однозначные ответы хотя бы на некоторые из них, например:

1. Как течёт ток: по поверхности или через всё сечение проводника?

2. Почему в металлах носителями заряда являются электроны, а в электролитах – ионы? Почему не существует единой для металлов и жидкостей модели электрического тока, и не являются ли принятые в настоящее время модели лишь следствием более глубокого общего для всех процесса локального перемещения материи, называемого "электричеством"?

3. В чём заключается механизм проявления магнитного поля, выражающийся в перпендикулярной ориентации чувствительной магнитной стрелки относительно проводника с током?

4. Существует ли модель электрического тока, отличная от принятой в настоящее время модели движения "свободных электронов", объясняющая тесную корреляцию тепло- и электропроводности в металлах?

5. Если произведение силы тока (амперы) на напряжение (вольты), то есть произведение двух электрических величин, даёт в результате значение мощности (ватты), которая является производной наглядной системы единиц измерений "килограмм – метр – секунда", то почему сами электрические величины не выражаются через килограммы, метры и секунды?

В поиске ответов на поставленные вопросы и ряд других вопросов потребовалось обратиться к немногочисленным сохранившимся первоисточникам.

В результате этого поиска были выявлены некоторые тенденции в развитии науки об электричестве в XIX веке, которые по непонятным причинам не только не обсуждались в XX столетии, но иногда даже фальсифицировались.

Так, например, в 1908 году в книге Лакура и Аппеля "Историческая физика" представлен перевод циркуляра основоположника электромагнетизма Ганса-Христиана Эрстеда "Опыты над действием электрического конфликта на магнитную стрелку", в котором, в частности, говорится:

"То что электрический конфликт не ограничен только проводящей проволокой, но, как сказано, распространяется еще в окружающем пространстве довольно далеко, достаточно видно из вышеизложенных наблюдений.

Из сделанных наблюдений можно также заключить, что этот конфликт распространяется по кругам; ибо без этого допущения трудно понять, каким образом одна и та же часть соединительной проволоки, находясь под полюсом магнитной стрелки, заставляет стрелку поворачиваться к востоку, находясь же над полюсом, отклоняет стрелку к западу, круговое же движение происходит на противоположных концах диаметра в противоположных направлениях.

Нужно сверх того думать, что круговое движение, в связи с поступательным движением вдоль по проводнику, должно давать улиткообразную линию или спираль; это, однако, если я не ошибаюсь, ничего не прибавляет к объяснению до сих пор наблюденных явлений".

В книге историка физики Л.Д. Белькинда, посвящённой Амперу, указано, что "новый и более совершенный перевод циркуляра Эрстеда дан в книге: А.-М. Ампер. Электродинамика. М., 1954, стр. 433-439.". Для сравнения приведём заключительную часть точно того же отрывка перевода циркуляра Эрстеда:

"Вращательное движение вокруг оси, сочетающееся с поступательным движением вдоль этой оси, обязательно даёт винтовое движение. Однако, если я не заблуждаюсь, такое винтовое движение по-видимому, не является необходимым для объяснения какого-либо из явлений, наблюдавшихся до сих пор".

Почему выражение – "ничего не прибавляет к объяснению" (то есть "является само собой разумеющимся") было заменено выражением – "не является необходимым для объяснения" (на прямо противоположное значение) остаётся до сих пор загадкой.

По всей вероятности, изучение многочисленных работ Эрстеда точный и перевод их на русский язык – это дело ближайшего будущего.

"Эфир и электричество" – именно так озаглавил свою речь, прочитанную в 1889 г. на общем собрании VIII съезда естествоиспытателей России, выдающийся русский физик А. Г. Столетов. Этот доклад был напечатан многочисленными изданиями, что само по себе характеризует его значимость. Обратимся к некоторым положениям речи А. Г. Столетова:

"Замыкающий "проводник" существенно необходим, но роль его иная, чем думали прежде.

Проводник нужен как гаситель электромагнитной энергии: без него установилось бы электростатическое состояние; своим присутствием он не даёт осуществиться такому равновесию; постоянно поглощая энергию и перерабатывая ее в другую форму, проводник вызывает новую деятельность источника (батареи) и поддерживает тот постоянный наплыв электромагнитной энергии, который мы называем "током".

С другой стороны, верно, что "проводник" так сказать направляет и собирает пути энергии, которая преимущественно скользит вдоль его поверхности, и в этом смысле он отчасти оправдывает свое традиционное имя.

Роль проволоки несколько напоминает фитиль горящей лампы: фитиль необходим, но горючий запас, запас химической энергии – не в нем, а около него; становясь местом разрушения горючего вещества, светильня втягивает новое на смену и поддерживает непрерывный и постепенный переход химической энергии в тепловую…

При всех триумфах науки и практики мистическое слово "электричество" слишком долго лежало на нас упреком. Пора освободиться от него, – пора объяснить это слово, внести его в ряд ясных механических представлений. Традиционный термин может остаться, но пусть это будет … ясный лозунг обширного отдела мировой механики. Конец века быстро приближает нас к этой цели.

