“Salus populi suprema lex est”
Международное общественное объединение

Russian Phisical Society, International

Международное общественное объединение Русское Физическое Общество (сокращённо – РусФО, RusPhS) - добровольное объединение учёных, инженерно-технической интеллигенции, изобретателей, предпринимателей для совместной интеллектуальной и научно-практической деятельности в области естествознания, - науки о природе.
Научная цель: построение единой физической картины мира и поиск основной целевой функции человечества.

Заев Н.Е., Авраменко С.В., Лисин В.Н. Измерение тока проводимости, возбуждаемого поляризационным током.




ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА ПРОВОДИМОСТИ, ВОЗБУЖДАЕМОГО ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМ ТОКОМ

 
Заев Н.Е., Авраменко С.В., Лисин В.Н.

 

На заре изучения электромагнетизма М.Фарадей провидчески писал о «мгновенном токе», распространяющемся в уединённом проводнике в момент соединения конца проводника с полюсом батареи [1]. В этот момент, очевидно, в проводнике сдвигаются свободные заряды и поляризуются атомы. В современном представлении плотность полного тока в проводнике:

j = jc + ∂P/∂t + с·rot М,                                                                    (1)

 где:  jc - плотность тока свободных зарядов,
 P - поляризованность,
М - магнитный момент вещества проводника (для единицы объёма),
 с - скорость света.

Следовательно, два последних члена - суть плотность тока  jсз  связанных зарядов [2].
Поскольку М = χ·Н, а χ = μ - 1 (если μ - магнитная проницаемость), то, ввиду равенства μ = 1 для обычных проводников,  jсз определяется вторым членом (1).

Из равенства:
P = (1/4π)·D - (1/4π)·E,

где D - индукция, следует:

jсз =(1/4π)·∂D/∂t - (1/4π)·∂E/∂t = (1/4π)·(ε - 1)·∂E/∂t                                           (2)
 

Здесь второй член - ток смещения в вакууме, первый - ток поляризации в веществе.
 Существование тока jсз в металле несомненно; тогда при jсз > 0 по [2] в нём должно ε > 1, что противоречит общепринятым на сегодня представлениям.

Однако, противоречие можно «обойти», полагая, что при ε = 1 ток связанных зарядов сосуществует с противоположно направленным током смещения, так что во-вне нет обнаружи́мого магнитного поля.

Током jсз принято всегда пренебрегать, полагая ∂Р /∂t → 0, то есть предполагая выполнимость условия:

σ·Е =jc >> ε·∂E/∂t - ε·ω·E = jp ,                                                              (3)
где σ - проводимость [2].

По (2) имеем:
jсз = jp - jсм.
 
То есть плотность тока связанных зарядов суть разность плотностей тока поляризации в веществе и тока смещения в вакууме. При ε > 1, jp > j.
Условие (3) всегда выполняется для «хороших» по (2) металлов, ибо в них σ ~ 1017, а ε = 1 конвенционально.
Ни прямых, ни косвенных измерений поляризационных токов в металлах до нас ещё никем не проводилось.

Из (3) следует:
jc/jp ~ σ/(ω·ε).                                                                        (4)
 
То есть обнаружение jp > 0 может дать указание на наличие в металле ε > 1, а измерение jp - открыть возможность оценки уровня эффективной диэлектрической проницаемости металлов, ибо из (4) следует:

ε ≈ (σ·jp)/(ω·jc) = (σ·Jp)/(ω·Jc)
 
или из (3), полагая S - площадь сечения проводника, следует:

ε = (Jp/S)/(ω∙E) = (Jp·l)/(ω·S·U),
 
где: U - разность потенциалов на обмотке генератора,
      1 - длина обмотки,
      Jp - измеренный ток поляризации, точнее: jсз = jp - jc.
 
Несмотря на общепринятость ε = 1 для металлов, столь же правомерно и принятие для них ε =∞, что было доказано в прошлом веке. Об этом подробно писал ещё в 1892 году Борис Борисович Голицын, обсуждая выводы Е. Кона [3].

