ГЛАВА 4.

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ГЛАЗАМИ ГИДРАВЛИКА

"… К знанию ведут три пути:- путь размышления – это путь самый благородный,- путь подражания – это путь самый легкий,- путь опыта – это путь самый горький" Конфуций

4.1. О некоторых заблуждениях в физике на примере термодинамики

Феноменологический подход в приобретении и развитии физических знаний играет огромную роль. Смысл феноменологического подхода заключается в том, что исследователь не интересуется "природой вещей", его цель не "объяснить", а лишь описать явление, почти все термины, которые вводятся, имеют смысл только для того, чтобы описать и оценить числом те или иные явления.

Опасностью, которую он в себе таит, является то, что при развитии теории, описывая то или иное явление, можно часть "неброских", не известных на момент развития теории явлений, пропустить, не описать, а отсутствие их в такой теории в дальнейшем, может сыграть роковую роль в развитии науки и техники.

Покажем это на примере развития термодинамики и электричества.

Долгое время все сведения, которыми обладали физики в отношении тепловых и электрических явлений, сводились к уверенности в том, что и тепло и электричество - это нечто вроде жидкости.

Закон эквивалентности тепла и работы Джоуля, заменивший в конце ХIХ века понятие о тепле как форме движения тонкой материи (представления Р.Декарта, Ф.Бэкона, М.В.Ломоносова и др.), послужил отправной точкой укоренившихся впоследствии заблуждений в физике. Хотя одно понятие другому не мешало, являясь взаимодополняющими. Первое - устанавливает количественные соответствия которые можно измерить - следствие. Второе - материальную основу тепла, его природу - причина. Просто, работа – это затраченная энергия, а энергия - это материя, но, увы, как раз с материализмом в развитии нашей науки с конца ХIХ века стало туго, что и привело нас к существующему сейчас кризису.

Легче было выбросить причину, оставив одно следствие (закон эквивалентности тепла и работы), чем взглянуть глубже на природу тепла и сообразить, что при механической обработке - трении меняется структура материи пограничного слоя, в результате чего, распределение частиц из которых она состоит и которое определяет ее тепло - растет. И это совсем не противоречит природе тепла.

Напомню, что поводом отказаться от материальности тепла, а значит и энергии, проявлением которой оно является, послужили опыты Румфорда по токарной обработке орудийного ствола. В результате трения температура в зоне обработки повышалась, а также опыты Дэви, показавшего, что два куска льда, или воска можно расплавить простым трением друг о друга без соприкосновения с каким-либо более нагретым телом [19]. Эти примеры, как и история с необоснованно отвергнутым "эфиром", показывают насколько легко можно ввести в заблуждение и завести науку, в основе своей феноменологическую, в тупик, если забывать о причине, основываясь только на следствии, если слепо принимать на веру чужие представления без учета накапливающегося собственного опыта, постоянно не корректируя устаревшие понятия и взгляды. В науке авторитеты и догматизм не допустимы, отступление от этого главного методологического принципа приводит к плачевным последствиям.

Давайте вместе продолжим поиск таких застаревших, навязанных авторитетом понятий на примере законов термодинамики.

Первый закон термодинамики - закон сохранения и превращения энергии - энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах [19]. Эти принципы взяты за основу при выводе всех изложенных ранее моделей. Значит на данном этапе противоречия нет. А значит и утверждение, что вечный двигатель первого рода невозможен, так как он предполагает работу вопреки закону сохранения энергии, является верным.

Второй закон термодинамики. С самого начала смущает неопределенность и обилие формулировок [19]. Затем подчеркивается, отчасти объясняя первое замечание, что второй закон термодинамики сформулирован на основе опыта и в общем виде выглядит так: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Вот тут уже наш опыт начинает подсказывать, что что-то тут не так. А круговорот воды в природе? А любой циклический природный процесс: от вращения Земли вокруг Солнца, до любого жизненного цикла - вещество - питание - рост - смерть - распад - вещество? Наконец, стоковая структура материи, возникающая из частиц тонкой материи, в них же назад распадающаяся? Наш опыт наоборот показывает, что любой реальный самопроизвольный процесс является обратимым, что, кстати, следует из Первого закона термодинамики - ни что из ничего не берется и никуда не девается. И, наконец, утверждение - вечный двигатель второго рода - невозможно построить двигатель который просто отбирал бы тепло (материю) от некоторого источника и непрерывно (циклично) превращал его в работу (движение) - но эту возможность реализует стоковая структура - она обеспечивает сток тонкой материи (тепла) для формирования своего ядра, которое обладает скоростью - движется, т.е. совершает работу, перемещая массу. В чем же тогда заблуждение ученых признающих Второй закон термодинамики? В том, что при его выводе и аргументации рассматривалась одноуровневая материя, без учета связи с ее тонкой структурой, забывается о триединстве ядра. Вот тут то и вылезла отвергнутая ранее "причина" - материальная природа тепла (энергии), приведшая к искусственному сужению рамок материальных образований принимающих участие в процессе.