Слово "эфир" уже идёт на помощь слову "электричество" и скоро сделает его излишним”.

Другой известный русский физик-экспериментатор И. И. Боргман в своей работе "Струевидное электрическое свечение в разряженных газах" отмечал, что чрезвычайно красивые и интересные свечения получаются внутри эвакуированной стеклянной трубки около тонкой платиновой проволоки, расположенной по оси этой трубки, тогда, когда эта проволока соединена с одним полюсом Румкорфовой катушки, причем другой полюс последней отведен в землю, а кроме того между обоими полюсами введена боковая ветвь с искровым промежутком в ней.

В заключении этой работы И. И. Боргман пишет о том, что свечение в виде винтовой линии получается значительно более покойным тогда, когда искровой промежуток в ветви, параллельной катушке Румкорфа, очень мал и когда второй полюс катушки не соединён с землёю.

По непонятным причинам представленные труды известных физиков доэйнштейновской эпохи фактически были преданы забвению. В подавляющем большинстве учебных пособий по физике имя Эрстеда упоминается двумя строками, в которых часто указывается на случайность открытия им электромагнитного взаимодействия (хотя в ранних работах историка физики Б. И. Спасского отмечены работы Эрстеда, предшествовавшие его гениальному открытию).

Многие работы А.Г. Столетова и И.И. Боргмана так же незаслуженно остаются вне поля зрения всех, кто изучает физику и, в частности, теоретическую электротехнику.

Вместе с тем, модель электрического тока в виде спиралеобразного движения эфира по поверхности проводника является прямым следствием представленных малоизученных трудов и трудов других авторов, судьба которых была предрешена глобальным наступлением в XX веке теории относительности Эйнштейна и связанных с ней электронных теорий перемещения дискретных зарядов в абсолютно пустом пространстве.

Как уже было указано, "упрощение" Эйнштейна в теории электрического тока дало обратный результат. В какой степени спиралеобразная модель электрического тока позволяет дать ответы на сформулированные ранее вопросы?

Вопрос о том, как течёт ток: по поверхности или через все сечение проводника, решается по определению. Электрический ток представляет собой спиралеобразное движение эфира по поверхности проводника.

Вопрос о существовании носителей заряда двух родов (электроны – в металлах, ионы – в электролитах) также снимается спиральной моделью электрического тока.

Наглядным объяснением этому служит наблюдение за последовательностью выделения газов на дюралевых (или железных) электродах при электролизе раствора поваренной соли. Причем электроды должны располагаться торцами вверх. Что характерно, вопрос о последовательности выделения газов при электролизе ни разу не поднимался в научной литературе по электрохимии.

Между тем, невооруженным глазом наблюдается последовательное (а не одновременное) газовыделение с поверхности электродов, имеющее следующие стадии:

- выделение кислорода и хлора непосредственно с торца катода;

- последующее выделение этих же газов вдоль всего катода совместно с п.1; в первых двух стадиях на аноде выделение водорода вообще не наблюдается;

- выделение водорода только с торца анода с продолжением пп.1,2;

- выделение газов со всех поверхностей электродов.

При размыкании электрической цепи газовыделение (электролиз) продолжается, постепенно затухая. При соединении свободных концов проводов между собой интенсивность затухающих газовыделений как бы переходит от катода к аноду; интенсивность выделения водорода плавно возрастает, а кислорода и хлора – падает.

С точки зрения предлагаемой модели электрического тока наблюдаемые эффекты объясняются следующим образом.

Благодаря постоянному вращению замкнутой эфирной спирали в одном направлении вдоль всего катода, притягиваются молекулы раствора, имеющие обратное со спиралью направление вращения (в данном случае кислород и хлор), и отталкиваются молекулы, имеющие одинаковое направление вращения со спиралью.

Подобный механизм соединения – отталкивания рассмотрен, а частности, в работе [2]. Но поскольку эфирная спираль имеет замкнутый характер, то на другом электроде ее вращение будет иметь противоположное направление, что приводит уже к осаждению на этом электроде натрия и выделению водорода.

Все наблюдаемые временные задержки газовыделений объясняются конечной скоростью перемещения эфирной спирали с электрода на электрод и наличием необходимого процесса "сортировки" молекул раствора, расположенных хаотично в непосредственной близости от электродов в момент включения электрической цепи.

Когда электрическая цепь замкнута, спираль на электроде выполняет роль как бы ведущей шестерни, концентрируя вокруг себя соответствующие ведомые "шестерёнки" молекул раствора, имеющих обратное со спиралью направление вращения. Когда же цепь разомкнута, роль ведущей шестерни частично переходит и молекулам раствора, и процесс газовыделения носит плавно затухающий характер.