По Голицыну Б.Б., в металлах 1 << ε << ∞, то есть величина неопределённая. К вопросу об уровне ε в металлах через 30 лет вернулся Павел Александрович Флоренский. Его исследование всесторонне аргументировано и приводит к выводу, что в металлах 1 < ε < ∞ [4]. Здесь следует упомянуть об используемом ныне методе расчёта эффективной диэлектрической проницаемости εэ так называемых матричных систем. Например, диэлектрик, с величиной ε = 1÷5, содержит в себе, как матрица, проводящие сферы очень малого диаметра. В расчёте принимается их значение ε → ∞; и результаты расчёта  εэ  хорошо согласуются с измеренными [5].

Отсюда следует, что критерий правомерности пренебрежения по (3) излишне «оптимистичен», ибо может оказаться, что ε > 1 и тогда пренебрежение Jp часто является неправомерным. Измерение Jсз может прояснить вековой спор о природе диэлектрической проницаемости металлов и, кроме того, обосновать возможность передачи энергии по уединённому проводнику, без гальванически замкнутой цепи тока. Никола Тесла это демонстрировал 1 февраля 1892 года в Лондоне, но описания применяемого им способа такой передачи не сохранилось [6].

Измерение
 
На рисунке 1 приведены использовавшиеся пять схем. Все они, по существу, - модификации схемы 1, – «вилки Авраменко». Она была предложена Авраменко С.В. ещё в 1978 году (Заявка на изобретение № 2610996/21 от 10.01.1978 г.).

Все схемы - на диодах Д208, проводники - медь, ток проводимости в этой замкнутой цепи измерялся микроамперметром типа М265М, кл. 1,5 (ГОСТ 8711-60), «100-0-100», μА, внутреннее сопротивление прибора - 600 Ом. Источник переменного напряжения - звуковой генератор Г3-56/1. Как видно из схемы 1, средняя точка между двумя последовательно включёнными диодами («вход») присоединяется одним проводом (медь, диаметр 0,5 мм по жиле, длиной ~ 20 см) к одной потенциальной клемме выхода генератора.

Напряжение на выходе генератора U отсчитывалось по вольтметру генератора. Способ измерения основан на представлении о наличии распространяющегося по уединённому проводнику (соединённому одним своим концом с клеммой генератора переменного напряжения; с «полюсом батареи» - по М. Фарадею), «фронта» поляризации атомов («мгновенного тока» - по М. Фарадею). Этот «мгновенный ток» создаёт давление газа свободных зарядов (электронов) в замкнутой цепи, а диоды выполняют роль клапанов, обеспечивая однонаправленную циркуляцию, - ток зарядов в этой цепи.

Поляризация атомов проходит по всей цепи, не теряясь существенно на диодах или других элементах цепи (резисторах, емкостях, индуктивностях). Поэтому «входом» можно сделать любую точку схемы 1, только ток в цепи уменьшится вдвое по сравнению с «правильным» входом.

На рисунке 2 приведены результаты измерения силы тока в замкнутой цепи диодов - «вилке» при напряжении U = 50 в и частотах от 2 до 100 кГц. Отчётливо видны два линейных участка; изменение наклона прямых вызвано, видимо, особенностями использованных диодов. Видно также, что применение сдвоенной «вилки» - практически не изменило ни вида зависимости, ни абсолютных значений тока. То же самое отмечено с утроенной и учетверённой «вилкой». Если же схема собрана на высоковольтных выпрямительных столбах КЦ106Г (20 кВ), то, хотя вид зависимости почти не изменился, но абсолютные значения тока снизились на 20 %. Это связано с заметным омическим сопротивлением этих столбов в прямом направлении.

Хорошо видно, что сдвоенная схема 2 (сравнительно со схемой 1) обеспечивает неизменность результата. При 20 кГц сопротивление 10 кОм между входом и генератором не изменило силы тока: без сопротивления (при 20-ти кГц и 50-ти В) было 20 μА, рис.2, то же значение - и с резистором 10 кОм (рис.3).