Таким образом Второй закон термодинамики в общепризнанной форме не соответствует нашим современным представлениям и не является верным, как и утверждение о невозможности осуществления вечного двигателя второго рода.

Вам понравилось разбирать заблуждения физиков? Если да, то не переживайте их еще будет много. Можете также почитать о них у В.А.Ацюковского [2], или самостоятельно попробовать, например, доказательство теоремы Карно строится от противного и опровергает Второй закон термодинамики, значит предположение не верно. По такой схеме доказательства вводятся почти все заблуждения в науке - вначале принимают неверный постулат или определение, а потом под него калибруют. Пусть физики не обижаются, они не одиноки, впервые я столкнулся с таким подходом в гидрогеологии - если кривая откачки из скважины противоречит уравнению Дарси - значит откачка "дефектная" и не рассматривается, не зависимо от причин. Увы! Я уже не говорю про "вечные двигатели", отвергаемые из-за несоответствия Второму Закону термодинамики, но в этой области вопрос сложнее и помимо заблуждений носит сейчас больше политика - финансовую окраску чем недомыслие, но это не тема физики.

Еще один распространенный способ вводить в заблуждение - путать причины со следствием. Например, почему на полюсах холодно, а к экватору теплеет? Если подсчитать по падающему солнечному излучению, то на территории вблизи полюсов его поступает не меньше. Просто тут на лицо очередное заблуждение. После того как не обосновано отвергли представление о тепле, как о форме движения частиц тонкой материи, в своих теориях стали путать причину со следствием и минимальная толщина атмосферы в которой аккумулируется тепло на полюсах это причина пониженной температуры, в отличии от экваториальной зоны, где толщина атмосферы максимальная и температура выше. Для выявления причин рассмотрим модель Земли как стоковой структуры. Как мы уже знаем, к центру Земли идет сферический сток материи, радиальные потоки частиц которого после столкновения с плотными слоями переходят в вихревые (циркуляционные) потоки перпендикулярные радиальным. Свойства таких потоков зависят только от высоты положения над поверхностью (радиуса вращения) - одно измерение, и получили название потенциальной энергии, одинаковой для всей плоскости. Перпендикулярный им осевой радиальный поток тонкой материи, например, на полюсах, зависит от положения на плоскости, он является локальным, такие потоки получили название кинетической энергии, характеризующей энергию в точке на плоскости – два измерения. Тепловое поле Земли - это совокупность потоков частиц в ее слоях, является характеристикой ее полной энергии (полный напор), состоящей из потенциальной и кинетической энергии (пьезометрического и скоростного напора). Если циркуляционные потоки вокруг Земли характеризуют ее потенциальную энергию (пьезометрический потенциал) и способствуют накоплению (консервации) энергии (тепла), то радиальные на полюсах характеризуют скоростной напор или кинетическую энергию и способствуют выносу тепла (энергии), что приводит к снижению плотности среды (пьезометрического напора), т.е. температуры. Так что дело с температурой на полюсах не, сколько в неравномерности энергии лучистого теплообмена солнечных лучей, накапливающейся в атмосфере, сколько в конвективном теплообмене потоков тепла - солнечных частиц принимающих участие в формировании нашей Планеты. Кроме этого, мы неожиданно сделали первые шаги в понимании физического смысла и различий между кинетической и потенциальной энергией, и наметили пути возможных полезных гидравлических аналогий для пространства (полей) окружающих стоковые структуры для последующих феноменологических моделей.

В свете рассмотренных выше представлений о тепловом поле Земли напрашиваются неожиданные интересные выводы о природе электрических явлений.

Около земной поверхности существует электрическое поле - это значит, что между различными точками нашей атмосферы, находящимися на разной высоте, имеется разность потенциалов, в среднем вблизи земной поверхности величина изменения потенциала с высотой составляет около 1.3В/см. По мере подъема над Землей поле это быстро ослабевает и уже на высоте в 1км напряженность его равна только 0.4В/см.

Существование температурной и электрической стратификации в атмосфере Земли и термо Э.Д.С. - эффект Т.И.Зеебека, наводит на мысль провести аналогию о природе электрического поля Земли и термо Э.Д.С., а отсюда один шаг до проведения связи между теплом и электричеством.

Попробуем найти подтверждение равнозначности природы тепло - электричество, тепловой поток - электрический ток, разность температур – разность потенциалов. Далеко ходить не приходится - закон Джоуля - Ленца является непосредственным подтверждением этой связи - прохождение электрического тока по проводнику сопровождается выделением тепла. Не касаясь количественной стороны закона проанализируем не закралась ли очередная ошибка.

Для этого вернемся к истокам создания электрических моделей в феноменологических представлениях ее основоположников - Кулона, Вольта, Ома, Ампера и других, как это сделал А.И.Китайгородский [20] и проанализируем их.

Это будет выглядеть несколько глупо тривиально, но наберемся терпения и не будем спешить с выводами.

В своих феноменологических моделях они рассуждали, примерно, так: когда я соединяю полюса аккумулятора проводником внутри проводника потечет нечто вроде жидкости - электричество, назовем его электрическим током. А откуда берется это нечто вроде жидкости? Естественно, от аккумулятора – источника – нечто вроде емкости с этой жидкостью. А выделяющееся тепло - это результат выделения энергии электрического тока – этой жидкости в виде тепла изнутри проводника наружу в атмосферу. Вроде все разумно и другого объяснения найти нельзя. А если попробовать?! Ведь нечто вроде жидкости - тепло может поступать в проводник снаружи (как жидкость через боковую фильтрующую поверхность поступает к скважине из окружающего ее пласта - атмосферы) и при определенных условиях питать поток внутри проводника, вызванный разностью давлений за счет перепада уровней - разности потенциалов, а это уже электрический ток.

Не правда ли, неожиданный поворот. Даже ярые приверженцы традиционных физических представлений согласятся, что неразумно не проверить эту модель. Ведь мы признаем, что энергия, текущая по проводнику рассеивается через его боковую поверхность в виде тепла. Почему не может быть подобный процесс с обратным знаком в противоположном направлении, когда происходит поглощение энергии из пространства во внутрь проводника с пополнением аккумулятора электричеством – наполнение чем то вроде жидкости, а это – термо Э.Д.С.

Поверить в то, что тепло и электричество имеют одну и ту же природу мешают все те же зарядовые представления о природе электричества, ее носителя и не материальность тепла. Поэтому ясности в физике не будет до тех пор, пока мы всерьез кардинально не поменяем основные физические представления.

4.2. Электричество в представлениях динамических стоковых структур

Как мы видим из предыдущего анализа, вследствие "не материальности" тепла, вопрос о распространении электрического флюида через боковую поверхность остался не раскрытым. Попробуем этот пробел устранить, рассмотрев феноменологическую модель электричества на основе стоковых структур, для этого продолжим вывод основных понятий электричества в представлениях основоположников.

Начнем с аккумулятора, который имеет два "полюса". Взявшись за них руками можно почувствовать какое-то воздействие, видимо через тело что-то пробежало. Назовем это что-то электричеством. Соединяя оба полюса предметами из различных материалов, выявляем, что одни предметы нагреваются сильнее, другие слабее, третьи совсем не нагреваются. Эти результаты исследователь описывает так: когда полюса соединяют проволокой, по ней течет электричество - нечто вроде жидкости. Назовем это явление электрическим током. Те предметы, которые нагреваются хорошо, видимо, хорошо "проводят" электричество, их называют проводниками. Многие тела нагреваются плохо, они, видимо, плохо "проводят" электричество или создают большое сопротивление протекающему току (жидкости). Те, которые совсем не нагреваются, называют изоляторами или диэлектриками. Применяя вместо проводника жидкость (раствор медного купороса) исследователь устанавливает, что каждую секунду на катоде откладывается одинаковая масса меди - это подтверждает, что ее появление связано с течением какого-то флюида, который несет на себе атомы меди. Исследователь вводит два новых термина. Во первых, он полагает, что масса М меди пропорциональна количеству q прошедшего по цепи электричества, т.е. вводит определение q = kM (4.1), где k - коэффициент пропорциональности. И, во вторых, он предлагает назвать силой тока количество электричества, протекающее по цепи в единицу времени:

I = q/t (4.2)

Теперь ток можно характеризовать двумя измеряемыми величинами: количеством тепла (Q_тепла), которое выделяется на определенном участке цепи в единицу времени и силой тока (I), а значит, появляется возможность сравнить токи, создаваемые разными источниками, измеряя отдельно силу тока I и Q_тепла выделившуюся в форме тепла для одного и того же участка провода. Повторяя опыты с различными проводниками, выясняется, что отношение количества тепла Q_тепла к количеству электричества q, протекающему через провод различно, для разных источников тока. И называет это отношение Q_тепла/q - "напряжением" или "разностью потенциалов" - U,

U = Q_тепла/q (4.3)

Заметьте, исследователь "назвал", а не "нашел", что Q_тепла/q равно напряжению.

И наконец на основании сделанных экспериментов и определений, исследователь выводит закон (Ома): для подавляющего большинства проводников напряжение и сила тока пропорциональны:

U = IR (4.4)

Величине коэффициента пропорциональности R, дается название сопротивления.

Проанализируем какие параметры входят в закон Ома:

I - экспериментально измеряемая по косвенным признакам величина (4.2),

R - конкретный материальный предмет, характеристику которого получают методом сравнения с эталоном, принимающий участие в измерениях I.

U - формульный параметр, зависящий от свойств источника и сопротивления, т.е. процесса в целом. Он вводится, чтобы в дальнейшем больше не думать о физике, а все возложить на математику. Это цель любой феноменологической модели - один раз разработать физическую модель, установить взаимосвязи, ввести параметры, описать процесс математически и больше к физике не обращаться, назвав это Законом. Не уяснив физический смысл напряжения из его первоначального определения (4.3) или забыв его в дальнейшем, определение напряжения стали делать из закона Ома (4.4), что, вообще говоря, неверно. Вернемся и проанализируем физический смысл напряжения из первоначального определения (4.3).

Общее количество электричества q при прохождении по проводнику делится на часть которая рассеивается через боковую поверхность проводника по пути следования тока в виде тепла Q_тепла, и на часть которая непосредственно доходит до конечной точки по длине проводника q_i. Это можно записать так:

q = Q_тепла + q_i (4.5)

Т.е. при подключении проводника (замыкании полюсов) начальное количество электричества в секунду q (расход) вышедшее из начальной точки (полюса), включает в себя не только количество электричества, которое рассеялось в виде тепла Q_тепла, но расход который дошел до конечной точки q_i, вследствие закона сохранения энергии (материи). Об этом, отчасти вспоминают когда вводят понятие Э.Д.С. замкнутого участка цепи. Правильней было бы до определения напряжения в (4.3) записать:

q = q^ + q_i (4.6)

где q - расход электрического флюида в цепи,

q^ - расход электрического флюида через боковую поверхность проводника Q_тепла = q^ (4.7),

q_i - расход электрического флюида дошедший до точки назначения по сечению проводника.

Тогда (4.3) примет вид: U = q^ /( q^ + q_i ) (4.8)

А так, как уже отмечалось, различные материалы по разному пропускают электричество, то:

- если q^ << q_i, то U ® 0, U_{1 »} U₂ т.е. все количество электричества остается в проводнике, переместившись из одной точки в другую, оставаясь не растраченным;

- если q^ >> q_i, то U = const т.е. все количество электричества идет на рассеивание через боковую поверхность проводника или на нагрузке и их пропускная способность неограниченна (режим заземления).

Теперь уже не так однозначно звучит тезис о том, что если проводник "нагревается хорошо", то он хорошо проводит электрический флюид - он оказывается больше его рассеивает, чем проводит, т.е. пропускает внутри себя на необходимое расстояние. А значит, то, что мы подразумевали под понятием электрический ток, был скорее не скоростью потока, а фильтрационным расходом флюида через стенки проводника.

Теперь мы видим, что гидравлическая аналогия напряжения с разностью уровней жидкости (рис.9а) была только частным случаем (q^ <<q_i), и реальная модель – это фильтр скважины в водоносном пласте (рис.9б, 9в), а аналогия электрического напряжения – потери напора (разность уровней), определяющего скорость потока (расход) при фильтрации через фильтрующую поверхность - D H₁ и во внутренней полости скважины - D H₂, т.е. тоже две составляющие как у расхода (тока) так и у потерь напора.

Как все это вписывается в наши представления? Продолжим дальнейшее построение феноменологической модели электричества на основе стоковых структур.

Все вокруг нас окружено флюидом. Часть этого флюида используется на образование элементарных структур материи, путем образования стоковых структур.

Стоковые структуры, в силу своего строения, помимо вектора скорости вдоль своей оси и симметричного поля стока, являясь диполем - обладают чем-то вроде насоса прокачивающего вдоль своей оси частицы внешнего флюида, образуя линейный поток. На одном полюсе поток входит, образуя сток, на другом - выходит - источник, а значит, его свойства зависят от ориентации оси диполя относительно внешних потоков флюида, его так называемые зарядовые свойства.

Без внешнего воздействия стоковые структуры вещества группируются так, что образуют замкнутые циркуляции их осевых потоков (вихревые кольца), оставаясь в равновесии (нейтральными), вернее, трансформируются в новую структуру с значительно более слабыми дипольными свойствами (зарядом).

Если на замкнутой поверхности, например, сферы, все расположенные на ней стоковые структуры (атомы вещества) – диполи ориентированы так, что их оси будут перпендикулярны поверхности и направлены одноименными полюсами в одну сторону, назовем такую поверхность заряженной.

Рис.9. Гидравлические аналогии электрического тока.

Если диполи направлены стоком наружу, назовем такую поверхность отрицательно заряженной, тогда внутри сферы по сравнению с внешней стороной появится избыток частиц флюида, т.е. повышенная концентрация или давление, назовем его отрицательным потенциалом. Внутренняя полость сферы как бы образует емкость, резервуар для избытка частиц флюида (рис.9б).

Если диполи ориентированы источником наружу, назовем такую поверхность положительно заряженной, то внутри сферы по сравнению с внешней стороной появится недостаток частиц флюида, т.е. пониженная концентрация или разряжение, пониженное давление, назовем его положительным потенциалом. Внутренняя полость сферы при этом как бы образует емкость, резервуар с разряженным пространством. Для таких представлений гидравлическая аналогия с скважиной в водоносном пласте (рис.9в), превращается почти в реальную расчетную модель, при соответствующей доработке терминологии.

Если к такому заряженному телу подсоединить трубку (проводник) то из-за разницы давлений внутри нее возникает поток частиц флюида в направлении определяемом знаком потенциала до тех пор, пока не произойдет выравнивание давления на концах трубки.

Внешние потоки тонкой материи (протоэфира) от заряженных поверхностей (ориентированных диполей) – есть электрические, электромагнитные поля, они зависят от формы и расположения этих поверхностей, определяя тот или иной вид взаимодействия, характерный для различного рода электрических устройств.

Работа конкретных электрических устройств будет подробно рассмотрена во второй части книги. Сейчас только подчеркнем главное, – ток характеризуется не сколько направлением движения по проводнику, сколько, что из-за неверных представлений осталось в тени или непонято – наличием наряду с “напорным” током – током от избытка напряжения (давления) внутри системы, обеспечивающего выделение (рассеивание) энергии, тепла через поверхность проводника, всасывающего режима тока – тока за счет притока энергии вовнутрь системы, поглощения энергии извне, так называемой свободной энергии. Ток току рознь!

У стоковых структур помимо полярных (осевых) потоков, которые в материальных образованиях обычно нейтрализованы за счет объединения в кольцевые структуры, существуют не только осевые потоки тонкой материи (рис.6), но и радиальные (сток) потоки таких же частиц, характеризуемые расходом стока, они являются неотъемлемой составляющей материи – энергии любой частицы. Поэтому изменение концентрации количества частиц (структур) в среде приводит к изменению и этой тонко полевой составляющей материи – энергии, ее суммарного расхода. Эту характеристику материи в традиционной науке называют температурой, хотя материальным носителем всех этих полей – температурных, электромагнитных, электрических - являются одни и те же частицы протоэфира – электроны.