Объяснить же продолжение электролиза при разомкнутой электрической цепи с позиций электронной теории не представляется возможным. Перераспределение интенсивности газовыделения на электродах при соединении свободных концов проводов между собой в замкнутой системе эфирной спирали целиком соответствует закону сохранения количества движения и только подтверждает представленные ранее положения.

Таким образом, не ионы в растворах являются носителями заряда второго рода, а перемещение молекул при электролизе является следствием их направления вращения относительно направления вращения эфирной спирали на электродах.

Третьим был поставлен вопрос о механизме проявления магнитного поля, выражающийся в перпендикулярной ориентации чувствительной магнитной стрелки относительно проводника с током.

Очевидно, что спиралеобразное перемещение эфира в эфирной же среде производит возмущение этой среды, почти перпендикулярно направленное (вращательная составляющая спирали) поступательному направлению спирали, что и ориентирует чувствительную магнитную стрелку перпендикулярно проводнику с током.

Еще Эрстед в своем трактате отмечал: "Если поместить соединительную проволоку над стрелкой или под нею перпендикулярно к плоскости магнитного меридиана, то стрелка остаётся в покое, за исключением того случая, когда проволока находится близко к полюсу. Но в этом случае полюс поднимается, если начало тока находится с западной стороны проволоки, и опускается, если оно находится с восточной стороны".

Что касается нагрева проводников под действием электрического тока и непосредственно связанного с ним удельного электрического сопротивления , то спиральная модель позволяет наглядно проиллюстрировать ответ и на этот вопрос: чем больше витков спирали приходится на единицу длины проводника, тем большее количество эфира требуется "прокачать” через этот проводник, то есть тем выше удельное электрическое сопротивление и температура нагрева, что, в частности, также позволяет рассматривать любые тепловые явления как следствие изменения локальных концентраций того же эфира.

Из всего выше сказанного наглядная физическая интерпретация известных электрических величин представляется следующим образом.

• Удельное электрическое сопротивление

  – это отношение массы эфирной спирали к длине данного проводника. Тогда, согласно закону Ома:

• Активное сопротивление проводника

  – это отношение массы эфирной спирали к площади поперечного сечения проводника. Поскольку сопротивление – это есть отношение напряжения к силе тока, а произведение напряжения и силы тока можно интерпретировать как мощность потока эфира (на участке цепи), то:

• Квадрат напряжения

  – это произведение мощности потока эфира на плотность эфира в проводнике и на длину проводника.

• Квадрат силы тока

  – это отношение мощности потока эфира к произведению плотности эфира в проводнике на длину данного проводника.

Аналогично определяются и другие известные электрические величины.

В заключение необходимо указать на настоятельную потребность в постановке трех типов экспериментов:

1) наблюдение над проводниками с током под микроскопом (продолжение и развитие экспериментов И. И. Боргмана);

2) установление с помощью современных высокоточных угломеров действительных углов отклонения магнитной стрелки для проводников из различных металлов с точностью до долей секунды; есть все основания предполагать, что у металлов, имеющих меньшее удельное электрическое сопротивление, магнитная стрелка в большей степени будет отклоняться от перпендикуляра;

3) сравнение массы проводника с током с массой того же проводника без тока; эффект Бифелъда – Брауна [5] указывает на то, что масса проводника с током должна быть больше.

В целом спиралеобразное движение эфира как модель электрического тока позволяет приблизиться к объяснению не только таких чисто электрических явлений, как, например, "сверхпроводимость" инженера Авраменко [4], повторившего ряд экспериментов знаменитого Николы Тесла, но и таких малопонятных процессов, как биолокационный эффект, биоэнергетика человека и ряд других.

Особую роль наглядная спиралеобразная модель может сыграть при исследовании жизненно опасных процессов поражения человека электрическим током.

Время „упрощений” Эйнштейна прошло. Наступает эра исследования мировой газоподобной среды – ЭФИРА!

ЛИТЕРАТУРА:

1. Ацюковский В.А. Материализм и релятивизм. – М., Энергоатомиздат,1992. – 190с.(сс.28,29).

2. Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. – М., Энергоатомиздат,. 1990. – 280с.(сс.92,93).

3. Веселовский О.И., Шнейберг Я.А. Очерки по истории электротехники. – М.,МЭИ, 1993. – 252с.(сс.97,98).

4. Заев Н.Е. "Сверхпроводник" инженера Авраменко.. – Техника молодёжи, 1991, №1, С.3-4.

5. Кузовкин А.С., Непомнящий Н.М. Что случилось с эсминцем "Элдридж". – М.,Знания,1991. – 67с.(37,38,39).

6. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм – М., Высшая школа, 1983. – 350с.(сс.16,17,213).

7. Пирязев И.А. Спиралеобразное движение эфира как модель злектрического тока. Материалы Международной научно-практической конференции "Анализ систем на рубеже тысячелетий: теория и практика – 1999". – М., ИПУ РАН, 1999. – 270с.(сс.160-162).

© Пирязев И.А.

Государственный университет управления

© Щуцкий В.И.

Московский государственный горный университет