Информативны результаты измерений по схеме 5. Она имеет один «вход» от генератора к схеме 2. К схеме 2 в произвольной точке присоединена своим входом схема 1, а к ней, тоже в произвольной точке,- подключён вход схемы 4. Разумеется, можно бы было к «4» присоединить ещё одну «вилку», а к ней - ещё одну. Этого не сделано ради обозримости результатов на этом трёхсъёмном каскаде. Сразу отметим особенности каскада. Первая особенность: замыкание накоротко нагpузки (прибор) на любой схеме не изменяет заметным образом показаний пpибора на остальных схемах. Вторая особенность: перемена схем местами также не оказывает влияния на результаты измерения.

Зависимость токов J1, J2, J3 cоответственно в последовательности схем 2, 1, 4 - на рис. 4 - от напряжения генератора при 20 кГц; на рис. 5 при 10 кГц; на рис. 6 - от частоты при 50 В. Для всех этих зависимостей характерно снижение силы тока по мере удаления схемы от потенциального провода, по мере отбора мощности нагрузками (приборами). Заметно также возрастание абсолютной силы тока в первой схеме («головной»), когда она в каскаде, по сравнению с током, когда эта схема подключена одна. Особенно хорошо это видно на рис.6, где изображена частотная зависимость силы тока при 50 В. Неоднократно проводились попытки измерить силу тока в потенциальном проводе перед входом в схемы. Использовались магнитоэлектрические и тепловые (на преобразователях ТВБ) приборы. - Тока не обнаружено.

Обсуждение результатов
 
Обнаруженная в измерениях возможность передачи энергии по уединённому проводнику объяснима наличием тока связанных зарядов по (2), процессами динамической поляризации атомов во всех соединённых проводниках.

В качестве рабочей гипотезы можно считать, что за полупериод диэлектрическая проницаемость проводника изменяется от 1 до ∞ и вновь до 1. Для интерпретации зависимости  ε от времени (точнее, - от (ωt), представляется полезной функция  ch ωt. Интеграл в интервале (0:÷ π/2) и  (π/2 ÷ π) и даст эффективную величину  ε за полупериод.

Из результатов измерений тока поляризации расчётный верхний уровень эффективной величины (за период) динамической проницаемости εg ~ 108. Это подтверждает давние предположения Голицына Б.Б. и Флоренского П.А.

Поляризационная природа тока в уединённом проводнике подтверждается и тем, что «входом» в схемах 1, 2, 3, 4 могла быть любая точка цепи (с уменьшением тока вдвое) и тем, что закорачивание диода в схеме 1 (или в схемах 2, 3, 4 верхней или нижней группы диодов) не исключает ток в цепи, а лишь уменьшает его вчетверо, и, наконец, подтверждается фактом работы каскада по схеме 5.

Причём, в этом каскаде исключение одной из нагрузок не влияет значимым образом на силу тока в остальных двух схемах. Наличие в потенциальной линии резистора в 10 кОм не вносит существенных изменений в силу тока в схеме 2.

Следовательно, джоулевы потери в потенциальном проводнике исчезающе малы. Этим можно объяснить неудачу попыток измерения тока в потенциальной линии тепловым амперметром.

Участок «обмотка генератора - потенциальная линия - вход схемы 1 - и т.д.», по которому протекает поляризационный ток, в макромасштабе не подчиняется Закону Кирхгофа; это «некирхгофова линия» и термин «цепь» (подразумевается замкнутая гальванически или через ёмкость или временно разомкнутая) - неприемлем.

В серии предшествующих опытов было установлено, что не только резистор, но и ёмкость, и индуктивность не влияют на величину поляризационного тока в потенциальной линии. Последнее свидетельствует о малости эффективного магнитного поля, в отличие от магнитного поля, создаваемого током смещения. (Оно в ε раз меньше поля от тока Ic, в чём можно убедиться, рассматривая магнитные поля возникающего диполя от движения обоих зарядов и от изменения электрического поля между ними.)

Этим можно объяснить нечувствительность магнитоэлектрического микроaмперметра к поляризационному току в потенциальной линии.

Расчётную оценку тока поляризации следует провести из представления возникновения на торце конца проводника обмотки генератора (длиной 1) поверхностных связaнных зарядов плотностью  σсз; площадь торца  а2π/4, U - разность потенциалов на концах обмотки - U, А - атомный номер элемента (материала обмотки), Ао - число Авогадро, ρ - плотность материала, М - массовое число, fo - резонансная частота атома, аналог оптическому резонансу.

Под действием электромагнитной индукции в атомах обмотки образуются диполи с плечом:

1g = (e∙U)/(4π∙mel)·(1/f02 - f2),

где: f - частота тока, е - заряд электрона, me - его масса.

Если N - концентрация зарядов (концов диполей) представлена выражением Ао·ρ/М, то:

J = σсз·((d2·π)/4)·2f,     а      σсз = N·e·A·lg,

 то есть:
Jсз = (d2·π/4)·2N·l·A·lg = (d2·f·ρ·Ao·A·e2·U) / (8M·π·me·l·(f02 - f2)).
 
Отсюда следует, что сила поляризационного тока должна зависеть прямо пропорциональное от частоты, диаметра провода обмотки генератора, плотности материала провода, атомного номера материала провода и обратно пропорционально длине провода обмотки, массовому числу материала провода. Но главная зависимость - обратная пропорциональность от разности квадратов частот колебаний, - собственной и внешней. В прогнозировании и достижении очень значимых Jсз при f → fo, в указании возможности резонанса и очень больших Jсз - основная значимость этого выражения (8).

Оценим в заключение вклад третьего члена в (1).

Из выражений M = (B - H)/4π  и  rot H = (4π/c)·jc + (1/c)·(∂D/∂t) находим:

c·rot M = ((µ - 1)/4π)·((4π/c)·Jc + (1/c)·∂D/∂t).

Но по условию  jc = 0  (линия единичная) и потому:

c·rot M = ((µ - 1)/4πc)·(∂D/∂t) = ((µ - 1)/4πc)·∂/∂t (4πP + E).

Следовательно, вклад третьего члена в (∂P/∂t - µ/4πc)  от величины последнего исчезающе мал, ибо µ << с  всегда.
 
Выводы
 
1. Диод, замкнутый на омическую нагрузку образует цепь для тока проводимости (тока свободных зарядов металла), возникающего в этой цепи при металлическом контакте её с одним концом потенциальной линии, соединённой другим своим концом с началом (концом) обмотки генератора переменного тока.

2. Два последовательно соединённых диода, замкнутые на нагрузку, образуют цепь тока свободных зарядов, но вчетверо большего, чем по п.l, если потенциальная линия соединена с участком цепи от выхода одного диода до входа в другой (вне нагрузки). Так реализуется «вилка Авраменко».

3. Измерения силы тока проводимости в цепи «вилки Авраменко» показали линейную зависимость его от частоты (5÷100 кГц) и напряжения (5÷50 В).

4. При наличие тока в нагрузке «вилки Авраменко» - в потенциальной линии не обнаруживается тока ни тепловым, ни магнитоэлектрическим амперметром.

5. Из (4) следует заключить, что поляризационный ток не выделяет джоулева тепла и имеет неизмеримо (обычными методами) малое магнитное поле.

6. Наличие в потенциальной линии последовательно включаемых емкостей, резисторов, индуктивностей, оказывает чрезвычайно малое ослабляющее влияние на силу поляризационного тока в цепи «вилки».

7. Впредь, до отыскания способа прямого измерения силы поляризационного тока об интенсивности его необходимо судить косвенно, по силе тока проводимости, возбуждаемого им в цепи «вилки Авраменко».

8. Практическую значимость поляризационного тока можно видеть в возможности передачи электроэнергии по одному проводу, энергии сигналов, энергии турбогенераторов.

9. Особый практический интерес представляет реализация условия резонанса по (8), когда поляризационный ток может стать очень большим.

10. Результаты измерений достоверно подтвердили предположение отечественных учёных, что в металлах диэлектрическая проницаемость 1 << ε < ∞.

11. Диэлектрическая проницаемость в металле при переменном токе - величина не постоянная, а динамическая, подобная кривой ch ωt (гиперболического косинуса) в полупериоде; в первой четверти растёт от 1 до «∞», во второй - спадает от «∞» до 1. Эффективная же величина ε ~ 108.

12. Возникновение поляризационного тока вызвано процессами сдвига зарядов (образования диполей) в одну и другую стороны, что обусловлено колебательными движениями зарядов, со знакопеременными ускорениями. Эти вынужденные колебания сопровождаютcя излучением - монохроматическим, когерентным; мощность его пропорциональна четвёртой степени частоты и квадрату ЭДС индукции в обмотке генератора.

13. Частоты 2f колебаний диполей могут оказаться в диапазоне частот тепловых колебаний атомов проводника обмотки - и потому поляризационный ток может обмениваться энергией с кристаллической решёткой проводника: и отбирать энергию от неё, и отдавать ей свою.

14. Из (1) и (2) следует, что поляризационный ток, ток связанных зарядов, в проводнике обмотки с χ >> 1 ,будет больше, чем в рассмотренном нами случае χ = 1. Проверку этого вывода следует проводить с обмоткой генератора из железного или никелевого провода, несмотря на следующий из теории малый вклад третьего члена в выражении (1). 

В заключение отметим, что преимyщественным направлением дальнейших исследований поляризационных токов следует считать поиски резонансных ситуаций в сочетании с высокими напряжениями. Необходимо также проверить целесообразность изготовления обмоток генератора из проводов медных, никелевых, железных, свинцовых и т.д. Всё это, в конечном итоге, должно обеспечить применение поляризационных токов в целях экономии электроэнергии при передаче (а сейчас теряется в электросетях не менее 30-ти процентов) и материалов при строительстве линий электропередач.

 

Рис. 1

 

Рис. 2

 

Рис. 3

 

Рис. 4


Рис. 5
 

Литература

 
1. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричeству. Т .3. - М., «АН СССР», 1959, стр. 712.
2. Галицкий В.М., Ермаченко В.М. Макроскопическая электродинамика. - М., «Высшая школа», 1988.
З.Голицын Б.Б. Избранные труды. Т. l. - М., «АН СССР», 1960, стр. 95.
4. Флоренский П.А. Диэлектрики и их техническое применение. - M., «Кубуч», 1924, стр. 56...67.
5. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М., «Энергоиздат», 1982.
6. Ржонсницкий Б. Никола Тесла.- М., «Молодая гвардия», 1959.

Москва, ноябрь 1989 г.



 

Размышления об электрической проводимости
и о природе материи

(Ричарду Тэйлору, эсквайру)

 Королевский институт, 25 июня 1844 г.

 
Прежде чем закончить эти размышления, я упомяну о некоторых важных различиях между представлением, что атомы состоят просто из центров сил, как у Босковича, и о другом представлении, что молекулы состоят из чего-то особенно материального, с чем связаны силы внутри и вокруг него. Если принять атомы последнего рода, - масса материи состоит из атомов и промежуточного пространства; если принять первые, - материя присутствует везде; и нет промежуточного пространства, не занятого ею...

Значит, материя будет повсюду непрерывной и, рассматривая её массу, нам не надо предполагать различия между её атомами и каким-то промежуточным пространством. Силы вокруг центров сообщают этим центрам свойства атомов материи; и, в свою очередь, эти силы, когда много центров в результате своих совместных сил собираются в массу, сообщают каждой части этой массы свойства материи. · При таком взгляде все противоречия, происходящие от рассмотрения электрической изоляции и проводимости, исчезают...
 
Остаюсь, дорогой сэр, ваш и т.д. - М. Фарадей.

 

 

Опубликовано: журнал «ЖРФМ», 1991, № 2, стр. 68-81.

« назад

Журнал Русской Физической Мысли
Журнал Русской Физической Мысли

Ссылки: