Бачи Алекс. Как устроен этот мир (Куэм

Вступление

Принято считать, что современная наука имеет ответы почти на все вопросы, касающиеся устройства мира, в котором мы живём. А то, что изучается в школе на уроках физики, химии, биологии и других естественнонаучных дисциплин - лишь малая толика огромного научного багажа человечества, накопленного многими поколениями наших предков. Но наука не стоит на месте и теперь вторгается в такие сферы, о которых обычный человек имеет довольно смутное представление. Отсюда возникает мистическая вера в то, что понимать происходящие в этом мире процессы могут лишь очень узкие специалисты в той или иной отрасли знаний. То есть, на учёного нужно обязательно много лет учиться и всё равно ты сможешь понять лишь малую часть того, о чём размышляют на научных симпозиумах седовласые академики, доценты и различные кандидаты в доктора.

На самом деле окружающий мир устроен намного проще, чем это описано в учебниках, и понять всё его многообразие и функциональность может любой человек, независимо от уровня образования и склада мышления. Для этого вполне достаточно обладать определённой наблюдательностью и любопытством, а также, знать пару-тройку базовых принципов, которыми руководствуется природа. Перечислим их:

Принцип разнообразия

В самом общем виде он означает, что в окружающем мире нет ничего такого, что можно было бы назвать двойником или абсолютно точной копией чего-либо. Даже если нам кажется, что объекты друг на друга похожи как близнецы-братья, мы всегда сможем найти между ними различия. Обычно их легко обнаружить лишь внимательно приглядевшись, но иногда могут потребоваться специальные инструменты. Что называется, было бы желание.

Но не только материальные объекты следуют этому принципу, а также любые физические явления и процессы. Яркий тому пример - форма молнии во время грозы. Несмотря на общее сходство, рисунок грозового разряда никогда не повторяется. То же можно сказать о снежинках, геометрическая форма которых строго подчинена определённым законам микромира. Тем не менее, при всей их похожести, мы не найдём и пары одинаковых, даже если потратим на поиски всю свою жизнь. Морские волны, раз от раза накатывающиеся на берег, создают на нём новый рисунок из песка, мелкой гальки и ракушек. Если выбрать небольшой участок пляжа и сделать миллиард его фотографий, при сравнении окажется, что нет ни одного повторяющегося рисунка.

То есть, если мы видим человека, который утверждает, что он единственный и неповторимый, а вся Вселенная вращается вокруг него, то не стоит сразу объявлять его сумасшедшим или закоренелым эгоцентристом. Возможно, он более близок к реальности, нежели большинство добропорядочных граждан. К счастью, это утверждение касается не только любого из людей, но и всех остальных обитателей мира, в котором нам посчастливилось появиться на свет.

Принцип масштабирования

Можно сказать, что он в какой-то мере является противоположностью по отношению к предыдущему принципу и позволяет находить общие черты между объектами и явлениями, которые уж никак не могут быть похожими, учитывая серьёзное различие в их размерах. К примеру, взяв несколько крупинок речного песка и поместив под микроскоп, мы обнаружим их поразительное сходство с булыжниками, лежащими тут же на берегу речки. Для большого дерева всегда найдётся схожий по строению сорняк, растущий неподалёку.

Типичным примером иллюстрации принципа масштабирования может служить морская береговая линия, когда сравниваются её участки, сфотографированные с разной высоты. Если не брать в расчёт различные большие и малые объекты, попавшие в поле зрения объектива - камни, птиц, деревья, лодки рыбаков и огромные круизные лайнеры, то может показаться, что мы имеем дело с одним и тем же рисунком береговой линии. Причём, форма изгибов и зигзагов будет поразительно схожа, будто бы мы снимали один и тот же участок в разную погоду и время суток. Руководствуясь этим принципом можно сравнить маленькую ящерку с крокодилом, кошку с лошадью, костёр с действующим вулканом, лампочку с солнцем или луной, в зависимости от яркости.

То есть, принцип масштабирования позволяет сравнивать объекты, которые на первый взгляд совсем не имеют ничего общего.

Принцип непрерывности

Пожалуй, это самая загадочная закономерность, существующая в нашем мире. Проиллюстрировать её можно на примере цепочки событий, происходящих на основе причинно-следственной зависимости. То есть, в природе нет ни одного явления, которое бы имело начало и конец. Можно сказать, что мы специально упрощаем наше восприятие любых физических процессов путём их условного разделения на фазы, а крайние точки обозначаем как границы их продолжительности. Типичный пример, указывающий на существование такого природного принципа - круговорот воды в природе. Очевидно, что дождю предшествует достаточно длительный процесс насыщения воздуха влагой, а когда её концентрация в атмосфере достигает какого-то пикового значения, вода выпадает в виде осадков. Но на этом процесс не останавливается, ведь сразу после дождя начинается процесс парообразования, который через определённое время сформирует облака и непременно всё повторится, но где-нибудь в другом месте. Отсюда следующая природная закономерность:

Принцип повторяемости

Он является прямым следствием предыдущего принципа. Дело в том, что "природный инструментарий" не так широк, как нам пытается доказать наука. Арсенал средств, которым располагает мироздание, довольно скромен, но благодаря существованию принципа разнообразия, даже схожие по всем признакам явления каждый раз будут протекать со значительными либо едва уловимыми изменениями. День сменяет ночь, за летом следует осень, зима, весна и потом снова наступает лето, после вдоха непременно будет выдох - это лишь малая часть повторяемых событий, которые мы видим и ощущаем на протяжении всей своей жизни. Но даже после нашей смерти мир не перестанет существовать, продолжая функционировать на всех иерархических уровнях мироздания - микроскопических и глобальных.

Непрерывность слишком тяжела для разума любого мыслящего существа, и поэтому нам проще её воспринимать отдельными эпизодами, которые складываются в общую событийную картинку. Действительно, намного удобнее следить за событием, у которого имеется начало и конец. Сутки мы делим на утро, вечер, день и ночь, потом ложимся спать, а завтра начинается всё сначала. Дождь - лишь самая эффектная часть процесса превращения воды в пар и обратно, и поэтому нам удобнее его воспринимать отдельным событием, нежели бесконечной цепочкой каких-то природных преобразований.

Дабы не забывать о существующей в окружающем нас мире непрерывности, отдельные её фазы, имеющие сходство друг с другом по тем или иным признакам, далее по тексту мы будем именовать Сценариями. Этот термин наилучшим образом иллюстрирует некоторое событие, начало и конец которого можно обозначить произвольным образом. То есть, именно так, как писатель выделяет некий наиболее яркий период из жизни своего персонажа, чтобы не отвлекаться на другие, менее интересные события, такие как его рождение, обучение в школе, и всё то, что можно оставить за рамками литературного произведения. Масштаб и длительность описываемого события может быть каким угодно - один день, год или даже столетие, когда речь идёт о жизни не отдельного человека, а о целом народе.

В природе постоянно происходят события, которые могут быть выделены в качестве условно целостного процесса. Горение дров в печке - это ни что иное, как очень яркий эпизод в череде событий, приведших к такому приятному результату. Когда-то из земли появился росток, жадно впитывающий солнечный свет, воду из земли и углекислоту из воздуха. В результате стечения большого количества обстоятельств выросло дерево, которое срубили и сделали из него доски. Через какое-то время они пошли на дрова и оказались в печи. В процессе горения древесины энергия вернулась обратно в окружающую среду в виде тепла, света, а углеводородная материальная основа древесины вновь вернулась в своё первоначальное состояние - углекислый газ и водяной пар. Осталась лишь горстка золы и тёплые во всех смыслах воспоминания...

Но если какой-либо принцип описывает лишь определённые закономерности, существующие в природе, то её законы являются непреодолимыми. То есть, в отличие от законов, которые придумывают люди, законы природы нельзя нарушить ни при каких обстоятельствах. Будь ты хоть Верховный Властелин Вселенной, даже в этом случае ты будешь обязан их исполнять. Законов природы даже меньше, чем базовых принципов - всего два. Учитывая их непреодолимость, назвать какой-то из них главным или более важным, вряд ли возможно. Поэтому, мы их просто назовём. Первым в нашем списке будет:

Закон Сохранения Энергии/Массы

Следует отметить тот удивительный факт, что современная наука склонна разделять Закон сохранения Массы и Закон сохранения Энергии, считая их вполне самостоятельными. Такое положение выглядит довольно странно, учитывая полное признание академическим сообществом постулата Аристотеля об эквивалентности Массы и Энергии, который обычно записывается следующим образом - М=Е. То есть, признавая тождественность этих понятий, наука почему-то стесняется их объединить в единый закон природы, для которого уже не потребовалось бы изобретать каких-либо "костылей" из разряда открытых или замкнутых систем.

Процесс горения углеводородного топлива, пожалуй, наиболее удачно подтверждает данный тезис.

Очевидно, что масса древесины, попавшая в топку, и масса золы по окончанию процесса горения не будут равны, даже с учётом выделившихся при этом газов и водяного пара. Сравнительно небольшая, но всё же, существенная часть массы бесследно пропадёт, что может быть расценено как нарушение Закона сохранения Массы. Если же мы учтём количество выделившейся тепловой и световой энергии, то всё встанет на свои места - как раз потому, что часть топлива превратилась в энергию. Максимально скрупулёзно посчитав количество энергии и массы углеводородного топлива до начала горения и после, мы лишь подтвердим непреодолимость Закона сохранения Энергии/Массы. То есть, даже на таком простом и очевидном примере можно смело утверждать, что масса способна превращаться в энергию. Обратный процесс столь же естественен для природы, разве что происходит он не так стремительно как горение дров в печи. Чтобы выросло дерево, потребуется много времени, солнечного света, воды и углекислого газа. Благодаря наличию азота в атмосфере Земли растительная клетка способна к фотосинтезу - химической реакции, при которой вода и углекислый газ образуют органические молекулы, называемы углеводородными. В конечном счёте, они и являются строительным материалом для древесины. Следует отметить, что принцип разнообразия также позволяет образовываться углеводородам в природе совсем без участия растений и солнечного света. Для этого требуются несколько иные условия - высокая температура и давление, которые имеются глубоко под поверхностью Земли. Именно там происходит синтез другого углеводорода - нефти.

Следующим законом природы будет:

Закон Вечного Движения

Историкам науки он известен как "Постулат Аристотеля о вечном движении". Современные учёные склонны посмеиваться над этим "псевдонаучным атавизмом", считая его неким этапом становления науки, но всё же, тупиковым. Тем не менее, есть все основания считать учение Аристотеля не только верным, но и абсолютно необходимым для науки. Отрицание этого Закона Природы уже сейчас завело науку в дебри голословных утверждений, для доказательства которых постоянно изобретаются сомнительные сущности, подтверждающие лишь самих себя и не несущие никакой практической пользы. О том, насколько важно движение для нашей Вселенной и почему она не может без него обойтись, будет изложено далее по тексту.

Может показаться, что мы забыли упомянуть какие-то другие важные законы природы, о которых нам сообщает учебник физики. Действительно, природных закономерностей непреодолимого свойства гораздо больше двух, но при ближайшем рассмотрении они окажутся лишь частными случаями указанных выше базовых законов, а их различие состоит лишь в форме записи. От внимательного взгляда исследователя не укроется поразительная схожесть законов Ома в электрике, Гука в механике, правила Бернулли в гидравлике и других, каждый из которых является лишь иной формой записи Закона Рычага, открытие которого почему-то приписывают Архимеду. Собственно, это и есть наиболее простая интерпретация Закона сохранения Энергии/Массы. Также можно скромно предположить, что все другие законы физики, описанные в учебниках, в которых нет признаков указанного выше закона, вряд ли таковыми являются. Скорее, это некие Правила или Закономерности, дающие схожий результат при соблюдении определённых условий.

Итак, далее по тексту Законом мы будем именовать только то, что непременно соблюдается и чего нельзя преодолеть никакими методами, в отличие от "писаных людьми законов", которые что дышло - куда повернул, туда и вышло. То есть, если для существующего закона имеются или даже просто подозреваются какие-то исключения, то это уже Правило либо Закономерность.

Теперь несколько слов о математике и её роли по отношению к естественнонаучным дисциплинам, главными из которых по праву считаются физика, химия и биология. Под математикой мы обычно понимаем её базовый раздел - арифметику, её логическое развитие - алгебру и "первый край научной мысли" - высшую математику. Справедливости ради, следует упомянуть и квантовую физику, которая является развитием алгебраических идей, поэтому к физическим взаимодействиям в реальном мире вряд ли может применяться. На данный момент всё, что можно назвать Квантовой физикой - по большей части поэтический вымысел, расширяющий горизонты восприятия действительности, внушающий надежды на удивительные открытия в самом недалёком будущем, но практическая ценность всех этих фантазий представляется сомнительной.

С середины 19-го века до начала 20-го в академической среде шла ожесточённая дискуссия по поводу целесообразности применения математики для описания тех или иных физических процессов. Даже бытовало такое шутливое выражение:

Арифметика и геометрия дружны с физикой, но там где начинается алгебра, физика заканчивается.

Аргументы каждой из сторон понятны и вполне справедливы. Суть конфликта можно описать следующим образом:

Считается, что арифметика - это максимально упрощённая математика, но такое утверждение не вполне корректно. Действительно, арифметика имеет дело с простейшими математическими действиями, такими как сложение, вычитание, умножение и деление, но на этом сходство заканчивается. Принципиальное отличие арифметики от алгебры и высшей математики состоит в том, что она работает только с реальными физическими объектами либо с их частями, называемыми дробями. Посчитать яблоки или деревья, количество денег в кошельке и вес мешка муки - это всё арифметические задачки. Геометрия родственна арифметике, но в ней рассматривается уже форма реальных объектов, которые также складываются вместе или наоборот, разбираются на отдельные части. Для постройки дома или моста через реку вполне достаточно знаний арифметики, геометрии и физики, чтобы придать всей конструкции определённую форму, рассчитать прочность её отдельных компонентов и их количество. Более сложные математические расчёты несколько улучшают и уточняют конечный результат, но принципиальной роли, всё же, не играют.

Разделение арифметики и алгебры на самостоятельные дисциплины произошло примерно в конце второй половины 19-го века, когда возникло и окончательно укоренилось понятие "ноля", обозначающее не только "пустоту" в качестве числа, но и переход с его помощью в область отрицательных значений. Этот момент можно считать рубежом, окончательно отделившим алгебру от арифметики, геометрии и физики, в которых счёт всегда начинается с единицы, а "ноль" для них так и не стал полноценным числом.

Конечно, цифра "ноль" существовала задолго до момента "коренного перелома", но её функция всегда была вспомогательной и заключалась в обозначении перехода на следующий уровень размерности - условно "старший" в область десятков, сотен и далее, либо "младший" - к дробям десятичным, сотенным, тысячным. Такой подход целиком сообразуется с физикой, в которой масштаб объекта играет важную роль, а значит, и цифра "ноль" для неё вполне уместна и даже необходима, но числом она не является ни в коем случае.

Отрицательными величинами ни физика, ни арифметика не оперируют - минус указывает лишь на действие вычитания и больше ни на что. Геометрия также складывает и делит любую форму без использования ноля, а любая геометрическая фигура всегда положительна. Соответственно, физика, арифметика и геометрия имеют дело лишь с реально существующими материальными объектами, которые всегда положительны и отличны от ноля. Обозначение противоположных выводов батарейки как "плюс" или "минус" - тоже условность, удобная в жизни, но вовсе не означающая, что на "минусовом" выводе возникают какие-то отрицательные частицы. Этот момент обсудим в той части размышления, где подробно рассмотрим электричество.

Продолжаем...

Победное вторжение разделов математики более "высокого порядка" буквально во все естественнонаучные дисциплины, произошедшее в первой половине 20-го века и существующее по сию пору, всё более превращает физику в фантазию на тему: "как могло бы быть, если бы...", с каждым днём отдаляя её от ответов на вопрос:

Как устроен этот мир?

В дальнейших рассуждениях мы попытаемся вернуть здравый смысл в физику, попутно объясняя те природные явления, которые современная наука лишь описывает языком математических формул, даже не пытаясь объяснить, почему происходит именно так, а не иначе. Действительно, намного проще описать физический процесс какой-нибудь малопонятной формулой, нежели показать механическую суть того или иного взаимодействия. То есть, какие рычаги и пружинки тянут за ниточки и приводят весь этот механизм в движение. А поскольку многие природные процессы и по сию пору находятся за рамками нашего понимания, то можно сказать, что в самом начале 20-го века алгебра, а также, высшая математика и квантовая физика, действительно спасли физиков от настоящего позора, а значит, и всю современную науку. Зачем понимать суть физического процесса, если есть формула, способная дать приемлемый результат при наличии определённых входных данных? Своеобразное волшебное действо, где формула является тем самым заклинанием, а карандаш - это волшебная палочка, создающая на листе бумаги тайные знаки...

И всё же, не станем принижать роль математики в современном мире, поскольку и для "Царицы Всех Наук" имеется широчайшее поле деятельности - работа с нематериальными объектами, к коим относятся Информация, Аналитика, Статистика и другие цифровые данные. Создание виртуальных миров на экране монитора - то место, где без математики не обойтись, и физика здесь играет лишь вспомогательную роль, обеспечивая аппаратную поддержку, без которой потоки цифровых данных не могли бы воплотиться в визуальные образы.

Но есть сфера, в которой математика действительно способна сделать то, что физике не под силу ни при каких обстоятельствах - создание мыслящего существа, пускай и не слишком живого. Дело в том, что такие понятия как Разум и всё что связано с мышлением, с материалистических позиций необъяснимы. И если все попытки квантовой физики трактовки обычных природных процессов выглядят как шарлатанство, то в работе с нематериальным она действительно способна на многое. Во всяком случае, компьютер, у которого кроме ответов "да" или "нет", будут ещё и такие варианты как - "предполагаю", "надеюсь", "возможно, но не факт", уже более похож на мыслящее существо, нежели на станок по производству гвоздей.

Далее по тексту речь пойдёт только о физической составляющей окружающего нас мира, а размышление о нематериальном отложим на недалёкое будущее.

Итак, начинаем!

Часть 1. Великая Триада

Пространство-Время

Когда мы говорим о Пространстве, то воспринимаем его некой ёмкостью, в которую можно положить что угодно, а затем достать и переложить в другое место. Но Пространство, внутри которого существует наша Вселенная, имеет несколько иную суть. Чтобы её прояснить, следует сообщить следующее:

Во-первых, оно безгранично. То есть, принцип непрерывности в полной мере присущ Пространству. Отсутствие границ означает, что у него нет ни начала, ни конца, а значит, просверлить в нём дырку, используя какой-нибудь хитроумный прибор, никак не получится. Просто потому, что сверлить негде - границ нет. Отсюда первый неприятный вывод, который очевиден - попасть из одной точки пространства в другую, используя подпространственный двигатель, "кротовую нору" или портал - человечество не сможет никогда. Подобные способы передвижения целиком отдадим на откуп писателям-фантастам, а сами будем искать иные способы перемещения из одной галактики в другую, более реальные с позиций физики и здравого смысла.

Вторая причина, по которой мы никак не можем воздействовать на Пространство - его нематериальность. То есть, оно не имеет никакого физического воплощения, которое можно было бы потрогать или понюхать. Его даже измерить нельзя, поскольку оно безгранично. Объектом оно тоже не является, поскольку существует в единственном числе и не может быть посчитано. Даже всесильная математика это понятие скромно обходит своим вниманием, так как и она не может его адекватно описать. Знак бесконечности - максимум, на что способна Царица Всех Наук, но это лишь закорючка на листе бумаги, не способная сказать о Пространстве ничего полезного в практическом смысле.

Тем не менее, Пространство существует, иначе некуда было бы поместить целую Вселенную, в которой есть люди, звёзды, галактики и много чего ещё.

Пространство - это Сущность, то есть то, что реально существует. Также можно сообщить, что Пространство абсолютно. То есть - неделимо и самоподобно. Это означает, что Пространство мы не можем ни с чем сравнить, ведь оно единственное в своём роде, и на части не делится.

Здесь обязательно следует отметить, что с позиций философии и диалектики можно сказать, что Пространства объективно не существует, и это также будет верным утверждением. Просто потому, что Пространство нельзя считать объектом, даже нематериальным, с коими так мастерски оперирует математика. А поскольку Пространство объектом не является, то рассуждения о нём с каких угодно позиций бессмысленны.

Тем не менее, исключительно для удобства восприятия мы всё же будем считать Пространство реально существующим, поскольку дальнейшие построения будут лишены необходимого фундамента, ведь нашу Вселенную обязательно нужно поместить в какой-то сосуд. Человеческое сознание так устроено - если есть полезная вещь, она должна иметь своё место - коробочку или ящик, откуда её можно периодически доставать и подолгу рассматривать через увеличительное стекло.

Пришло время дать определение:

Пространство - абсолютная сущность Вселенной, на которую не распространяются как известные, так и гипотетически возможные законы природы. Понятие - "пространство" используется в качестве универсального вместилища для любых возможных объектов, материальных и гипотетических, а также для определения их позиции/расположения/удалённости по отношению друг к другу. Пространство существует объективно, но не может рассматриваться в качестве материального объекта, так как не является частью Материи.

На этой позитивной ноте закончим с Пространством, чтобы перейти к следующей абсолютной сущности.

Когда мы говорим о Времени, то воспринимаем его исключительно через призму причинно-следственной связи в образе незримой реки, текущей из прошлого через настоящее в будущее. Его нельзя ни потрогать, ни понюхать. Возможно ли его каким-то другим образом почувствовать - вопрос дискуссионный, ведь одни утверждают, что реально ощущают временной поток, другие категорически отрицают подобного рода чувственное восприятие. Время как и Пространство нельзя измерить или зарегистрировать каким-то хитроумным прибором. И всё потому, что оно нематериально. Более того - абсолютно. То есть, неделимо и самоподобно.

Утверждения о том, что человек способен измерять Время представляются обычной подменой понятий, ведь движение стрелки по циферблату к самому Времени не имеет никакого отношения - это лишь длительность некоего физического процесса, не более того. С таким же успехом можно считать капли воды или падающие с дерева листья, принимая их за течение незримой реки - Времени.

Также следует заметить, что все утверждения о замедлении или ускорении времени на основании опытов с часами - электронными, механическими или какими-то иными, которые якобы подтверждают теорию Эйнштейна о зависимости времени от тех или иных механических процессов, к примеру, движения с околосветовыми скоростями - типичное заблуждение, которое проистекает лишь из математических расчётов, произведённых в полном отрыве от реальных законов природы. Механизм, измеряющий период длительности того или иного физического процесса, какой угодно совершенный, ничего не говорит о Времени, а значит, любые математические манипуляции с ним, якобы подтверждённые инструментально - изначально ошибочны.

Отсюда неприятная новость - перемещение во времени с помощью какого-нибудь хитроумного механизма - сюжет для фантастического рассказа, не имеющий ничего общего с реальностью. Доказательством этого тезиса послужит простой гастрономический эксперимент. Если кому-то вдруг удастся создать такую мясорубку, которая провернёт фарш в обратную сторону так, чтобы в результате получалась корова, жующая траву, то он станет величайшим изобретателем всех времён и народов. Увы, причинно-следственная связь работает только в одну сторону, а значит, своими нынешними действиями и поступками мы можем воздействовать лишь на будущее - прошлое недоступно никому ни при каких обстоятельствах - его уже нет.

Утверждения гениев-математиков о том, что можно влиять на Время, если перемещаться в Пространстве очень быстро, выглядят симпатично, но лишь на экране компьютерного монитора. Как уже отмечено выше по тексту, математика действительно способна творить настоящие чудеса, но её возможности в сфере физических взаимодействий весьма ограничены, поэтому то, что на листке бумаги выглядит вполне правдоподобно, не всегда возможно воплотить в реальности. Увы, Время нельзя ни ускорить, ни замедлить, но это вовсе не повод для уныния, если научиться использовать его рационально и эффективно.

Следующий итог размышления:

Время - абсолютная сущность Вселенной, на которую не распространяются как известные, так и гипотетически возможные законы природы. Понятие "время" используется для описания продолжительности любых действующих причинно-следственных взаимодействий, динамических процессов, а также, прошедших событий или тех, которые могут случиться в будущем. Время существует объективно, но не может рассматриваться, ни в качестве пространственной величины, ни в качестве материального объекта, так как является самостоятельной сущностью - непространственной и нематериальной.

Итак, мы рассмотрели лишь два компонента Великой Триады - Пространство и Время, благодаря которым существует окружающий мир в привычном для нас виде. Теперь можно перейти к последней абсолютной сущности, влиять на которую мы можем самым непосредственным образом. И даже - попытаться сделать окружающий мир более приятным местом для обитания.

Материя

Несмотря на то, что эту Сущность Мироздания можно потрогать и понюхать, мы всё равно её будем считать абсолютной. То есть - самоподобной и неделимой. Аргументы следующие:

Материю вполне можно рассматривать в качестве самоподобной сущности, так как сравнивать её всё равно не с чем. Просто потому, что у нас нет другой Вселенной, а значит, первый признак абсолюта особых доказательств не требует. Второе свойство абсолютной Сущности - неделимость. Здесь ситуация выглядит несколько сложнее, ведь вещественность и многообразие различных форм и проявлений Материи как бы сами по себе подразумевают возможность делить и умножать всё и вся без каких-либо ограничений. Но мы помним, что Материя занимает Пространство целиком, а другого Пространства, куда бы мы могли переложить на время часть Материи, у нас нет. Это значит, что отделить даже самую маленькую частичку Материи у нас не получится. И проблема вовсе не в том, что мы не умеем отделять, а в том, что некуда это переложить - Мироздание нам не предоставило такой возможности, а значит, все "ингредиенты" всё равно останутся лежать в одной кастрюле до скончания веков.

С абсолютностью Материи мы в общих чертах разобрались, продолжаем!

В отличие от двух других сущностей - Пространства и Времени, Материя обладает свойством вещественности. То есть, все её проявления имеют физическое воплощение в виде реально существующих материальных объектов, физических явлений, таких как свет, тепло или холод, либо в качестве динамических процессов - движения, сопротивления, деления, слияния и многих других. То есть, Материю мы всегда можем опознать через два её главных свойства - обладание массой либо энергией. Их мы обсудим подробно, но несколько позже.

Пространство бесконечно и Материя заполняет его целиком. То есть, в нём нет ни одного закоулка, куда бы Материя не смогла проникнуть. Иначе говоря, в нашем мире нигде нет Пустоты, которую наука именует Вакуумом. Отсюда следует вывод о том, что Материя так же бесконечна, как и Пространство. Материя существует столько же, сколько и само Время, то есть - она тоже вечна. Согласитесь, приятно себя ощущать частью чего-то вечного и бесконечного...

К огромному сожалению, для академической науки последний тезис не является бесспорным. На данный момент господствующей считается теория о том, что в какой-то момент времени наша Вселенная, и Материя в том числе, возникли из "Великого Ничто" в результате "Большого Взрыва". Построение сугубо математическое, а значит - вряд ли имеет хоть какое-то отношение к реальности, ведь тогда указанная теория вступает в серьёзное противоречие с законом сохранения Массы/Энергии и постулатом Аристотеля об их эквивалентности. Другими словами, для возникновения любого взрыва, даже небольшого, требуется наличие некоторого количества взрывчатого вещества, обладающего необходимым запасом энергии. А для такого, из которого может возникнуть целая Вселенная, Энергии должно быть бесконечно много. То есть, примерно столько, сколько её имеется в нашей Вселенной прямо сейчас. Отсюда следует вывод о том, что "Большой Взрыв", если он действительно когда-либо произошёл, ни при каких обстоятельствах не мог стать причиной рождения Вселенной, а был лишь отдельным ярким эпизодом в её бесконечном существовании. Просто потому, что согласно принципу непрерывности, любому взрыву должен предшествовать длительный процесс накопления достаточного количества энергии для его осуществления, либо эквивалентной массы, способной выступить в качестве топлива. Даже ребёнок знает, что Ничто взорваться не может. Взрослые почему-то так не считают. Наверное, потому, что они хорошо учились в школе, и умеют правильно делить на ноль. Примерно таким образом и возникают великие открытия...

Ту же ситуацию можно рассмотреть и с другой точки зрения:

Забудем о "Великом Взрыве" и о том, откуда возникают Вселенные, слетающие с острия карандаша на лист бумаги, лежащий на краешке письменного стола. Предположим, что Пространство и Время каким-то удивительным образом существовали без Материи. Но в этом случае они не смогли бы реализовать своих основных качеств - протяжённости для пространства и продолжительности для времени. Всё дело в том, что только Материя способна проявить существование Пространства посредством заполнения его материальными объектами, а Времени черед подвижность этих же объектов, ведь начало и конец конкретных физических процессов мы как раз и считаем временными промежутками, которым даём конкретные названия - секунда, минута, час, год. Очевидно, что Движение и Время - смысловые синонимы, поскольку только динамический процесс позволяет измерять Время путём присвоения определённым временным периодам каких-то конкретных значений. Если любое движение во всей Вселенной вдруг прекратится, то мы не сможем отличить начало процесса от его конца - Время остановится, а значит, и вовсе перестанет существовать. Не будет ни прошлого, ни будущего - лишь настоящее, которое не меняется. Вспомним "безумное чаепитие" от Льюиса Кэрролла: "Время на меня обиделось. У нас теперь всегда пять часов". Увы, в этом случае остановятся не только стрелки часов, но и сердца всех млекопитающих... Собственно, в этом и состоит главный смысл "Постулата Аристотеля о вечном движении", который современная академическая наука давно списала в архивы истории. И напрасно, ведь без термина Движение попросту невозможно описать ни один физический процесс.

Говоря иначе - только наличие Материи подтверждает и проявляет существование Пространства и Времени через свойства вещественности и подвижности тех или иных предметов, планет, звёзд, газов, молекул и атомов. Именно поэтому Пространство, Время и Материя именуются Великой Триадой, ведь друг без друга они попросту не могут существовать. Пространство обеспечивает для Материи доступное место, обладающее безграничным объёмом, а Время позволяет проявиться причинно-следственной зависимости через движение на бесконечном периоде продолжительности. Существование Пространства и Времени без Материи бессмысленно со всех точек зрения - теоретических и практических. Впору вспомнить шутливое изречение:

Природа не совершает глупостей, для этого она создала людей.

Ранее было отмечено, что Материя заполняет Пространство целиком.

Можно ли это как-то представить?

Наиболее близкой аналогией будет модель, которую назовём: "Змея, кусающая себя за хвост". В мифологии такая змея (обычно в мужском роде - Змей) называется Уроборос.

Итак:

Представим, что где-то в Пространстве и Времени обитает очень длинная змея. Она одна, и ничего кроме неё нет, так как Пространство она занимает всё без остатка. Насколько змея велика или мала, нам неизвестно, так как сравнивать её не с чем - она единственная в своём роде и неповторимая. К тому же - она неразделима, что для живого существа более чем оправдано.

Змея находится в постоянном движении, независимо от того - спит она или бодрствует. В любой момент Времени она перемещается относительно своего же тела. Какие её части соприкасаются в данный момент времени, и какое расположение они имеют относительно головы и хвоста - определить невозможно, так как неизвестно расстояние от того и другого, ведь по условию - наша змея имеет неопределённую длину.

А сейчас добавим в модель такое понятие как - Непрерывность, чтобы помочь нашей змее существовать не только в Пространстве, но и во Времени.

Как любое живое существо в Природе, наша гипотетическая рептилия должна чем-то питаться, чтобы двигаться как можно дольше и не умереть от голода. Мы условились, что кроме этой змеи в Пространстве нет ничего другого. Значит, кушать ей придётся себя. В нашей модели змея настолько длинна, что без особого ущерба для собственной жизни она заглатывает свой же хвост, который медленно переваривается где-то в недрах своего безразмерного существа. Так как пасть змеи уже занята, перекусить себя в каком-либо другом месте, и умереть от потери крови, она не может. Соответственно, разделиться на несколько частей ей не под силу.

Вот, собственно, и всё, что мы можем сказать об этом удивительном животном...

Конечно змея, питающаяся сама собой - явление для природы противоестественное, но нам требовалась лишь наглядная модель для вольного теоретического построения, в результате которого ни одно реальное животное не пострадало.

Эта модель также подтверждает Закон сохранения Материи, ведь и так понятно, что занимая Пространство целиком, Материи просто некуда деваться, и ей придётся вечно находиться в нашей Вселенной в неизменном количестве.

И если Масса Материи - величина неизменная, то её размер, плотность, форма, структура и подвижность везде различна. Именно поэтому Материя столь разнообразна в своих проявлениях. Одни материальные объекты в результате различных взаимодействий преобразуются в другие - большие рассыпаются на множество малых и сверхмалых, а те в свою очередь собираются вместе и могут образовать нечто гигантское. И всё благодаря главному закону существования Материи - Движению, так как это - обязательное условие её существования.

Как было сказано ранее, связь между Материей и Временем существует до тех пор, пока Материя находится в движении. Как только это условие будет нарушено, распадётся Великая Триада, а значит, и наша Вселенная тоже прекратит своё существование, ведь она - совокупность трёх Абсолютов - Пространства, Времени и Материи.

То же самое, но чуть другими словами учебник физики именует - Законом сохранения Энергии. Некоторое количество энергии от одного тела может перейти к другому, но только в результате взаимодействия между ними. Количество энергии всей системы остаётся неизменным, она лишь перераспределяется иначе между её участниками - покоящееся тело начинает двигаться, а подвижное потеряет такую возможность, целиком или частично. Так в наиболее кратком изложении будет выглядеть Закон сохранения Энергии.

Более подробно об Энергии и Массе мы поговорим в следующей части размышления.

Теперь, когда основные моменты определены, пора дать Материи строгую формулировку. Она будет такая:

Материя - абсолютная сущность Вселенной - неделимая, самоподобная, вещественная. Имеет свойство многообразия форм, проявлений и состояний. Материя заполняет Пространство по всей его протяжённости в действующем периоде Времени. Любое из проявлений Материи может быть изучено при наличии инструментального или иного метода исследования, но в качестве самостоятельной сущности рассматриваться не может.

Вселенная

Несколько увлёкшись тремя сущностями Мироздания, мы совершенно забыли о главном. Пора определиться с тем, что мы понимаем под Вселенной.

Достаточно подробно рассмотрев участников Великой Триады, можно представить такую формулировку:

Вселенная - неразрывная совокупность трёх абсолютных сущностей - Пространства, Времени и Материи.

Природа, Мироздание, Космос, Всё Сущее, окружающий Мир - это лишь другие имена Вселенной. Главное, что основа всех этих понятий - Триединство трёх Абсолютов, а как это называть, не особенно и важно.

Может возникнуть такой вопрос:

Абсолютна ли Вселенная?

Ответить на него достаточно просто. Если её самоподобие можно считать доказанным, так как, о существовании другой Вселенной нам ничего неизвестно, то признак неделимости однозначно не соблюдается, ведь будучи совокупностью трёх абсолютных сущностей, Вселенную условно можно разделить сразу на три части. Отсюда делаем вывод, что Вселенная не абсолютна.

На очереди следующее важное понятие.

Иерархия

Когда мы рассуждаем о бескрайних просторах Вселенной, сознание всегда сопротивляется, ведь в привычной жизни мы наблюдаем полную противоположность безграничности - Ограниченность. Легко представить комнату с четырьмя стенами, дом, в котором она находится, улицу, город и даже планету Земля. Всё в нашей жизни имеет размер и границы. Продолжая эту аналогию, воображение нам дорисует Солнечную систему, вращающуюся вокруг центра галактики Млечный Путь, а та в свою очередь летит во Вселенной непонятно куда, так же как и другие галактики, большие и маленькие. Астрономы утверждают, что этот Уровень далеко не последний, и все галактики, которые удалось увидеть в мощные телескопы, составляют структуру "старшего порядка" - Метагалактику.

Метагалактик так же много, как песчинок на берегу океана?

Без сомнения! Вселенная безгранична, и всем объектам, большим и маленьким в ней всегда найдётся место.

Если мы обратим взор в противоположном направлении, не в космос с планетами и звёздами, а в Микромир, заглянув в микроскоп, то увидим не менее удивительную картину - целый Мир, ничуть не менее разнообразный и вычурный, нежели у нас над головой.

Вот и получается, что жители планеты Земля с их огромными технологическими возможностями пока ещё не доросли до путешествия к звёздам, но в то же время, человек слишком велик, чтобы проникнуть в микромир с бесчисленным количеством материальных объектов и микроорганизмов, многие миллиарды которых легко уместятся на кончике швейной иглы. На бесконечной "иерархической лестнице" человек занимает лишь узенькую ступеньку, ниже и выше которой располагаются другие миры. И это никакие не параллельные реальности, о которых нам рассказывают писатели-фантасты, а маленькие и большие частички грандиозного конструктора, название которому - Вселенная.

Важно знать, что на "других иерархических ступеньках" действуют те же законы природы, и физические процессы идут по тем же сценариям, которые мы наблюдаем в повседневной жизни. Всё как у нас, только масштаб другой.

Вселенную также можно сравнить и с матрёшкой. Внутри большой находится маленькая, а в той - ещё меньше. И так далее. Но даже в очень большой матрёшке много маленьких не поместится: пять, десять, двадцать, не более, в то время как в настоящей Вселенной этих уровней бесчисленное множество.

Для более наглядной иллюстрации совместного существования больших и меленьких материальных объектов во Вселенной будет уместна такая студенческая притча:

В аудиторию входит преподаватель физики, достаёт пустую трёхлитровую банку из увесистого портфеля и спрашивает студентов:

- Банка пустая?

Удивление студентов сменяется заинтересованностью и вскоре следует ответ:

- Да.

Профессор достаёт из портфеля целлофановый пакет, и видно, что там лежат крупные камни. Затем он неторопливо укладывает их в банку. Когда последний камень оказывается внутри, он спрашивает:

- Теперь банка полная?

- Конечно, - отвечают студенты, с интересом следя за действиями преподавателя.

Профессор достаёт из портфеля второй пакет, в котором тоже лежат камни, но значительно меньшего размера. Их он высыпает в банку, которую периодически встряхивает. Проходит какое-то время, и весь пакет оказывается внутри стеклянной ёмкости. Затем следует вопрос к аудитории:

- Теперь банка полная?

После небольшого раздумья, студенты всё же отвечают:

- Да, - но в их голосе слышится некоторая неуверенность.

Услышав положительный ответ, профессор снова тянется к портфелю, и на этот раз достаёт целлофановый пакет с речным песком. Высыпает его из пакета в банку, периодически встряхивая, пока всё содержимое не оказывается внутри.

- Теперь она полная? - спрашивает профессор притихшую аудиторию.

Пауза длится дольше обычного, но в какой-то момент с заднего ряда произносят вполне уверенно:

- Без сомнений!

Профессор пытается разглядеть говорящего, и переспрашивает:

- Вы уверены?

На что получает бодрый ответ:

- Конечно!

Тогда он достаёт из портфеля бутылку пива, и выливает её содержимое в банку, заполненную камнями с песком. Конечно же, ни единой капли не пролилось мимо, а бутылка в руках преподавателя стала пустой. Торжествующе окидывая взглядом притихших студентов, профессор поднимает руку, указательный палец которой указывает вверх:

- Какой мы можем сделать вывод? - в аудитории тишина. Недолгая пауза, затем он продолжает. - А вывод такой! Если вам кажется, что некая ёмкость заполнена до предела, и в неё уже ничто вместиться не может, Знайте! Для пива в ней место всегда найдётся!

Триумф преподавателя на фоне восхищённых взглядов студентов.

Занавес...

Прежде чем перейти к следующему этапу повествования, следует представить новый термин, который может оказаться полезным для последующих построений:

Иерархический уровень - условная среда, в которой рассматриваются объекты с близкими физическими параметрами, способные к взаимодействию.

Никаких особых комментариев здесь не требуется, разве что следует акцентировать внимание на словосочетании "условная среда". То есть, принадлежность того или иного объекта к определённому иерархическому уровню мы определяем самостоятельно, руководствуясь логикой и множеством субъективных факторов. Полными физическими синонимами для него будут - уровень масштабности и ступень размерности. То есть, в физическом мире иерархия не говорит о подчинении одного другому, а лишь указывает на степень отличия размеров сравниваемых объектов. Тот, что крупнее, больше, массивнее - именуется "старшим" в иерархии, меньший будет "младшим".

Строение Вселенной

Любой, кто внимательно относится к окружающей природе, наблюдает за её процессами и пытается вывести общие для всех процессов закономерности, постоянно замечает удивительную схожесть строения различных материальных объектов, сильно отличающихся друг от друга по масштабам. Разглядывая песчинку под микроскопом, мы видим обычный булыжник, за который могли бы запнуться, прогуливаясь где-нибудь в лесу или по берегу реки. Наблюдая ночное небо в мощный телескоп, при определённой удачливости можно увидеть пролетающий мимо Земли метеор или комету, которые кроме размеров ничем не будут отличаться от камня на дороге или песчинки под микроскопом.

Но это только то, что человеческое зрение способно увидеть. Существует масса природных сценариев, которые происходят вне поля нашего зрения, многие из которых мы хорошо представляем, опираясь на собственные ощущения либо на показания приборов, регистрирующих тот или иной естественный процесс. Течение реки, дуновение ветра, солнечный свет и тепловое излучение - все эти процессы отражают общие природные закономерности, наблюдаемые в окружающем Мире. Отличия лишь в размере частиц, которые их порождают, и как следствие - возможности наших органов чувств к их регистрации.

Отсюда важный вывод:

Все природные процессы в микро- и макромире происходят по общим сценариям, отличие лишь в размерах объектов, в них участвующих.

Долгое время в научном мире господствовал Атомизм - философская доктрина, согласно которой "первичным элементом" во Вселенной является - Атом. Многие положения этого учения до сих пор считаются фундаментальными для науки, правда, теперь с множеством уточняющих оговорок. Если физика своё понимание "ассортимента" элементарных частиц значительно расширила за счёт таких как - лептоны, кварки и калибровочные бозоны, то современная химия до сих пор руководствуется пониманием "неделимости атома" в качестве рабочей модели. Ничего удивительного здесь нет, ведь химия - наука сугубо прикладная, поэтому она работает только с тем, что реально существует.

В задачи данного исследования не входит перечисление всех существующих и вымышленных элементарных частиц с их удивительными свойствами. Поэтому здесь будет обозначен лишь простой для понимания "общий каркас" строения вещества во Вселенной без каких-либо конкретных названий, главный критерий которого - масштабирование при переходе на следующую "иерархическую ступеньку Мироздания". Независимо от того, какой следующий масштаб мы выберем - "младший" в микромир или "старший" в макромир, функциональность элементов и их "ранг" в общей для всех "системе координат" останутся прежними.

Схема такова:

"Младший" иерахический уровень

Система (либо Заряд "старшего" иерахического уровня)

Условный суб-уровень

Заряд (либо Система "младшего" иерахического уровня)

Атом

Молекула

Кластер

Система (либо Заряд "старшего" иерахического уровня)

Условный суб-уровень

Заряд (либо Система "младшего" иерархического уровня)

"Старший" иерахический уровень

Формулировки такие:

Заряд - материальный объект, представляющий собой единую систему, состоящую из элементов, солидарно движущихся по некоторой замкнутой траектории.

Атом - материальный объект, состоящий из ядра и оболочки.

Молекула - физический объект, состоящий из атомов, соединённых оболочками.

Кластер - сообщество атомов и/или молекул в составе единого объекта.

Система - физический объект, представляющий собой сообщество различных элементов.

Подробнее каждый элемент из этого списка обсудим в части, посвящённой строению вещества.

Часть 2. Материя = Масса + Энергия

Несмотря на огромное разнообразие её форм и проявлений, свойств у Материи не слишком много, а если быть точнее - всего два.

Первое свойство Материи - вещественность, которую в физике принято выражать через Массу.

Итак:

Масса

Перейдём сразу к формулировке, поскольку в академической среде по поводу этого термина особых разногласий нет. В наиболее кратком варианте мы увидим следующее:

Масса - количество вещества, мера его вещественности.

Или чуть иначе:

Масса - мера инертности материального тела.

Собственно, на этом можно было бы закончить обсуждение данного термина, если бы не странная ситуация, возникшая в начале 20-го века стараниям математиков, которые понятие, практически неизменное со времён Аристотеля, умудрились запутать до невозможности. Суть проблемы выглядит следующим образом:

Масса - типичная пространственная характеристика. Независимо от размера и формы, любой материальный объект имеет определённый объём и плотность, а значит, занимает некоторую позицию в Пространстве по отношению к другим объектам. В то же время, Масса проявляет себя в момент взаимодействия с другими телами посредством сопротивления внешнему воздействию. Называется такое поведение инертностью. То есть, инерция - энергетическая характеристика материального тела. И всё бы хорошо, но оказалось, что масса покоя - выраженная количеством вещества, и инертная масса - сопротивление внешнему воздействию - не всегда равны друг другу, что выглядит несколько странно.

Дело в том, что согласно принципу относительности масса покоя никак не зависит от скорости движения, в то время как инертная масса с ростом скорости увеличивается до бесконечности, а ускорение, наоборот, стремится к нулю, независимо от силы воздействия. В результате возник математически рассчитанный предел - Скорость света, быстрее которой ни одно тело двигаться не может, поскольку масса его бесконечно велика, а ускорение равно нулю. Просто потому, что так работает формула F=ma. Тут бы физикам возмутиться и сказать, что в действительности такого случиться не может, а значит, произошла какая-то ошибка в вычислениях, но вместо этого они, понурив головы, согласились с математиками. С тех пор существует две ипостаси Массы - масса покоя и инертная масса, вследствие чего в физике возникло сразу несколько удивительных парадоксов. Один из них - фотон и нейтрино, у которых инертная масса есть, а массы покоя нет. То есть, в момент, когда они останавливаются, то бесследно исчезают, нарушая сразу два закона природы одновременно - Закон сохранения массы и Закон сохранения энергии. Физики опять скромно стоят в стороне, пожимая плечами, дескать, математикам виднее.

Далее максимально кратко о массе с позиций классической физики со времён Аристотеля до первой половины 20-го века:

В повседневной жизни под массой мы обычно понимаем Вес предмета, но понятия эти, хотя и родственны, но не тождественны. Зависимость Веса от массы самая прямая, но Вес у предметов существует только в условиях планетарной гравитации. Это значит, что два объекта при одной и той же массе, но находящиеся на Луне и на Земле, при измерении покажут разный вес. А если нам потребуется узнать массу предмета в космическом пространстве, то взвесить его вообще никак не получится.

Каким образом узнать массу тела в условиях невесомости?

Существует два способа.

Первый позволяет рассчитать количественную составляющую массы. Для этого используется формула:

M=pv, где p - плотность, v - объём.

На словах формула звучит так:

Масса - это произведение плотности вещества на объём им занимаемый.

Первый способ удобен для использования в том случае, когда мы имеем некоторое количество однородного вещества, его плотность легко измерить, а занимаемый объём описывается какой-нибудь несложной геометрической фигурой. Довольно простая процедура, не так ли?

В случае если химических характеристик вещества мы не знаем наверняка, а форма предмета далека от идеальной, можно применить другой способ определения массы. Его мы условно назовём сравнительным, используя свойство, присущее всем материальным объектам - инертность. Взаимодействие двух тел, когда масса одного из них нам известна, позволит оценить массовые характеристики другого, к примеру, посредством ударного взаимодействия. Нечто подобное происходит с тяжёлыми костяными шарами при игре в бильярд. Конечно, такой способ измерения вряд ли можно назвать безукоризненным, поскольку одному из тел придётся сообщить некоторую дополнительную энергию для начала движения, но даже в этом случае погрешность не слишком исказит конечный результат. Несмотря на некоторые трудности в получении удобных значений в килограммах или других мерах веса, этот метод вполне согласуется с "природной арифметикой", которая в подавляющем большинстве случаев довольствуется такими понятиями как больше-меньше, выше-ниже, сильнее-слабее. Вспомним шутливую поговорку:

В природе нет цифр, их придумали люди, чтобы считать деньги.

Естественно, никакого увеличения массы при разгоне до околосветовых скоростей не произойдёт, тем более что Скорость света и Масса тела никак друг с другом не связаны. По крайней мере, с точки зрения классической физики. А значит, нет никакого предела скорости для массы. Все эти странности возникают лишь на бумаге и в головах математиков, когда они возводят в квадрат скорость, в результате чего получается "квадратная секунда" - действительно страшная тварь - непонятная и пугающая, особенно для физиков.

Прежде чем закончить с Массой, следует сделать полезное уточнение:

В современной науке существует некоторая терминологическая путаница по поводу понятий "абсолютное значение" и "сравнительное значение". Почему-то считается, что числовой параметр, измеряемый в конкретных физических величинах, таких как килограмм, ампер или люмен - это максимально точное, а значит, абсолютное значение. Соответственно, выраженный в "разах" или процентах параметр традиционно называется относительным, то есть, уже по определению он менее точен. Но, не стоит забывать, что килограмм - это результат сравнения с эталоном, хранящимся в Палате Мер и Весов, числовое значение которому присвоено произвольным образом вообще без каких-либо согласования с Природой. Также следует напомнить, что масса предмета на Луне и на Земле в килограммах будет разной, а значит, "абсолютность" такого подхода уже сама по себе сомнительна.

В то же самое время сравнение массы двух предметов через "разы", "доли", "части" или проценты будет одинаково верным на Земле, Луне и в космическом пространстве, поскольку опирается на пропорцию, которая в любой точке Вселенной покажет один и тот же результат. Тот же довод справедлив в отношении всех других физических величин, эталоны которых когда-то были созданы волевым решением конкретных людей, ныне покойных.

Именно поэтому в повседневной жизни мы чаще используем меру, которую называем "на вес", выбирая булыжник нужной массы, чтобы заквасить капусту в бочке. Когда требуется подпереть забор, то палку мы выбираем, опираясь на такие меры длины как: "коротковато", "длинновато" и "в самый раз". В этом случае булыжник или палка, удовлетворяющие значению: "Годится!", как раз и будут тем самым "абсолютным значением" длинны или веса, вполне согласующимся с "природной арифметикой".

Несмотря на то, что современные методы измерений позволяют вычислять массу тел с высокой степенью точности, в практической жизни мы используем лишь Вес предметов. Именно по этой причине в классической физике не существует самостоятельной меры для Массы, которая бы хранилась в Палате Мер и Весов в качестве эталона.

Наука столь же несправедливо поступила и с энергией, которая является вторым фундаментальным свойством Материи.

Энергия

Если с понятием массы академическое сообщество в общих чертах определилось, то в отношении Энергии должного единодушия до сих пор не существует. Формулировки из учебника по поводу энергии больше напоминают общение юноши с девушкой, который не очень в себе уверен и поэтому не может прямо сказать, чего он хочет от неё на самом деле. Несмотря на отсутствие чёткого понимания, что такое энергия, наука очень любит это понятие и старается его использовать везде, по делу и без оного. К тому же, существуют смежные понятия, такие как - Сила, Работа и Мощность, которые довольно часто используют в качестве синонимов для термина Энергия. В результате возникает путаница, которая в науке вряд ли уместна.

Дабы упростить задачу и внести ясность, предлагается следующее определение:

Энергия - мера подвижности материального объекта.

Для полноты картины следует напомнить о главном постулате, ранее уже упоминавшемся:

Движение - способ существования Материи.

Это всё тот же Постулат Аристотеля "О вечном и беспрерывном движении Материи", разве что сформулированный чуть короче. Из него следует, что любое материальное тело, независимо от своих размеров, формы и позиции в Пространстве, обязательно обладает энергией, которая в самом общем виде представляет подвижность его самого, либо элементов, из которых он состоит. Также следует отметить совершенно уникальное свойство энергии, а именно - её независимость от Времени и Пространства, что постулируется Законом сохранения Энергии/Массы. Его частным случаем можно считать Первый закон Ньютона.

Заметим, что Ньютон лишь пересказал формулировку Аристотеля чуть более современным языком, при этом её первоначальный смысл не изменился. По крайней мере, так утверждают историки.

Первый закон Ньютона в наиболее краткой форме выглядит так:

Любое материальное тело при отсутствии внешнего воздействия может неограниченное время перемещаться в Пространстве, либо покоиться.

Здесь необходимо уточнить довольно важный момент:

Под состоянием Покоя понимается лишь неизменность позиции тела в Пространстве, при этом его подвижность под сомнение не ставится, так как выше по тексту Постулат Аристотеля о вечном и беспрерывном движении Материи мы обозначили вторым по важности Законом Природы наряду с Законом сохранения Энергии/Массы.

В таком случае, следующий вопрос более чем закономерен:

Каким образом покоящееся тело может двигаться?

Конечно, речь идёт вовсе не о перемещении тела в Пространстве, а лишь о его Подвижности, либо подвижности элементов, из которых оно состоит. Если тело совершает колебательные движения, движется по какой-то замкнутой орбите либо просто вращается, но при этом не изменяет свою позицию в Пространстве, то его можно считать покоящимся. То есть, независимо от способа подвижности, покоящимся считается тело, занимающее некоторый объём, пространственные координаты которого неизменны на протяжении длительного периода времени.

И всё же, как быть с камнем, который никуда не движется, не вращается и даже не колеблется, а просто лежит на земле?

Это как раз тот случай, когда тело вообще не подаёт никаких признаков жизни, но элементы, из которых оно состоит, всё равно подвижны. Атомы, составляющие внутреннюю структуру камня, действительно прочно закреплены в его кристаллической решётке, но элементы, из которых состоят ядра атомов, пребывают в вечном движении по сложным замкнутым траекториям, а значит, Постулат Аристотеля даже в этом случае не нарушен. Строение атома мы подробно рассмотрим в третьей части размышления, а сейчас продолжим обсуждение Энергии.

Потенциальная или кинетическая?

Несмотря на то, что с самим понятием Энергия в современной науке далеко не всё гладко, понятия - Кинетическая Энергия и Потенциальная - занимают в школьном курсе физики почётное место. То есть, рассматриваются достаточно пристально. Присмотримся к ним внимательнее, после чего сделаем определённые выводы.

Учебник нам сообщает, что:

Кинетическая энергия - мера движения материального тела, равная половине произведения квадрата скорости на его массу.

Строчная запись формулы выглядит следующим образом:

Ek=V^2m/2

А теперь попытаемся обнаружить здесь какой-нибудь физический смысл.

К массе m претензий никаких, эта величина здесь вполне уместна, так как связь её с энергией не требует доказательств. Следующий вопрос:

Что собой представляет квадрат скорости V^2 с позиций классической физики?

Простое умножение массы m на скорость V по какой-то причине не устроило экспериментаторов. Вероятно потому, что неизменная скорость движения тела с позиций классической физики ничем не отличается от состояния покоя. Но это вовсе не означает отсутствия у тела Кинетической Энергии, просто мы не можем её измерить, пока не совершим над телом какого-либо насилия, к примеру, ударив по нему, подтолкнув или затормозив его движение. Именно так поступают дети - вместо того чтобы внимательно рассмотреть предмет со всех сторон или спросить у взрослых, что находится внутри, они обычно берут в руки молоток. Естественно, вещь бесповоротно утрачивает свою функциональность, зато теперь мы знаем, что находится у неё внутри.

По всей видимости, той же логикой руководствовались и создатели данной формулы - если мы не можем определить на расстоянии, какова энергия движущегося тела, то его можно немного подтолкнуть и по реакции на внешнее воздействие судить о наличии или отсутствию у тела какой-нибудь энергии. В роли "молотка" использовали Ускорение V^2 (скорость в квадрате), так как само по себе тело ни разгонится ни замедлится согласно уже известному нам Первому закону Ньютона. А для того чтобы получившийся результат измерений "очистить от внешнего воздействия", его поделили пополам, используя Третий закон Ньютона, который утверждает, что сила действия равна силе противодействия.

С точки зрения математики вроде бы всё верно - насилие совершено, но конфликтующие стороны достигли внесудебного разрешения конфликта.

Правда, осталась одна неловкость - квадрат скорости V^2 - величина сугубо математическая, и к физике вряд ли имеющая какое-то отношение. Будем разбираться с этим зверем, пока не поймём, что это такое?

Обычно использование скорости V=S/t в различных физических формулах не сулит никаких сюрпризов, но возведение её в квадрат может доставить некоторые хлопоты, ведь время t считается в шестидесятеричной системе (1 минута равна 60 секундам, 1 час - 60 минут), а путь S уже в десятичной (1 метр равен 10 дм или 100 см). Если квадрат расстояния с позиций геометрии - площадь фигуры, то вряд ли кто-то сможет представить "квадратную секунду" и физическое явление, которое она иллюстрирует. Соответственно, возведение в квадрат такой "разновеликой" дроби не только лишено физического смысла, но и результат её не слишком прогнозируем. Вероятно, именно по этой причине формулу Кинетической Энергии в виде Ek=V^2m/2 оставили в школьном учебнике физики, но реальные процессы по ней не считают, так как на больших скоростях она довольно сильно подвирает.

Учебники для вузов формализуют Кинетическую Энергию более сложным образом, по всей видимости, каким-то образом исправляя недостатки "квадратной скорости" и явного "внешнего насилия" над телом, но всё равно нет полной уверенности, что результат получается безупречным. Просто потому, что математика обладает неограниченным арсеналом расчётных инструментов, но не сильно интересуется "физической стороной дела", поэтому "квадратная секунда" или даже кубическая - для неё привычная вещь. Благо, физики с таким состоянием дел давно смирились, и поэтому даже не пытаются представить, как такое может выглядеть в реальности, целиком полагаясь на безошибочность математических расчётов.

Таким нехитрым образом выяснилось, что "квадратная скорость" - зверь весьма необычный и вероятнее всего мифический, существующий лишь в головах математиков. Соответственно, и вся формула кинетической энергии рассчитывает некоторое числовое значение, которое с опытными данными даст некоторое расхождение. Благо, в реальных расчётах эта формула не используется, а потому вреда никому не принесёт.

Ранее в тексте было предложено простое решение для формализации Кинетической Энергии через перемножение массы m на скорость V, которое вполне адекватно отражало бы количество энергии движущегося тела. Единственная неприятность - в физике уже существует формула Импульса, которая выглядит как p=mV. О том, что собой представляет Импульс в физике мы ещё вернёмся, но чуть позже...

Теперь поговорим о Потенциальной Энергии, вопросов к которой ничуть не меньше. Для начала заглянем в учебник, и узнаем, каково его мнение об интересующем нас предмете.

В одном источнике читаем следующее:

Потенциальная энергия - энергия взаимодействия тел. Потенциальной энергией тело само по себе не может обладать. Потенциальная энергия определяется силой, действующей на тело со стороны другого тела.

Теперь дополнение из другого источника:

Потенциальная энергия для некоторой конфигурации тел в пространстве принимается равной нулю.

Итак, что мы имеем:

Согласно представленным выше формулировкам, изначально Потенциальной Энергии у тела нет, но она удивительным образом возникает в тот момент, когда два тела начинают взаимодействовать. Довольно странное заявление, ведь в том же учебнике имеется формулировка Закона сохранения Энергии:

Энергия тела никогда не исчезает и не появляется вновь, она может лишь превращаться из одного вида в другой.

Возникает странное ощущение, что автор, писавший этот учебник, от нас что-то скрывает, либо сам не видит противоречий в том, что вкладывает в головы школьников.

Но, не будем обсуждать мотивы и помыслы людей, а целиком сосредоточимся на физике. Попробуем зайти с другой стороны, благо в учебнике приводится формула для Потенциальной Энергии, которая выглядит следующим образом:

Ep=mgh

Как ни странно, но при ближайшем рассмотрении мы видим практически ту же классическую формулу Кинетической Энергии Ek=V^2m/2, но с другими "подгоночными коэффициентами". Масса находится на положенном ей месте и даже имеется ускорение (свободного падения), обозначенное литерой g , что однозначно указывает на их сходство.

О том, чем в действительности является Ускорение свободного падения, мы поговорим отдельно в главе, посвящённой Гравитации, а сейчас будем считать, что это такое же ускорение, как разгон или торможение. Делить пополам результат не нужно, поскольку сила тяжести действительно давит на все тела без исключения, а значит внешнее воздействие "имитировать" не требуется. Осталось лишь разобраться, для каких целей в формуле присутствует высота h.

Очевидно, что любое значение этого параметра, отличное от единицы, даёт прибавку в количестве энергии у тела. Что собой представляет такая энергия, нас пока не интересует. По мнению авторов школьного учебника, любое тело, поднятое над поверхностью, сразу же становится более энергетически оснащённым, нежели то, что лежит на земле. Житейская логика подсказывает, что в этом утверждении рациональное зерно действительно присутствует, ведь тело может упасть и оставить в месте удара вмятину, тем самым подтвердив, что его энергетические параметры выше, чем у тела той же массы, спокойно лежащего рядом. Вопрос лишь в том - упадёт ли поднятое на высоту тело?

Заметим также, что в этой формуле мы не можем высоте h присвоить нулевое значение, так как оно обнулит не только энергию, но и массу, что в реальности вряд ли возможно. То есть, в очередной раз подтверждается тезис о том, что в физике "ноль" используется лишь в качестве знака, переводящего значения выше или ниже на другую ступень размерности, но числом ни в коем случае не является, так как уничтожает всё, к чему прикасается. Такое вот странное свойство у "ноля" в математике... Но всё же, не очень понятно, как обеспечить "ненулевую высоту" телу, которое лежит непосредственно на земле. Вдруг и его Потенциальную Энергию нам тоже захочется узнать? На всякий случай под это тело подложим тонкий лист бумаги, чтобы формула случайно не "обнулилась". Будем считать, что на этот раз выкрутились!

Продолжаем.

Теперь вспомним о том, что Ускорение свободного падения - это сила, давящая в направлении центра Земли на все тела без исключения. Нетрудно догадаться, что для тел с равной массой она будет одинаковой, независимо от того, на какой высоте эти тела находятся. Конечно, если дистанция от поверхности земли составляет метры, а не сотни километров, где гравитация уже не столь сильна.

Получается, что тело, прочно лежащее на опоре в десятке метров от поверхности Земли и то, что покоится прямо под ним, будут взаимодействовать с планетарной гравитацией в точности одинаково до тех пор, пока одно из тел не упадёт, образовав вмятину в месте своего падения. Видимо, это и имелось в виду, когда говорилось о том, что Потенциальная Энергия возникает лишь в момент взаимодействия, а в остальное время она равна нулю.

Таким нехитрым образом мы только что выяснили, что наличие у тела Потенциальной Энергии целиком зависит от гипотетической возможности его падения с некоторой высоты, и больше ни от чего. В таком случае, у находящегося в невесомости тела Потенциальной Энергии не может быть вообще, ведь там нет Ускорения свободного падения и высоты. Это значит, что совершенно без ущерба для здравого смысла можно сократить избыточные элементы в формуле и мы получим уже знакомое тождество Е=М.

Что называется - делаем выводы! А они не слишком радужные:

Формулы Кинетической и Потенциальной энергий в том виде, что даёт учебник физики, существуют лишь для заполнения пустого пространства в головах школьников, но физического смысла в них не так чтобы сильно много.

И всё же, остался открытым вопрос:

Нужны ли физике такие понятия как Кинетическая Энергия и Потенциальная?

Действительно, не на пустом же месте они возникли. Наверняка какой-то резон в их использовании имеется, и сейчас мы попытаемся его обнаружить.

Существование Кинетической Энергии доказывает и иллюстрирует простой эксперимент по разбиванию яиц, сваренных вкрутую. Если взять два яйца схожих по весу и размеру, а затем ударить один о другой, то в большинстве случаев скорлупа разбивается у того, которое в момент удара было неподвижным. Это значит, что у движущегося тела энергия всегда выше в сравнении с покоящимся при условии равенства их масс. Причём, нет никакой разницы, каков характер движения - поступательное перемещение в Пространстве, вращение или колебание.

Откуда возникает Кинетическая Энергия?

Очевидно, что этот тип энергии тело может получить только извне, то есть, в результате предыдущего взаимодействия либо их множества на всём периоде существования в качестве самостоятельного объекта. Соответственно, израсходовать эту энергию тело может лишь в процессе взаимодействия с другими телами. Иначе говоря, Кинетическая Энергия легко присоединяется к телу и так же легко его покидает, не причиняя ему никакого ущерба. Мы выстрелили из пушки, тем самым присоединив снаряду энергию движения. Как только он её израсходовал - шлёпнулся на землю, и теперь у снаряда Кинетической Энергии ровно столько, сколько было до выстрела. Не хочется использовать "нуль" как число, поэтому просто скажем - эта энергия израсходовалась целиком. Если очень хочется, можно её значение умножить на единицу. Во всяком случае, результат от этого сильно не изменится. Вроде бы, глупость, но безвредная с позиций физики.

Пришло время означить формулировку:

Кинетическая энергия - это мера движения, сообщённая телу в результате взаимодействия с другими телами.

То есть, нет никакой разницы, движется тело, колеблется или вращается. Любой характер подвижности, который сообщён телу извне, будет свидетельствовать о существовании у него некоторой Кинетической Энергии.

Тут следует задать ещё один вопрос:

Может ли покоящееся тело обладать Кинетической Энергией?

Ответ на него уже не выглядит столь однозначным. Всё будет зависеть от того, что мы называем Внутренней Энергией тела. Дело в том, что неподвижно лежащее на земле тело или висящее в невесомости, обязательно состоит из атомов, элементы ядра внутри которых пребывают в вечном движении. Нагревая тело, воздействуя на него каким-нибудь излучением или давлением, мы ускоряем движение элементов ядра внутри атома, тем самым сообщая всему телу дополнительную энергию. В какой-то момент эта энергия может покинуть тело, что замедлит движение элементов, из которых состоит ядро атома. То есть, два тела одинаковой массы будут иметь разную "энергетическую оснащённость", если одно из них горячее, а другое холодное.

То же можно сказать о куске радиоактивного вещества, которое может покоиться довольно долго, но при этом излучать энергию. Правда, в результате радиоактивного распада элемент Уран через какое-то время станет Плутонием, но это уже несколько иной физический процесс, схожий с горением дров в печи, когда масса превращается в тепловую и световую энергию.

Таким образом, с позиций классической механики термин Кинетическая Энергия к покоящемуся телу применён быть не может. Если же мы рассматриваем процессы взаимодействия более широко, учитывая внутреннее строение атома и такие параметры как давление, температуру, воздействие электричеством или излучением, то этот термин вполне справедлив и по отношению к покоящемуся телу.

По всей видимости, ответ на этот вопрос вполне мог бы стать предметом обсуждения в научной среде для выработки какого-то солидарного мнения.

К счастью, с Потенциальной Энергией ситуация обстоит несколько проще, поскольку здесь мы можем всецело опираться на принцип тождественности Массы и Энергии, который выглядит как Е=М. То есть, вся физическая масса тела, независимо от того, покоится тело или пребывает в движении, может быть зачислена ему в актив в качестве Потенциальной Энергии. Другими словами, часть своей Потенциальной Энергии тело может отдать только в том случае, если оно лишится эквивалентной части своей массы. По своей сути это и есть то самое массово-энергетическое преобразование, о котором уже было упомянуто выше по тексту на примере горения дров и роста дерева.

Чтобы идея была ещё более понятна, предлагается следующая жизненная ситуация:

Если мы используем кусок динамита в качестве спортивного снаряда и просто бросим, то сообщим ему Кинетическую Энергию. Пролетев какое-то расстояние, он шлёпнется на землю, истратив всю полученную извне энергию на трение об воздух и противодействие гравитации. Если то же самое мы проделаем за пределами атмосферы Земли, то кусок динамита будет путешествовать в космосе с присоединённой к нему Кинетической Энергией практически вечно. То есть, до тех пор, пока не встретит на своём пути какого-нибудь препятствия. Или не встретит, но уже в другом смысле...

Тем не менее, кусок динамита можно использовать по его прямому назначению. Во время взрыва практически вся его физическая масса превратится в небольшую кучку пепла, но при этом выделится огромное количество Кинетической Энергии, которая проделает в скальном массиве приличного размера отверстие. В этом случае Потенциальная Энергия перейдёт в состояние Кинетической, сообщив её всем материальным телам, находящимся поблизости. то есть, разнесёт всё вдребезги!

Теперь сама формулировка:

Потенциальная энергия - это мера движения, эквивалентная массе тела.

Формула нам уже знакома:

Е=М

Другими словами, утратить или передать свою Потенциальную Энергию тело может лишь в случае, если оно лишится некоторой части своей массы, либо утратив её целиком.

В качестве полезного дополнения нелишней будет ещё одна формулировка, а именно:

Внутренняя энергия - мера подвижности элементов, из которых состоит материальное тело.

На первый взгляд этот вид энергии для механики представляется избыточным, но именно благодаря ему материальные тела обладают инерцией. Подробнее об Инерции и Инертности в последующих частях размышления.

Итак, вопрос необходимости существования терминов Кинетическая Энергия и Потенциальная, можно считать закрытым - для практического применения они вполне пригодны.

Далее обсудим некоторые термины, которые прямо или косвенно связаны с понятием - Энергия.

Энтропия

Приведём формулировку этого термина из доступных источников в наиболее лаконичном варианте:

Энтропия - мера необратимого рассеивания энергии либо её бесполезности.

По поводу последнего утверждения о "бесполезности":

Если с неба капает дождь, то очевидно, кто-то его ждёт с нетерпением, а у кого-то протекает крыша и ему это природное явление крайне неприятно. Соответственно, для тех, кто находится в другом городе или стране, где нет дождя, информация такого рода действительно бесполезна. Поскольку классическая физика не рассматривает смысловую сторону того или иного природного процесса, а уж тем более - этическую, то для формулировки физического термина такого рода оценочные суждения, как - хорошо, плохо или бесполезно - представляются неприемлемыми.

Теперь о "необратимости рассеивания энергии".

Сразу хочется задать вопрос:

Что имел в виду автор данной формулировки, используя слова "рассеивание" и "необратимое"?

Если это синоним "расходования" или "разбрасывания", то при работе электромотора происходит расходование электроэнергии, а сеялка разбрасывает зёрна по полю. Насколько эти процессы необратимы - вопрос к конкретным специалистам - электрикам и механизаторам, но причём тут Энтропия, совершенно непонятно.

В том случае, когда под "рассеиванием" энергии подразумевается её безвозвратная утрата, то она невозможна по причине существования Закона сохранения Энергии, так как количество энергии во Вселенной неизменно на всей продолжительности её вечного существования. Если же Энергия на какое-то время перешла в состояние Массы, согласно закону эквивалентности Е=М, то у неё имеется достаточно времени для того чтобы обратное преобразование когда-нибудь произошло. Закон природы нельзя нарушить, на то он и закон.

Соответственно, чтобы всерьёз говорить о существовании Энтропии в физическом мире, неплохо бы уточнить - что под этим термином подразумевается.

Потенциал

Разговор об Энергии будет неполным, если мы не обсудим её передачу от одного тела к другому. Очевидно, что в природе существует определённый механизм энергетического обмена, а значит без агента, ответственного за такую процедуру, нам никак не обойтись. В физике эта роль поручена Импульсу и Силе.

Присмотримся к ним внимательнее.

Согласно информации из учебника - Импульс и Сила - некоторые порции Энергии, вне зависимости от того, находится материальное тело в процессе взаимодействия с другим телом либо нет.

Утверждение весьма спорное, так как передача энергии от одного тела к другому возможна лишь в процессе их взаимодействия, а значит, никакое материальное или физическое тело до этого момента не обладает ни Силой, ни Импульсом. Иначе говоря, пока тело движется либо покоится, занимая некий объём Пространства, оно обладает лишь Потенциальной, Кинетической и Внутренней энергиями, которые не может ни истратить, ни пополнить.

Даже с обывательской точки зрения свою силу человек может проявить, лишь взявшись за тяжёлый камень и попытавшись его передвинуть. До тех пор пока Илья Муромец лежит на печи, все разговоры о его силе - пустое сотрясание воздуха. Именно потому и существует выражение: "померяться силой", ведь наличие силы необходимо периодически подтверждать. Спортсмен боксёр или штангист, пускай он даже многократный олимпийский чемпион, может заболеть обычной простудой и в такой момент даже собственную руку поднять для него проблема. Так бывает, поверьте...

В этом смысле Импульс ничем не отличается от Силы, ведь он тоже должен иметь какое-то внешнее проявление. О незнакомом человеке, которого видят первый раз в жизни, вряд ли скажут, что он импульсивный. Во всяком случае, до тех пор, пока он не устроит драку или истерику на пустом месте.

К тому же, традиционная формализация этих понятий такова, что мы не можем отделить какую-то часть энергии либо массы, чтобы получить их "порцию", необходимую для взаимодействия. В самом лаконичном варианте эти понятия учебник трактует таким образом:

Импульс - производная массы от скорости, формально - p=mV.

Сила - производная массы от ускорения - F=ma.

Далее отметим недостатки подобного рода формализации.

Очевидно, что простое перемножение массы m на скорость V даёт нам полную Кинетическую Энергию тела, а вовсе не часть, как это подразумевается для понятия Импульс. При переводе на человеческий язык это означает, что воздействуя на тело путём использования Импульса, формализованного в виде p=mV мы должны иметь целую обойму таких Импульсов одинакового размера, выстреливая ими до тех пор, пока не достигнем нужного результата. По достижении желаемого необходимо собрать все гильзы и пересчитать, чтобы стало понятно, какое количество Импульсов нам потребовалось. Это не шутка, ведь сама формула Импульса не позволяет нам отделить от тела часть массы m, и поэтому либо мы её используем целиком, либо подразумеваем, что общая масса тела это сумма масс m1+m2+m(n), после чего совершаем некоторое количество выстрелов.

Нет никакого сомнения, что в виде p=mV формула Импульса даст результат, далёкий от реальности.

С понятием Сила тоже не всё гладко.

В процессе силового, а значит, контактного взаимодействия, должны участвовать минимум два тела, но формула F=ma этот момент никак не отражает. Даже простое деление результата пополам свидетельствовало бы о том, что в процессе участвуют две силы - то самое действие и противодействие, что постулирует Третий закон Ньютона. В существующем виде Сила действительно находится в пустоте и действует непонятно на что.

Также мы видим, что и здесь присутствует Ускорение, обозначенное литерой a. Ранее по тексту уже указывалось на недостатки использования Ускорения для формализации массово-энергетических взаимодействий. И проблема даже не в том, что неплохо бы размерность времени и пути приводить к общему знаменателю, а в самой физике процесса, ведь в противном случае может возникнуть "квадратная секунда". Термин Ускорение подразумевает движение, но контактное взаимодействие тел вовсе не означает, что Сила воздействия одного тела окажется достаточной для начала движения другого. Третий закон Ньютона вовсе не постулирует равенства энергий и масс взаимодействующих тел. Всё же, он немного о другом. То есть, имеется логический конфликт - для описания физического процесса, в результате которого тело вовсе не обязано двигаться, применяется формула, совершенно не приспособленная для описания состояния покоя. Просто потому, что Сила может оказаться недостаточной. Так не только в жизни, но и в физике иногда случается...

Как и в случае с Импульсом, формула Силы - F=ma не позволяет использовать часть массы m для достижения необходимого результата, что делает её бесполезной для описания реальных взаимодействий в роли порции энергии.

Вполне резонно возникает вопрос, с некоторых пор становящийся традиционным:

Нужны ли физике такие понятия как Сила и Импульс?

В качестве удобных инструментов - несомненно, ведь Сила - часть механической энергии тела, производная от его массы, а Импульс - часть энергии тела, которую оно может передать другому телу за некоторый промежуток времени. Конечно, если ситуация безвыходная, то гвоздь можно забить и булыжником, лежащим на обочине, но молоток подойдёт куда как лучше. Инструмент тем и хорош, что он специально "заточен" под конкретное действие.

Единственная неприятность состоит в том, что в физике до сих пор нет "агента", который позволял бы использовать лишь часть кинетической или потенциальной энергии тела.

Предлагается его создать из подручных средств. В качестве такой порции энергии может выступить уже знакомый нам Потенциал, который физика эксплуатирует давно и часто, но по большей части в качестве абстрактного термина. А мы позволим себе вольность присвоить Потенциалу некоторое значение, что уж точно никому не навредит.

Сформулируем новый термин следующим образом:

Потенциал - величина, отражающая меру подвижности материального тела.

Под подвижностью мы понимаем любое перемещение - как вращение тела, колебание, так и поступательное движение. То есть, независимо от того, меняет ли тело свою позицию в Пространстве, у него всегда имеется какой-то Потенциал. Обозначим его литерой q (ку).

А теперь через новую физическую единицу выразим Энергию для любого материального тела, используя уже известную нам формулу эквивалентности Энергии и Массы Е=М:

Е=М*q, либо Е=М(q), где q - мера подвижности тела.

При всей своей простоте и очевидности, данная запись вполне работоспособна, ведь в случае отсутствия взаимодействия потенциал будет равен единице и значения в формуле останутся прежними. Но в тех случаях, когда потребуется передать часть энергии от одного тела к другому, Потенциал позволит это сделать, выступив в роли "агента передачи". То есть, от его величины будет зависеть количество энергии, участвующей в обмене. Соответственно, потенциал равный единице отражает полную энергию тела, а его часть можно выражать в дробях, процентах или с использованием чисел, подобрав для них подходящую размерность. Отсюда второе, более простое определение:

Потенциал - некоторая часть энергии тела.

Нужен ли Потенциал для физики?

На самом деле такая необходимость давно назрела, но наши досточтимые предки велели своим потомкам забивать гвозди кирпичом, поэтому будем следовать их мудрым заветам. А если серьёзно, то в классической механике имеется давняя проблема, о которой как-то не принято говорить.

Суть её такова:

Формализация количества энергии в механике всегда происходит с применением Скорости V, ведь именно она является мерой движения для любого материального тела. Под скоростью мы понимаем дистанцию, которую тело проходит за некоторый интервал времени. Но существует Первый закон Ньютона, который однозначно указывает на то, что ни время ни расстояние не влияет на количество энергии у тела, поскольку любое тело может стоять на месте вечно, либо лететь в Пространстве бесконечно долго. Это и не удивительно, ведь путь S, как и время в пути t - величины абстрактные, поскольку они никак не могут быть согласованы с бесконечным Пространством и вечным Временем. Их значения соответствуют лишь эталонам, хранящимся в Палате Мер и Весов, и к Мирозданию не имеют ни малейшего отношения.

То есть, Скорость - сугубо математическая величина, которая лишь отчасти пригодна для описания механического движения. На Земле её использование привычно и обосновано, но за пределами нашей планеты она превращается в абстракцию, ведь там эталон уже не к чему приставить - куда ни глянь, везде Бесконечность.

В первой половине 20-го века вроде бы нашли "фундаментальное мерило" для Вселенной - Скорость Света, но эксперименты показывают, что этот инструмент слишком рано назвали волшебным Граалем. Оказалось, что даже не очень насыщенная газовая среда заметно замедляет поток света, а значит, для почётной роли "мировой константы" скорость света не годится.

О Свете и Цвете мы подробно поговорим в последующих частях размышления, а сейчас вернёмся к повседневным проблемам физики.

Итак:

Стоит ли вообще формализовать Движение через Скорость для того, чтобы считать количество Энергии, ведь Энергия - это и есть Движение?

Зачем использовать промежуточные вычисления того, что у нас и так находится в руках?

Не проще ли рассчитывать Энергию сразу в энергетических величинах?

Это и будет необходимой аргументацией в пользу возникновения новой физической величины - Потенциала, как порции Энергии.

Следующий вопрос:

В каких единицах измерять Потенциал?

К счастью, физика этот вопрос уже давно решила, и поэтому ничего придумывать не придётся. В зависимости от того, где мы будем измерять Потенциал, он будет иметь разные имена. В Механике - это Ньютон, в Электростатике - Кулон, в Электродинамике - Вольт, в Пневматике и Гидравлике - Бар или Паскаль, в Термодинамике - Джоуль. Из этого списка не будем исключать и различные "природные размерности", такие как: дроби, проценты, "половинки", "четверти" и им подобные, ведь не секрет, что зачастую нам важно знать не столько само значение, сколько соотношение в разах, частях или долях.

Теперь, когда у нас имеется новый инструмент, попробуем исправить проблемы с формализацией Импульса и Силы.

Импульс и Сила

Для начала желательно определиться с физическим смыслом этих терминов.

Что собой представляет Импульс?

Очевидно, что это количество движения, которое одно тело может передать другому в момент контактного взаимодействия. То есть действие, строго лимитированное по времени. Отсюда формулировка:

Импульс - период времени, за который происходит передача некоторой части энергии от одного тела к другому.

Формально это будет выглядеть так:

p=qt, где p - Импульс, q - Потенциал, t - период продолжительности контактного взаимодействия.

Другими словами, величина Импульса, а значит, и количество переданной энергии от одного тела другому, впрямую зависит от длительности их взаимодействия. Важно отметить также, что параметр t, здесь выступает не как частичка бесконечного Времени, а как обычный множитель для массы, а значит, назвать его можно как угодно, не обязательно секундой. Тем не менее, не будет грубой ошибкой назвать продолжительность t временем, так как Первый закон Ньютона никак не регламентирует поведение материальных объектов в момент разгона и торможения, он справедлив лишь для неизменной скорости движения либо для покоя.

Таким образом, благодаря применению Потенциала как части энергии мы выразили передачу "порции движения" от одного тела другому без применения скорости V, что представляется более логичным с точки зрения физики процесса.

Следующий вопрос:

Что такое Сила?

Для начала, разберёмся с "механикой процесса" на основе формулы из учебника - F=ma, где F - сила, m - масса тела, a - его ускорение. Очевидно, что в момент контакта двух тел никакого ускорения мы не зафиксируем, так как внешней силе противодействует инерция другого тела, на преодоление которой требуется некоторое количество времени. Здесь мы имеем дело с Импульсом, но ещё не с Силой. Далее, если энергии первого тела недостаточно для преодоления инерции другого, то выделится некоторое количество теплоты от удара, возможно, мы отметим вибрацию, либо произойдёт деформация тел, но никакого ускорения опять не последует. Теперь предположим, что удар был столь силён, что покоящееся тело пришло в движение. Но даже в этом случае, на очень короткий период времени мы зафиксируем резкий разгон одного тела и торможение другого, после чего скорости каждого из них выровняются и далее будут постоянными в полном соответствии с количеством полученной энергии одним телом и потраченной другим. То есть, для того чтобы Разгон длился дольше, требуется продолжение взаимодействия, в основе которого передача порции энергии от одного тела к другому. В противном случае тело, получившее часть энергии, продолжит своё движение в Пространстве с неизменной скоростью - без разгонов и торможений.

Математическая запись, дающая правильный результат без использования Скорости или Ускорения вполне сгодилась бы, но для описания движения её пока не изобрели. Поэтому для физики единственно верный способ формализации Разгона тела и Торможения возможен лишь через сложение и вычитание энергии контактирующих тел. В качестве "агента передачи" как раз подойдёт Потенциал, либо его производная по времени - Импульс.

Делаем вывод, что Сила зависит лишь от масс тел и их энергий - потенциальной, кинетической и внутренней. Так как при контактном взаимодействии одно тело не может отдать всю свою энергию, то мы рассматриваем в формуле только её порцию - Потенциал. В результате формула получается такая:

F=mq, где F - сила, m - масса тела, q - Потенциал.

Другими словами, мы "математическую величину" - Ускорение, просто меняем на "физическую" - Потенциал. Этого вполне достаточно.

Вполне допустимым будет утверждение, что Сила - это некоторая часть Мощности тела, требующейся на преодоление Инерции другого тела, отсюда столь поразительная схожесть с формулой:

N=ME, где:

N - мощность, M - масса тела, E - энергия.

С массой и энергией в общих чертах разобрались.

Переходим к следующей части размышления.

Часть 3. Строение вещества

Строение вещества, пожалуй, краеугольный камень любой теории Мироздания. От того, какой элемент для нас станет "отправной точкой", будет зависеть логика дальнейшего повествования.

Согласно концепции, развиваемой в данном размышлении, роль "первоэлемента" мы поручим Заряду. Но трактовка этого термина будет несколько иной, нежели та, что представлена в школьном учебнике физики.

Итак...

Глава 1. Заряд - материальный объект

Прежде чем перейти к конкретике, было бы уместно отметить важные моменты, касающиеся традиционного представления о Заряде.

В науке это понятие существует давно, так как масса физических явлений не может быть объяснена и описана без его непосредственного участия. Заряд - одно из наиболее загадочных физических понятий в современной системе знаний. Материальным объектом наука его признать отказывается, что довольно странно, ведь заряд обладает некоторыми свойствами, которые могут быть лишь у материального объекта. Проанализируем некоторые из них.

Первое свойство заряда:

Возможность любого тела участвовать в электромагнитном взаимодействии определяется вовсе не тем, что собой представляет само тело, а количеством зарядов, которые у него имеются в различных вариантах постановки опыта. Причём, заряды в произвольной форме могут, как появиться у тела, так и покинуть его, и тело никак не может этому воспрепятствовать. Читаем формулировку Закона сохранения электрического заряда в учебнике:

Электрические заряды не создаются и не исчезают, а только передаются от одного тела другому или перераспределяются внутри тела.

Формулировка из учебника самым непосредственным образом сообщает нам, что заряд - это объект, причём, вполне материальный. В противном случае мы имеем дело с довольно странным свойством, которое ни к чему конкретно не относится и само решает, как вести себя в той или иной ситуации.

Второе свойство заряда:

По какой-то неведомой науке причине в любой точке Вселенной зарядов всегда ровно столько, сколько нужно для притяжения и отталкивания тел. В первом случае у каждого из тел должно быть равное количество положительных и отрицательных, во втором - равное количество зарядов одного знака. Получается, что Мироздание только того и ждёт, как бы угодить капризному экспериментатору, всегда предлагая требуемое количество тех и других.

Учитывая этот момент, можно согласиться с тем, что зарядов в любой точке Вселенной действительно достаточное количество, а вот существование двух их разновидностей - момент спорный. Скорее, речь идёт об одном материальном объекте - Заряде (вообще без какого-либо знака), который обладает свойствами притяжения и отталкивания одновременно, проявляя их в зависимости от конкретных условий.

Именно эта версия представляется наиболее правдоподобной.

Учитывая то, что современная наука имеет представления о Заряде весьма противоречивые, предлагается такая формулировка:

Заряд - материальный объект, состоящий из элементов, солидарно движущихся по замкнутым траекториям в составе единой системы.

Из определения следует, что мы имеем дело с комплексным объектом, то есть - системой, состоящей из множества материальных объектов значительно меньшего размера, связанных друг с другом каким-то видом связи, не позволяющим им распадаться на самостоятельные элементы. Второе важное следствие - наличие у любого заряда огромного количества энергии, ведь в нём нет ни одного элемента, который бы покоился - все движутся. По своей сути Заряд - это и есть энергия, так как массовая его составляющая в сравнении с энергетической ничтожна. О массе заряда чуть позже, а сейчас о различных их разновидностях.

Какие бывают заряды

Как уже было отмечено ранее, в любой точке Вселенной зарядов очень много. И это ничуть не удивительно, ведь именно заряд является не только источником энергии, но и строительным материалом для всех остальных материальных объектов - атомов и молекул. К тому же, согласно принципу масштабирования, физические размеры зарядов могут быть какими угодно, отличаясь друг от друга в миллионы и миллиарды раз. Электрические заряды настолько маленькие, что разглядеть их не поможет даже самый мощный микроскоп, а вот Шаровую молнию можно увидеть без каких-то специальных приспособлений. Существуют и совсем грандиозные заряды - звёзды. То есть, наше Солнце - типичный заряд, по строению мало отличающийся от электрического заряда или любого другого. Все известные виды излучений - световое, тепловое, рентгеновское и радиоволны в том числе, тоже состоят из зарядов. Если современная физика частичку света называет фотоном, то в терминологической среде данного размышления его можно назвать световым зарядом, что сути самого явления ничуть не изменит.

Итак, мы выяснили, что заряды могут иметь размеры очень разные, но строение у них общее. В наиболее общем виде это тороид, к примеру, такой:

Рис. 1

Классический тороид (рис. 1) можно сравнить с баранкой, но это вовсе не означает, что он не может выглядеть как подобие сферы:

Рис. 2

Несмотря на отличие картинок (рис. 1 и рис. 2), обе они изображают тороид, так как основное тело фигуры вращения располагается вне её центра. Если по своей форме электрические заряды тяготеют к форме бублика, то наше Солнце уже выглядит как полноценная сфера - во всяком случае, если смотреть на него с Земли. И это неудивительно, ведь мы видим всегда только его бок, тогда как "центральный ствол" любой звезды располагается строго перпендикулярно к плоскости эклиптики, а значит, и по отношению ко всем планетам, которые кружат где-то неподалёку. Почему Солнце имеет именно такое расположение, мы обсудим ближе к концу главы.

Продолжаем...

Масса заряда

В очередной раз отметим необычность материального объекта, называемого зарядом. Он действительно совсем не похож на знакомые нам со школы атомы и молекулы, так как наиболее близкая к нему аналогия - пчелиный рой. То есть, элементы, из которых состоит заряд, пребывают в вечном движении. Правда, в отличие от пчелиного роя, они не могут на время улететь по своим делам, а затем вернуться. Им суждено вечно кружить хоровод по достаточно сложной траектории в составе единого объекта.

Теперь о массе Заряда.

С точки зрения вещественности, проблем никаких нет, ведь согласно наиболее общей формулировке этого термина, масса - это арифметическая сумма всех элементов, его составляющих. Проблема лишь в том, что сосчитать бесчисленное количество постоянно движущихся частиц практически невозможно. К тому же, они настолько малы, что не изобретено такого микроскопа, в который их можно было бы разглядеть. Причём, более крупный размер заряда нам вряд ли поможет, ведь посчитать количество элементов, составляющих Солнце - задача столь же невыполнимая. То есть, дело вовсе не в наличии подходящего инструмента, а в самом объекте - достаточно необычном по своему строению.

Другой способ измерения массы - расчёт через объём и плотность для нас тоже не годится, ведь ни того ни другого у заряда нет. Просто потому, что в зависимости от внешних факторов, траектории перемещения элементов в составе "общего роя" могут изменяться. Для покоящегося заряда - одна конфигурация движения, для движущегося - несколько иная. Внешнее воздействие температуры и давления на него также окажет влияние - заряд может сжаться или наоборот - расшириться, причём, значительно. С атомом ситуация выглядит несколько проще, ведь у него имеется довольно прочная оболочка, которая в широком диапазоне температур и давлений лишь незначительно меняется в объёме. У заряда такой оболочки нет.

Расчёт массы заряда с использованием инерции тоже не поможет, ведь рассматриваемый нами объект хотя и представляет собой единую систему, но каждый его отдельный элемент обладает определённой свободой в процессе своего движения. Конечно, все элементы заряда имеют вполне определённые массовые характеристики, а значит, и инерцию. Проблема лишь в том, что они движутся по достаточно сложным замкнутым траекториям, и поэтому получить однозначную картину взаимодействия не получится - одни элементы будут действовать фронтально, другие по касательной, третьи вообще перемещаться в обратном направлении, уклоняясь от столкновения. Даже если мы и получим какой-то результат, то его выражение в привычных величинах массы вряд ли будет иметь практическую пользу. Ситуация аналогична попытке ударить палкой по пчелиному рою - он либо не заметит столь бесцеремонного вмешательства, либо изменит своё местоположение, а может и наброситься на агрессора. Ценность любого опыта в повторяемости результата при неизменных начальных условиях. Заряд - не самый удачный претендент на роль подопытного кролика.

То есть, обычными способами определить массу заряда мы не сможем - ни через простой подсчёт элементов, ни через формулу массы m=pv (произведение плотности на объём), ни путём измерения его инертности. Тут бы расписаться в собственном бессилии, но к счастью, в физике уже достаточно давно существует "бесполезная формула" тождественности массы и энергии - М=Е. То есть, определив энергию некоторого количества зарядов, мы сможем хотя бы косвенным образом судить об их массе. К тому же, человечество имеет определённый инструментарий для измерения энергии зарядов. Статические электрические заряды - малоподвижные либо покоящиеся - хорошо регистрирует электроскоп и вольтметр, движущиеся по проводнику - амперметр. Для радио и рентгеновского излучения существуют различные детекторы - полупроводниковые либо индукционные. Тепловое и световое излучение можно почувствовать вообще без применения приборов - зрительно и тактильно.

Ранее уже отмечалось, что фотон вполне можно именовать "световым зарядом". Отличие его от "теплового заряда" лишь в размерах, поэтому странно, что физика, весьма склонная к изобретению различных научных терминов, и для него не придумала чего-то подобного. К примеру, теплон или термион (от слова termo), по аналогии с фотоном и электроном.

Теперь пару слов о массе фотона.

Считается, что он не имеет массы покоя, а лишь массу движения, называемую инерционной. Отсюда следует закономерный вывод, что при остановке фотон исчезает. То есть, согласно учебнику физики - покоящихся фотонов в природе не существует вообще. Довольно странное утверждение, ведь согласно Закону сохранения Массы такого быть не может. Математическое объяснение этого феномена конечно же существует, но выглядит довольно сложно, и понимают его далеко не все. Тем не менее, на бумаге доказательство исчезновения фотона выглядит вполне научно.

С позиций традиционной физики объяснение может выглядеть совсем просто:

Пока фотон движется в составе светового потока, мы его можем регистрировать различными способами - визуально и инструментально. Покоящийся фотон (световой заряд) увидеть невозможно, так как он не вступает во взаимодействие с рецепторами глаза и другими сенсорами, поэтому проще сказать, что его нет, нежели допустить его существование в те моменты, когда он не движется. При этом, превращение фотона в электричество почему-то не кажется удивительным. В организме человека поток фотонов, детектированный глазными рецепторами, превращается в электрический импульс, который отправляется на обработку в мозг. Попав на пластину солнечной батареи, фотон превращается в электрический ток. То есть, "остановленный фотон" просто меняет своё название, превратившись в электричество, тепло или что-то подобное. Даже дети знают, что подставив увеличительное стекло под солнечный свет и сфокусировав, можно получить довольно приличную температуру - 200-300 градусов Цельсия, позволяющую выжигать на дереве или бумаге. Тем не менее, не только в учебнике физики, но и в достаточно солидных научных изданиях утверждение о том, что фотон бесследно исчезает, повторяется с завидной регулярностью.

Форма Заряда

Пришло время обсудить, почему форма заряда именно такая, а не какая-то другая.

Ранее уже неоднократно отмечалось, что заряд для природы объект уникальный, и именно поэтому ему мы определили центральную роль в формировании вещества. Несмотря на то, что заряд ничуть не менее материален, чем атом или молекула, его массовые характеристики в сравнении с энергетическими можно назвать ничтожными. Это значит, что инерция у него практически отсутствует, что позволяет заряду легко изменять траекторию своего движения, тормозить и разгоняться практически мгновенно. По своей сути заряд представляет собой сгусток энергии, так как в нём нет ни одного элемента, который бы покоился - все пребывают в постоянном движении, даже в том случае, когда мы обсуждаем статический электрический заряд, который не меняет своего положения в пространстве. Покоящийся заряд можно сравнить со стоящим на месте торнадо, который неторопливо вырывает комья земли и песка, разбрасывая их по всей округе. Для того чтобы понять, насколько торнадо и заряд внешне схожи, предлагается такая картинка:

Рис. 3

Обычно торнадо выглядит как медленно ползущая по земле серая труба с воронкой наверху, из которой вылетает всякий мусор. Это и не удивительно, ведь именно в центральной части торнадо воздух вперемешку с мельчайшими каплями воды уплотняется настолько, что становится видимым. Всё что происходит на его периферии уже не столь наглядно, но очевидно, что структура строения торнадо - это тороид. На следующей картинке мы видим ту же фигуру, где изображена траектория движения лишь одного элемента заряда из великого множества:

Рис. 4

Если тороид выглядит подобно сфере (рис. 4), то движение каждого его элемента проходит по такой необычной траектории. В классическом тороиде (рис. 1) в виде "бублика", траектория движения отдельного элемента выглядит несколько проще:

Рис. 5

Здесь мы видим (рис. 5) замкнутую пружину, которая хорошо иллюстрирует сразу два типа вращения - продольное и поперечное. В совокупности они формируют сложное трёхмерное движение каждого отдельного элемента заряда. Собственно, именно благодаря тому, что движение элементов происходит по трём пространственным осям одновременно, мы и наблюдаем у заряда столько удивительных свойств - электрических, магнитных и гравитационных. Чтобы не усложнять сверх меры дальнейшие рассуждения, нам потребуется более простой "схематический образ". Для этого траектории движения всех элементов системы мы условно разделим на два типа вращения - продольное и поперечное:

а)

б)

в)

Рис. 6

Первое - осевое (рис. 6а) или "телесное", при котором все элементы движутся вдоль условной линии, совпадающей с самой фигурой вращения. Второе - поперечное (рис. 6б), когда вращение происходит в плоскости, перпендикулярной осевой линии тела, как бы выворачивая его наизнанку. Теперь совместим эти два направления вращения на одной картинке (рис. 6в), и в дальнейших рассуждениях будем использовать именно такой "образ заряда".

Следующий вопрос:

Почему заряд обязательно должен выглядеть как бублик, а не в виде сферы или плоскости?

Все составляющие заряд элементы в процессе своего движения по замкнутым траекториям стремятся оказаться как можно ближе к центру фигуры, но их скорость слишком велика, чтобы там задержаться, и поэтому они пролетают мимо, каждый раз возвращаясь. Это и является причиной возникновения у заряда собственного электромагнитного поля, вследствие чего он способен проявлять электрические, магнитные и гравитационные свойства, реализуя один из своих потенциалов при взаимодействии с другими физическими или материальными объектами. Здесь в полной мере работает эмпирическое Правило трёх перпендикуляров, которое можно сформулировать следующим образом:

Для преобразования потоков частиц - магнитного, гравитационного и электрического, являющихся по отношению друг к другу родственными, но взаимно перпендикулярными, необходимо их "развернуть" в ту или иную сторону, используя подходящую для этого "геометрическую схему".

Теперь то же самое, но чуть более простым языком:

Поскольку мы живём в трёхмерном Пространстве, то цифра "три" для него является в некотором смысле символической. По трём точкам можно задать расположение плоскости, табуретка на трёх ногах стоит устойчивее, чем на двух или четырёх. Цифра "3" символизирует движение от одной точки к другой, три слона, стоящие на огромной черепахе, три богатыря, три девицы под окном и многое другое...

Итак, из одной точки мы можем провести лишь три взаимно перпендикулярные прямые. То есть, все последующие перпендикуляры будут совпадать с уже существующими. Движение условной материальной точки в трёх пространственных осях одновременно позволяет получить фигуру вращения, называемую тороидом, в геометрическом центре которого формируется гравитационный потенциал, который и удерживает все элементы заряда в составе единого объекта. Движение материальной точки по какой-то иной траектории, к примеру, по окружности или сфере, к такому эффекту не приведёт. Все вопросы, связанные с гравитацией, обсудим в отдельной главе, целиком посвященной этой теме.

Вследствие движения элементов по замкнутой траектории в составе единого объекта, заряд способен сохранять всю свою энергию - кинетическую, потенциальную и внутреннюю до тех пор, пока не вступит во взаимодействие с другим объектом - зарядом, атомом, молекулой или более сложной системой элементов. При этом, даже не вступая во взаимодействие, он уже обладает уникальными способностями, ведь наличие у него собственного электромагнитного поля наделяет его сразу тремя Потенциалами - магнитным, электрическим и гравитационным. Эмпирическая закономерность, называемая Правилом трёх перпендикуляров, позволяет определить, какой из трёх Потенциалов заряда в момент взаимодействия реализуется в конкретное действие - магнетизм, электричество или условно бесконтактное воздействие, называемое гравитационным.

О практическом применении указанного выше Правила чуть позже, а сейчас несколько слов о физических полях.

Электромагнитное поле заряда

Поскольку речь зашла о Поле, необходимо внести некоторую ясность и в этот, непростой для физики, вопрос.

Понятие Поле в современной науке, пожалуй, самое загадочное. Порой складывается ощущение, что любые сложности, возникающие при объяснении того или иного физического явления, решаются лишь простым упоминанием этого термина, и сразу всё становится просто, понятно и обыденно. Предметы падают на землю - гравитационное поле, в катушке появился ток - электрическое, магнит притягивает или отталкивает - опять поле, но уже магнитное. Это только в физике, а если мы привлечём математику, то различных полей с их удивительными свойствами станет ещё больше. Дабы не размениваться на частности, далее обсудим только Электромагнитное поле, а все другие - реальные и вымышленные, оставим за рамками данного размышления.

Сначала заглянем в учебник:

Электромагнитное поле - фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами.

Физическое поле - особый вид материи.

Собственно, на этом обзор классического представления современной науки о Поле можно закончить. Здесь мы имеем лишь определения, указывающие на существование вполне реального физического феномена, но его суть они ничуть не проясняют. Конечно, особым видом Материи поле названо по какому-то нелепому недоразумению, ведь само по себе оно существовать не может, его возникновение целиком зависит от других объектов и их свойств. Поскольку такое физическое явление как Электромагнитное Поле действительно существует, то этот термин требует какого-то разумного определения. Выше по тексту дано сразу две формулировки, их мы чуть изменим, к примеру, таким образом:

Электромагнитное поле - особая форма движения материальных частиц, формирующая магнитные и электрические свойства у различных материальных объектов.

Поле - физический объект, состоящий из материальных частиц, солидарно движущихся по замкнутым траекториям в составе единой системы.

Возникает интересный парадокс - представленная формулировка Поля практически полностью повторяет определение Заряда:

Заряд - материальный объект, состоящий из элементов, солидарно движущихся по замкнутым траекториям в составе единой системы.

Может возникнуть вопрос:

Значит ли это, что Поле и Заряд - одно и то же?

И да и нет. Электромагнитное поле и Заряд - физические синонимы, поскольку друг без друга существовать не могут. Если есть заряд, то у него обязательно имеется собственное электромагнитное поле, но поля без Источника не возникнет. Эту почётную роль может исполнить только заряд. При этом, сколько бы ни было зарядов в пространстве, они всегда останутся самостоятельными материальными объектами, в то время как поля этих зарядов могут складываться, вычитаться, умножаться и делиться. То есть, при определённой конфигурации зарядов в какой-то точке пространства они могут сформировать общее поле, а при другой - поля зарядов будут противодействовать друг другу.

Возможна ситуация, при которой зарядов более чем достаточно, а электромагнитного поля и вовсе нет. Это как раз тот случай, когда заряды находятся внутри источника питания, батарейки, конденсатора, на пластиковой расчёске, шерстяном свитере, но никакого электромагнитного поля вокруг этих предметов мы не обнаружим. То есть, для возникновения электромагнитного поля с той напряжённостью, которую мы смогли бы измерить приборами, зарядов не только должно быть много, но требуется также и их определённая конфигурация в Пространстве. Для обнаружения электромагнитного поля у проводника, по которому движутся электрические заряды, потребуется достаточно чувствительный прибор, либо очень большой ток. Но если провод смотать в катушку, то даже при небольшом токе мы обнаружим довольно высокую напряжённость её электромагнитного поля при взаимодействии с железом или магнитами. Другими словами - у заряда электромагнитное поле есть всегда, но обнаружить его довольно трудно в силу очень малого размера самого объекта. У катушки из провода электромагнитное поле может быть огромным, но только тогда, когда по ней движется большое количество электрических зарядов - электрический ток.

А теперь, пожалуй, пришло время ответить на главный вопрос:

Что собой представляет электромагнитное поле?

Как уже было отмечено выше, именно заряд выступает в качестве Источника для возникновения электромагнитного поля, но его элементы не являются частью этого поля. Поле формируется из сторонних элементов "младшего" уровня размерности, которые слетаются как ночные мотыльки на свет костра, ведь заряд - главный источник энергии во Вселенной. Это значит, что все элементы, испытывающие недостаток энергии, будут стремиться туда, где её много. Заряд - главная цель для всех элементов, которые значительно меньше его по размеру. А поскольку движение - это и есть энергия, то вновь прибывшие элементы попытаются принять участи в общем хороводе. Вокруг заряда обязательно возникнет вторичный поток, который и создаст его электромагнитное поле. Чем выше энергия самого заряда, тем больше сторонних элементов вольются в общий поток, а значит, напряжённость такого поля также будет выше.

Ещё раз акцентируем этот важный момент - элементы, формирующие электромагнитное поле заряда, не являются "обязательной частью" самого заряда, а значит, могут легко покинуть систему, как только у них возникнет более привлекательная цель. Именно так поле может складываться, умножаться и делиться. Поскольку сам заряд - это материальный объект, элементы которого прочно удерживаются в составе системы вследствие существования у него гравитационного потенциала, то взаимодействие между зарядами будет происходить на уровне элементов, составляющих его поле. То есть, сторонних элементов, которые могут быть присоединены либо утрачены в зависимости от конкретных обстоятельств. Сам заряд при этом сохранится в неизменном виде, приобретя, либо потеряв какую-то часть кинетической энергии.

Для иллюстрации такого явления вполне подойдёт аналогия с пропеллером, вращение которого приводит в движения поток воздуха, состоящий из молекул различных газов - азота, кислорода, водорода, углекислоты и других. Вентилятор прочно закреплён на валу электромотора и является инициатором появления воздушного потока, независимо от плотности, температуры и влажности газовой среды. Он будет вращаться даже в безвоздушном пространстве, там, где плотность газов крайне низка. Соответственно, в плотной газовой среде вблизи пропеллера возникнет мощный поток воздуха, а в безвоздушном пространстве вся система будет работать вхолостую. В данной аналогии заряд - это пропеллер с моторчиком, а нагнетаемый им воздушный поток - электромагнитное поле заряда.

Условно бесконтактное взаимодействие заряда с другими зарядами, атомами и молекулами всегда происходит посредством электромагнитного поля.

Теперь представим, что тот же самый вентилятор мы немного видоизменили, добавили ему лопастей и вставили в турбореактивный двигатель, где таких пропеллеров уже несколько штук. Это уже другая, более мощная система, способная не только создать воздушный поток, но и поднять в небо пассажирский самолёт.

Для того чтобы отличие между полем и зарядом ещё более акцентировать, будет полезным дать такие определения:

Материальный объект - тот, что сохраняет свои основные физические характеристики на длительном промежутке времени.

Физический объект - некоторая пространственная конфигурация материальных объектов, имеющая определённую структуру строения вследствие существования определённых обстоятельств.

Подытожим:

Физический объект, называемый нами электромагнитным полем, своим существованием обязан Источнику, который его сформирует. Его поле целиком состоит из сторонних элементов "младшего" уровня размерности по отношению к элементам, составляющих сам заряд. В качестве первичного источника электромагнитного поля может выступить лишь заряд, зато вторичных мы знаем достаточно много - это и обычный магнит, и катушка из провода, по которой течёт электрический ток, и даже целая планета, вокруг которой существует сложное движение частиц, называемое Магнитным полем Земли.

Посмотрим ниже, как это может выглядеть:

а)

б)

Рис 7.

На первой картинке (рис. 7а) изображён пространственно ориентированный заряд, вокруг которого располагается его электромагнитное поле (концентрические линии зелёного цвета, образующие сферу). Следующая картинка (рис. 7б) - это уже изображение Магнитного поля Земли из школьного учебника физики. Вертикальная стрелка на первой картинке (рис. 7а) - направление магнитного потенциала заряда, на нижней картинке (рис. 7б) тоже изображены линии со трелками, указывая на расположение магнитных полюсов Земли. Сравнение этих двух изображений указывает не только на внешнее сходство, но и на общую функциональность, несмотря на серьёзные различия в размерах целой планеты и очень маленького электрического заряда.

Потенциалы электромагнитного поля

Чтобы закончить обсуждение электромагнитного поля, несколько слов о его потенциалах - электрическом и магнитном. Сначала о том, что мы понимаем под понятием Потенциал. В самом широком смысле это - возможность произвести какое-либо действие при возникновении определённых обстоятельств. Когда говорят, что у творческого человека высокий потенциал, подразумевается, что он способен на многое, но это вовсе не означает, что человек обязательно реализует свои таланты в реальности. К примеру, подающий надежды пианист может неудачно упасть и сломать руку. После того как кости срастутся, вряд ли мышцы и сухожилия будут столь же эластичными как и раньше, а значит, блестящая карьера в музыке для него под большим вопросом, но известным писателем или физиком-ядерщиком он вполне может стать.

То есть, под Потенциалом электромагнитного поля мы подразумеваем его возможность произвести какое-либо действие при соответствующих обстоятельствах. Наличие самого потенциала под сомнение не ставится, так как у заряда имеется некоторое количество собственной энергии, которая инициирует вокруг него электромагнитное поле, способное эту энергию использовать. Поскольку поле мы именуем электромагнитным, то оно обладает сразу двумя потенциалами - электрическим и магнитным. Конечно, имеется и третий потенциал - гравитационный, но его мы подробно обсудим в теме, целиком посвящённой гравитации.

Итак, каждый из потенциалов электромагнитного поля - магнитный и электрический, является прямым следствием характера движения частиц, составляющих заряд. Ранее мы условно разделили сложное трёхмерное движение элементов заряда на два типа движения - телесное и поперечное. Поскольку частицы поля получают энергию движения заряда, встраиваясь в общий "вторичный поток", то получится, что траектория их движения будет копировать рисунок перемещения элементов, составляющих сам заряд. То есть, электромагнитное поле также можно рассматривать как систему, обладающую двумя типами движения - телесным и поперечным. Соответственно, первый потенциал - магнитный, следствие поперечного вращения элементов, составляющих поле, а второй - электрический, результат их движения, совпадающей с самой фигурой вращения.

Смотрим ниже:

Рис. 8

Согласно Правилу трёх перпендикуляров, магнитный потенциал Ф строго перпендикулярен электрическому В, и если первый представляет собой вектор, то второй - это уже окружность. Соответственно, воздействуя на электромагнитное поле заряда фронтально вдоль прямой, совпадающей со стрелкой Ф, мы реализуем магнитный потенциал заряда, который будет выражаться притяжением либо отталкиванием взаимодействующих полей. Это назовём магнетизмом. Если же поле заряда будет взаимодействовать с окружностью - катушкой из провода либо кольцом, то реализуется его электрический потенциал В. Данное взаимодействие выразится в возникновении электрического тока в катушке либо в кольце из металла.

Важно также отметить, что при взаимодействии с электромагнитным полем одновременно может реализоваться лишь один потенциал - магнитный либо электрический, но не оба вместе, ведь разделение на два типа движения - телесное и поперечное - это условность, необходимая для упрощения логических построений. Поскольку направление перемещения элементов электромагнитного поля - это физически неразделимая совокупность двух типов движения, то одномоментно может реализоваться любой из двух потенциалов.

Теперь буквально несколько слов о третьем потенциале электромагнитного поля заряда - гравитационном. Нетрудно догадаться, что третий перпендикуляр по отношению к прямой и окружности - это точка, находящаяся в геометрическом центре фигуры вращения. Этот потенциал характеризует гравитационную массу заряда или его поля, и в самом общем смысле говорит об инерции системы. Практический смысл его в том, что именно он является характеристикой вещественности заряда или поля как системного объекта. Без воздействия гравитации никакой из потенциалов электромагнитного поля реализоваться не может.

Пример из электротехники:

До тех пор, пока магнит движется вдоль прямой, перпендикулярной катушке из провода, в цепи будет некоторый ток. Как только магнит остановится, ток пропадёт. То есть, для возникновения электрического тока в катушке магнит обязательно должен двигаться относительно её. Направление роли не играет, важен сам факт движения.

В этом и заключается действие гравитационного потенциала электромагнитного поля - он выражает общую массу системы как сумму масс всех участвующих в ней элементов. Соответственно, реализация гравитационного потенциала заряда возможна лишь в том случае, если на его электромагнитное поле воздействуют сразу два фактора - электричество и магнетизм.

Далее попробуем ответить на вопрос:

Почему современная наука считает, что типов заряда два?

Положительный или отрицательный?

По всей видимости, это просто устоявшееся мнение, которое никто всерьёз не подвергал сомнению в силу очевидности. А поскольку множество экспериментов указывает на то, что одни заряды притягиваются, а другие отталкиваются, то вывод напрашивается сам собой - типов заряда два. В данном случае работает логическое правило - самый простой ответ и является правильным. И не важно, что гипотеза о двух типах зарядов существует уже более трёх столетий, будто бы с тех пор человечество не узнало ничего нового.

Всё бы хорошо, но возникает совсем "неудобный" вопрос:

Почему отрицательных и положительных зарядов в любом месте, где бы они ни понадобились, всегда оказывается нужное количество?

Известно, что природа рациональна и никогда не усложняет сверх необходимости. Зачем создавать два идентичных элемента с противоположными свойствами, когда и один с этой задачей легко справится? Магнит - типичный пример, указывающий на существование такого природного сценария, при котором один объект обладает сразу двумя противоположными свойствами - притяжением и отталкиванием. Всё как в обычной жизни - с одним молодым человеком девушка с радостью пойдёт на вечеринку, а другого и на километр к себе не подпустит. Затем в Небесной Канцелярии что-то поменяется, и ненависть перерастёт в любовь...

Так ли нужен физике отрицательный заряд?

Окружающая природа пока не предоставила ни одного примера, указывающего на существование в ней такого физического понятия как - отрицательность. Любой материальный объект положителен по своей сути, как и все физические явления и процессы. К примеру, когда два автомобиля едут навстречу друг другу, вряд ли кто-то будет утверждать, что скорость одного из них отрицательна. Направление их движения по отношению друг к другу будет противоположным, встречным, но вовсе не "отрицательным". К тому же, магниты появились задолго до изобретения электричества, но почему-то до сих пор никто их полюса не называет "плюсом" и "минусом". Они либо "север" и "юг", либо по цвету маркировки - "красный" и "синий".

Теперь предыдущий вопрос сформулируем чуть иначе:

На основании какого физического принципа могут существовать "положительный" и "отрицательный" заряды?

Когда в учебнике физики мы видим кружок красного цвета с плюсом и синего с минусом внутри, то это очевидно и есть тот самый "визуальный образ заряда" - отрицательного или положительного. Подразумевается, что каждое тело обладает равным количеством зарядов противоположных знаков, но если потереть их друг о друга, то часть зарядов одного из знаков переместится. Почему так происходит, учебник не поясняет.

К такому утверждению имеется минимум два возражения:

Во-первых, разноимённые заряды притягиваются, что уже само по себе подразумевает их перемещение с одного тела на другое как минимум парами. Если же другое тело "более положительно" либо "более отрицательно", то оно притянет к себе заряды только противоположного знака и в том количестве, сколько нужно для создания "равновесия зарядов". То есть, у разноимённых зарядов нет никакой причины перемещаться куда-либо для увеличения положительного или отрицательного потенциала. Вероятность их слияния со своим "антиподом" на порядок выше, чем стремление что-то "зарядить". К тому же, разноимённые частицы при встрече друг с другом должны образовывать электрически нейтральный элемент - тот же нейтрон, который свойств притяжения и отталкивания не может иметь по определению. Об этом учебник нам тоже не сообщает ничего.

Во-вторых, утверждение о том, что может существовать "однополюсный элемент" или "однозаряженная" элементарная частица, не выдерживает никакой критики. Даже не важно, речь идёт об отрицательной частице или сугубо положительной. Во всяком случае, до нынешнего момента все попытки создания искусственного "однополюсника" так и не дали результата. Например, не существует магнита, который имел бы лишь один полюс или шарообразного конденсатора, внешняя поверхность которого была бы заряжена одним знаком, а находящаяся внутри, другим. Конечно, существуют математические модели, которые утверждают, что однополюсный магнит - практически у нас в руках, только нужно ещё немного поднапрячься. Увы, два типа заряда красиво выглядят лишь на страницах учебника.

Из всего вышеизложенного сделаем вывод, что существование двух типов зарядов-антиподов вряд ли возможно в реальности. Далее попробуем обосновать наличие у одного материального объекта сразу двух противоположных свойств - притяжения и отталкивания. То есть, по аналогии с обычным магнитом - с одной стороны заряд обладает свойством притяжения, с другой - отталкивает.

Чем "притягивающий" заряд отличается от "отталкивающего"?

Смотрим на следующий блок картинок:

а)

б)

Рис. 9

Очевидно, что здесь изображены вовсе не разные объекты, а один и тот же в двух вариантах - первый (рис. 9а) по отношению ко второму (рис. 9б) развёрнут на 180 градусов, о чём свидетельствует направление их вращения - телесного и поперечного. Используя классическую терминологию, один из зарядов мы можем смело называть "положительным", другой - "отрицательным". Отсюда следующая формулировка:

Положительность и отрицательность электрических зарядов возникает вследствие их взаимной ориентации в Пространстве по отношению друг к другу и к другим материальным объектам.

Собственно, это и есть ответ на вопрос их появления в нужном месте в необходимом количестве, ведь "сортировкой зарядов по знаку" займутся сами взаимодействующие тела - на пластиковой расчёске скопятся заряды одного "знака", а на листочках бумаги другого. Согласно существующей в данном размышлении терминологии, любой диэлектрик обладает той или иной поляризацией, которая как раз и отвечает за их способность присоединять к себе заряды тем или иным "полюсом". Все электростатические эффекты основаны именно на этом свойстве диэлектриков. Проводники электрического тока поляризацией не обладают. Соответственно, о существовании поляризации у полупроводников можно говорить лишь предметно, в зависимости от выбора материала, значений температуры, давления, степени его электризации и так далее....

Почему бы всем зарядам не примагнититься друг к другу?

Если бы во Вселенной существовали только заряды, то вероятно, так действительно могло бы произойти - все они соединились бы друг с другом, образовав грандиозный зарядный кластер, заполнив собой всё Пространство. К счастью, кроме зарядов в природе существует масса других элементов - атомы, молекулы, кластеры и системы. К тому же, разновидностей самих зарядов довольно много, а значит, и размеры их тоже сильно отличаются. Способность к соединению в большие кластеры или потоки возникает лишь тогда, когда в определенном месте скапливается значительное количество зарядов близких по форме и размерам. Как мы выяснили ранее, электрический заряд больше похож на бублик, а световой на сферу, поэтому, даже имея близкие размеры, они не смогли бы образовать кластер. Тем более, у фотона (светового заряда) магнитные свойства настолько слабы, что такие заряды вообще не склонны к образованию каких-либо связанных структур, в то время как для электрического заряда магнетизм - это норма.

Далее несколько картинок, иллюстрирующих притяжение и отталкивание электрических зарядов:

а)

б)

Рис. 10

Сначала рассмотрим случай с притяжением электрических зарядов. На верхней картинке (рис. 10а) два заряда, близких по размером, направления вращения которых совпадают - осевое и поперечное, вследствие чего их электромагнитные поля сливаются в одно общее, которое удваивается по напряжённости. А поскольку поле одно, то и гравитационный центр у него тоже один. Несмотря на возникшее единодушие, сами заряды слиться друг с другом никак не смогут, так как при уменьшении расстояния вдруг окажется, что их поперечное вращение всё-таки встречное. То есть, пока они находятся на расстоянии, их вращение попутное, и все сторонние элементы, вовлечённые в общий процесс, движутся так, будто бы заряд один. Но когда расстояние между зарядами значительно уменьшается, траектории движения их собственных элементов становятся встречными, вследствие чего возникает непреодолимый барьер, препятствующий слиянию зарядов в один. Красные стрелки на нижней картинке (рис. 10б) показывают наличие некоторой минимальной дистанции для взаимного расположения зарядов.

В механике такая схема выглядит как ремённая передача. В данном случае общее электромагнитное поле двух зарядов исполняет роль ремня, который удерживает два шкива в жёсткой связке, но не мешает им вращаться в одном направлении. Если мы уменьшим расстояние между шкивами так, что они начнут задевать друг об друга, то система утратит работоспособность вследствие встречного вращения шкивов.

Рис. 11

Следующая картинка (рис. 11) показывает, что понятие "близкие размеры" - в достаточной мере условно. К примеру, отличие пространственных габаритов зарядов даже в 2 раза не станет особым препятствием для образования между ними кластера. Как и в предыдущем случае, общее электромагнитное поле увеличится, но слияния двух зарядов в один всё равно не произойдёт. Также следует отметить, что для возникновения эффекта притяжения, дистанция между зарядами должна быть достаточно короткой для того, чтобы произошло слияние их электромагнитных полей. То есть, эффект притяжения возникает лишь с определённой дистанции, и чем она короче, тем сильнее его проявление.

Физика отталкивания зарядов хотя и выглядит как полная противоположность притяжению, но это вполне самостоятельный процесс. Все те, кто экспериментировал с магнитами, могли заметить, что невозможно выбрать какую-то конкретную дистанцию между двумя магнитами, ближе которой они начинают притягиваться. Дело в том, что в основе притяжения лежит принцип объединения двух полей в одно, и этот процесс зависит от такого числа переменных величин, что их расчёт становится просто невозможным. То есть, момент слияния двух полей в одно всегда происходит спонтанно, поэтому и не может быть описан какой-то стандартной формулой или графиком.

Динамика отталкивания всегда основана на противодействии электромагнитных полей, независимо от расстояния между взаимодействующими объектами, поэтому она легко прогнозируема на всех этапах сближения. Для отталкивания совсем нетрудно построить график зависимости силы от расстояния, который будет справедлив и для других магнитов с близкими параметрами.

Это значит, что "магнитную левитацию" на свойстве отталкивания магнитов можно организовать даже в самых кустарных условиях, а с использованием эффекта притяжения - не получится, как ни старайся.

Смотрим на картинку:

Рис. 12

Здесь мы видим (рис. 12) два заряда, вращение которых в поперечной плоскости взаимно встречное. Красные окружности отмечают примерное расположение электромагнитного поля для каждого заряда. Поскольку движение элементов встречное, то и их поля тоже будут противодействовать друг другу. Чем ближе расстояние, тем больше элементов участвует во взаимодействии, а значит, и сопротивление будет возрастать.

Пожалуй, дополнительные пояснения здесь излишни.

Далее ещё пара картинок, иллюстрирующих возможные варианты взаимодействия зарядов разного размера:

Рис. 13

Рис. 14

Собственно, последние две картинки отвечают на вопрос, почему все заряды во Вселенной не могут соединиться в единый кластер. Для этого следует их упорядочить не только по размеру, рассортировав каким-то образом, но и развернуть "правильной стороной". Поляризованный диэлектрик на это отчасти способен, а сами заряды - нет. Именно поэтому пластиковая расчёска притягивает кусочки бумаги, но для этого её требуется потереть о другой диэлектрик, как раз для того, чтобы рассортировать заряды, развернув нужной стороной, что позволит значительно усилить общее электромагнитное поле каждого из диэлектриков. Оно и будет взаимодействовать с листочками бумаги на расстоянии в несколько сантиметров. Окунув расчёску в воду или обернув металлической фольгой, мы разрушим поле, так как электрические заряды потеряют чёткую ориентацию в Пространстве, вновь став самостоятельными материальными объектами, не связанными друг с другом никакими "обязательствами".

Солнце - это заряд?

Чтобы наше построение не выглядело вольной фантазией, обсудим ближайший аналог электрического заряда в природе с использованием метода масштабирования, подтвердив тем самым право на существование и такой необычной модели. Поскольку современные возможности человечества пока не позволяют заглянуть в микромир столь глубоко, обратим взор на объекты глобального масштаба. Итак...

Рассмотрим знакомую нам с детства Солнечную систему с центральной звездой в центре. Ниже картинка из школьного учебника для четвёртого класса:

Рис. 15

На картинке выше (рис. 15) мы видим систему элементов со звездой в геометрическом центре и планетами, располагающимися в плоскости эклиптики. Ранее мы уже отмечали, что Солнце - типичный заряд. Интересно, что взаимного притяжения между планетами не наблюдается, но все они почему-то явно "тяготеют" к Солнцу. Если любая звезда - действительно чем-то похожа на электрический заряд, то согласно Правилу трёх перпендикуляров магнитный потенциал Солнца должен быть направлен строго перпендикулярно плоскости эклиптики, ведь вся система тоже движется относительно центра галактики, и магнитный потенциал Ф в какой-то мере можно назвать тем "мотором", благодаря которому всё это и происходит. С высокой степенью вероятности можно предположить также, что все планетарные системы в галактике имеют схожие "углы наклона" по отношению к центру галактики и движутся в тех же направлениях, что и Солнечная система. Для подтверждения этой идеи стоит обратиться к астрономам, ведь они в данной теме обладают наибольшей компетенцией.

Сравнение Солнца с зарядом позволяет также ответить на вопрос расположения всех планет в плоскости эклиптики. Отсутствие взаимного тяготения между планетами объясняется довольно просто - главный источник энергии солнечной системы - это само Солнце, поэтому выбор очевиден. Единственная причина, по которой планеты не разлетаются по Вселенной кто куда - их постоянная потребность в энергии. Они как ночные мотыльки тянутся к солнечному излучению, которое распространяется в плоскости, точно также, как электрический потенциал В у заряда. Синий круг на картинке (рис. 8) - это и есть плоскость эклиптики, где электрические свойства электромагнитного поля максимально выражены. Изменился лишь масштаб участников - электрический заряд очень маленький, а Солнце наоборот - имеет грандиозные размеры, при этом природный Сценарий остался прежним. Это значит, что планеты получают от центральной звезды электричество в том виде, которое соответствует их масштабу, а магнитный потенциал их стремится развернуть перпендикулярно к плоскости эклиптики. Как раз так, чтобы взаимодействие между электромагнитным полем Солнца и Магнитным полем Земли происходило лишь с использованием электрического потенциала. И вращаются планеты вокруг собственных осей как раз для того, чтобы электрический потенциал Солнца, представляющий собой окружность, "выпрямить" в прямолинейный энергетический поток. Всё как в обычной жизни - длинную нитку удобнее хранить в клубке или на катушке, а когда она нам понадобится, клубок можно размотать.

Из учебника физики мы знаем, что 99,9% массы Солнечной системы приходится на её центральную звезду. Утверждение может показаться не слишком очевидным, если учитывать размеры планет и их расстояние от звезды. Тем не менее, ранее по тексту было отмечено, что гравитационная масса системы подвижных элементов, составляющих электрический заряд или Солнце, располагается как раз в геометрическом центре системы. В этом и состоит главное свойство гравитационного потенциала - суммировать массу всех подвижных элементов системы, представляя её как единое целое. То есть, это не само Солнце имеет столь грандиозную массу, равную массе Солнечной системы, оно лишь находится в том месте, где гравитационная масса максимально сосредоточена. Окажись на этом месте маленький Плутон, пришлось бы ему приписать всю массу Солнечной системы. Вспомним известную притчу об океанах и морях, которые ничего не стоят без рек и ручьёв, наполняющих их водой. Несмотря на "выдающиеся размеры и способности" самого Солнца, все участники общей динамической системы - планеты, астероиды, большие и маленькие, а также космическая пыль и всевозможные газы участвуют в формировании как физической массы Солнечной системы, равномерно распределённой по общему объёму, так и гравитационной, расположенной в её геометрическом центре.

Чёрные Дыры - что это такое?

Нелишне также вкратце обсудить космический феномен, который астрономы называют Чёрными Дырами. Утверждается, что в центре каждой из галактик обнаружены странные объекты, представляющие собой воронки. Вспомним, что в самом начале размышления о заряде, мы предположили его физическую форму в виде тороида, тяготеющего к форме сферы. Предлагался такой его "образ":

Рис. 16

А теперь акцентируем внимание на его "центральном стволе":

Рис. 17

Вот она - Чёрная Дыра во всём своём великолепии! То есть, ничего такого, что мы могли бы назвать нереальным и фантастическим, ведь это "центральный ствол" любого заряда, в геометрическом центре которого как раз и сосредоточена вся его гравитационная масса. Очевидно, что физики и математики каким-то образом сумели обнаружить "феномен избытка массы" в таком образовании, но предоставить адекватное объяснение ему не смогли, потому и возникло столько мистики вокруг Чёрных Дыр, вплоть до искривления пространства и времени. Материалистический взгляд на структуру строения Вселенной отрицает любые манипуляции с нематериальными - Пространством и Временем, а потому существует сугубо "механическое" объяснение такой спиралевидной структуры, не требующее никаких "экстремальных предположений".

Современная наука почему-то считает, что массивные объекты, падая в "жерло" Чёрной Дыры исчезают там безвозвратно. Оставим это утверждение на совести впечатлительных исследователей, памятуя о Законе сохранения массы, одном из главных в нашей Вселенной. Согласно ему, если что-то в Чёрную Дыру "случайно упало", то оно обязательно из неё "выпадет" с противоположной стороны в неизменном (с точки зрения массы) виде. То есть - никаких парадоксов близнецов, путешествий во времени и прочей фантастики.

Глава 2. Атом, Молекула, Кластер

Общеизвестно, что все предметы в нашем мире состоят из атомов и молекул. Их строение изучается в школе на примере модели Бора-Резерфорда, но для науки она не является базовой, так как основывается на нескольких допущениях, именуемых Постулатами, которые плохо согласуются с механикой и электродинамикой. На данный момент действующей считается Квантовая теория, и она действительно справляется с объяснением практически всех физических явлений, перед которыми теория Бора-Резерфорда спасовала. Однако методы, которыми это достигается, выглядят несколько сомнительно с точки зрения материалистического восприятия окружающего мира.

Предлагается иной взгляд на строение атомов и молекул, целиком основанный на механических принципах взаимодействия материальных объектов.

Опираясь на удивительную тягу Материи к разнообразию своих форм и проявлений, далее по тексту под термином "Атом" мы в большей мере будем понимать определённую физическую структуру, а не какой-то конкретный материальный объект. Такой подход позволит несколько шире взглянуть на Мироздание, не ограничиваясь лишь объектами микромира. К тому же, давно замечено, что малые, большие и глобальные структуры довольно часто имеют много общего, что впрямую указывает на существование общих природных Сценариев, где главную роль играют форма, внутренняя организация, определённые свойства, но при этом, фактический размер объекта не имеет принципиального значения.

Наиболее простая формулировка для интересующего нас объекта будет выглядеть следующим образом:

Атом - материальный объект, состоящий из ядра и оболочки.

Прежде чем начать обсуждение, немного отвлечёмся и обсудим интересный феномен, на который в повседневной жизни мы натыкаемся буквально на каждом шагу. А именно:

Сходство строения различных природных объектов

Даже самое полное исследование не позволит выявить все материальные тела, имеющие схожее строение, ведь мы имеем дело с природной закономерностью, которая распространяется буквально на все иерархические уровни Мироздания, поэтому ограничимся лишь несколькими объектами, в той или иной степени соответствующими данному определению. Итак...

Начнём с микромира, выбирая масштаб предельный для современных методов регистрации сверхмалых объектов. На данный момент удалось получить изображение лишь атома водорода, так как он самый крупный "участник" периодической системы элементов, притом его масса наименьшая в сравнении со всеми остальными атомами. Собственно, в этом и состоит суть периодического закона, открытого Менделеевым - с ростом массы атома его физические размеры уменьшаются. Но, об этом несколько позже...

Рис. 18

Несмотря на довольно низкое разрешение существующей фотографии (рис. 18), предлагаемая картинка вполне способна показать, что атом водорода состоит из значительно большего числа элементов, нежели из двух - протона и электрона. То есть, модель Резерфорда-Бора не имеет под собой достаточных оснований, что и доказано инструментально.

Чуть изменим масштаб, и обратим взор на объекты, относящиеся к следующей "ступеньке размерности".

а)

б)

Рис. 19

На первой картинке (рис. 19а) мы видим животную клетку, на второй (рис.19б) растительную.

Движемся дальше:

Рис. 20

Даже обычное куриное яйцо (рис. 20) имеет с предыдущими объектами много общего.

Следующий масштаб на нашей условной "иерархической лестнице" - космические объекты.

Планета Земля в школьном учебнике природоведения изображается примерно таким образом:

Рис. 21

Подведём предварительный итог:

Все предложенные выше картинки наглядно иллюстрируют существование в нашей Вселенной единой модели, на которую ориентируется природа при создании различных материальных объектов вне зависимости от выбранного масштаба. Собственно, даже этих примеров достаточно для того, чтобы признать существование некоей природной закономерности, которой руководствуется Мироздание при создании различных материальных объектов, независимо от их пространственных габаритов. Соответственно, далее Атом мы будем рассматривать в качестве некой общей структуры для подавляющего большинства природных объектов, и если некоторые из них мы назовём так, как это принято в учебнике физики или химии, то лишь из уважения к сложившейся в науке традиции.

Согласно предлагаемой концепции, атом железа из периодической таблицы химических элементов и планета Земля принципиально мало чем отличаются, разве что размерами. Естественно, при условии, что в дальнейших рассуждениях мы будем опираться на атомистическую теорию, в былые времена довольно популярную среди таких мыслителей как Демокрит, Платон и Аристотель. Все они считали атом твёрдым телом, что в корне расходится с традиционными представлениями о строении вещества. Конечно, сейчас подобного рода утверждения могут вызвать лишь кривую усмешку, тем не менее, попытаемся найти в этих воззрениях некое рациональное зерно. А вдруг учёные древности были более близки к реальности, нежели наши современники? Вспомним изречение, приписываемое одному из ярых сторонников модели твёрдого атома, а именно - Платону:

Безумец, упорствующий в своём безумии, однажды может оказаться провидцем.

Итак, начинаем...

Модель "твёрдого" атома

Далее речь пойдёт о материальном объекте, в котором нет ни протонов, ни электронов, а есть ядро, элементы которого пребывают в вечном движении, и прочная оболочка, находящаяся снаружи ядра. Если элементы ядра движутся по своим замкнутым орбитам безостановочно, то элементы оболочки прочно сцеплены друг с другом, создавая барьер, не позволяющий ядру атома освободиться из клетки, в которую оно заключено самой природой. То есть, строение атома можно свести к простой механической конструкции - снаружи оболочка, а внутри - ядро.

Ядро любого атома - это подвижная физическая структура, по строению и свойствам аналогичная заряду. То есть, атом - это заряд, уложенный в своеобразный футляр, называемый оболочкой.

Её функции таковы:

Первая - удержание энергетически активного ядра во внутреннем пространстве атома, что само по себе является довольно непростой задачей.

Вторая - противодействие любому внешнему воздействию, способному повредить целостность атома. При этом следует особо отметить, что оболочка атома не препятствует проникновению внутрь объектов, относящихся к "младшему" уровню размерности, из которых, в конечном счёте, и формируется его электромагнитное поле. Именно оно позволяет атомам взаимодействовать с зарядами и друг с другом дистанционно. Пожалуй, это главное отличие атома от молекулы, в которой два и более атомов образуют прочную структуру, основанную на непосредственном механическом контакте их оболочек. О молекулах чуть позже...

Итак, основные свойства атома - очень высокая механическая прочность, а также, обладание огромной "внутренней" энергией, ведь в роли ядра атома выступает самый обычный заряд, по своей сути являющийся энергией в самом широком толковании этого термина. И всё же, несмотря на обладание такой мощной "внутренней батарейкой" внутри себя, атом не может распоряжаться своей энергией так же легко, как это дозволено заряду. По сути, это и есть та самая плата за твёрдость и прочность. К тому же, при схожих пространственных габаритах и примерно равной энергетике, масса атома будет на порядок выше массы заряда, а значит, и его инертность. Другими словами, всю внутреннюю энергию атома мы можем считать потенциальной, тогда как энергия схожего по размерам заряда будет целиком кинетической. Вспомним, что кинетическая энергия может легко отдаваться и приниматься телом, а изменение потенциальной происходит лишь путём восполнения либо утраты некоторой физической части объекта, то есть, его массы.

Отсюда следующий вывод:

Атом способен участвовать в любых силовых взаимодействиях с другими природными объектами, при этом расходует только ту энергию, которую получает извне. Энергия ядра атома может быть использована лишь в случае его физического разрушения.

Для химических элементов, обладающих наивысшей плотностью ядра, называемых радиоактивными, существует возможность утраты части своей массы без физического разрушения самого атома. Этот эффект в самом общем смысле именуется распадом. Тем не менее, в физике принят другой термин - полураспад, то есть, утрата лишь некоторой части массы химического элемента, что автоматически изменяет его расположение в периодической таблице. То есть, по прошествии некоторого времени атом одного элемента может изменить свой порядковый (атомный) номер и стать другим элементом. Ядерный реактор позволяет значительно ускорить естественный природный процесс. В результате Плутоний Pu с атомным весом 94 становится Ураном U, занимающим ячейку периодической таблицы под номером 92. В каком-то смысле радиоактивные элементы можно сравнить с дырявым ведром, вода из которых вытекает самопроизвольно. Но даже этот "недостаток" можно использовать, к примеру, для получения тепла или электричества.

Прежде чем продолжить, сделаем небольшое лирическое отступление.

Обычно атом мы представляем чем-то очень маленьким и незначительным. И это действительно так, если целиком полагаться на знания, полученные нами в школе. Но принцип иерархической структуры строения Вселенной постулирует равноценность всех существующих в ней уровней масштабности. Мысленно переместившись в "младший" уровень Мироздания, мы с удивлением обнаружим, что атом - это целая галактика со своими звёздами, планетами, диковинными существами и монстрами, ведь жизнь - неотъемлемая составляющая Материи. Может показаться, что "человек разумный" - венец творения и вершина природной инженерии, а значит, ничего более совершенного в окружающем мире быть не может. Интересно узнать, что думают о человеке многочисленные микроорганизмы - вирусы и бактерии, живущие внутри него. Считают ли они среду своего обитания чем-то совершенным и неповторимым? Всё-таки, для своего масштабного уровня, строение даже очень маленького микроба может оказаться ничуть не менее сложным и разнообразным. Можно ли утверждать уверенно, что бактерии и вирусы не имеют возможности общаться друг с другом о сущности бытия и бренности существования. Возможно, человек для них столь же неразумен, как придорожный булыжник. А что если и камень тоже живёт своим неторопливым кремнийорганическим бытом - с мечтами, помыслами и свершениями? И проходящий мимо человек для него подобен стремительно пролетевшей мухе...

Довольно лирики, вернёмся к физике.

Пришло время дать ещё одну полезную формулировку:

Атом - минимальный элемент вещества, несущий все его признаки и свойства, состоящий из оболочки и ядра, по структуре строения схожего с зарядом.

То есть, атом в полной мере можно считать наименьшим материальным объектом любого рассматриваемого масштабного уровня. Для элементов, входящих в периодическую таблицу, условной границей размерности будет предел технологических возможностей человека к регистрации и наблюдению объектов сверхмалого размера. То есть, на каждой "ступени размерности" мы легко обнаружим атом и заряд, разве что названия у них будут несколько иные - животная или растительная клетка, фотон, планета, звезда и так далее.

Строение атома

Наиболее наглядная физическая модель, иллюстрирующая устройство атома - обычный шариковый подшипник. У него обязательно имеются две обоймы - внутренняя и наружная, которые могут вращаться друг относительно друга без заметного сопротивления благодаря шарикам, находящимся между ними.

Рис. 22

В атоме любого химического элемента тоже есть "внешняя обойма" - оболочка, и "внутренняя" - ядро. В качестве шариков выступят "сторонние элементы", которые могут заполнить всё свободное от ядра внутреннее пространство атома, а также наружное, формируя его электромагнитное поле. Подшипники, как и атомы, могут быть каких угодно размеров - от миниатюрных до грандиозных. Это утверждение в полной мере согласуется с принципом масштабирования, являющимся для природы главенствующим. Одна проблема - разобрать подшипник на составные части можно без особых трудностей, в то время как с атомом такую манипуляцию совершить совсем непросто. Пожалуй, это единственное серьёзное отличие атома от подшипника, в остальном они имеют много общего.

Собственно, по строению атома добавить особо нечего, поскольку ядро атома - это заряд, о котором сказано уже довольно много в предыдущей главе, а его оболочка состоит из атомов "младшего" уровня размерности, соединённых друг с другом ядерной связью, которую мы обсудим несколько позже.

Для лучшей визуализации атома представим, что в роли его ядра выступит воздушный шарик, воздух внутри него - элементы, формирующие ядро атома, а сетка с крупной ячейкой - это его оболочка. Если мы надуем шарик, находящийся внутри сетчатой авоськи, то очень скоро резина упрётся в естественное ограничение нитей, из которых сплетена сеть. Продолжая надувать шарик, мы заметим, что в отдельных местах он начнёт выступать за пределы сетки, и от дальнейшего расширения его будут сдерживать только соединения между узлами и прочность самой нити. Если резина, из которой изготовлен шарик, достаточно эластична, а ячея сетки крупная, то ещё сильнее надувая шарик, мы получим довольно необычной формы фигуру, в которой резиновый шарик будет находиться и внутри сетчатой авоськи и снаружи её одновременно. Собственно, это и будет иллюстрацией существования электромагнитного поля у атома, инициатором которого выступает атомное ядро. Размеры поля, выступающего за пределы атома, зависят не только от плотности его ядра, но и от свойств элементов, составляющих оболочку атома.

Теперь, то же самое, но на более крупном масштабе:

Рис. 23

На картинке выше (рис. 23) изображена атмосферная карта Земли. Как уже было отмечено ранее, наша планета - это типичный атом металла, у которого очень плотное ядро, а значит, и довольно мощное электромагнитное поле. Заметим также, что напряжённость этого поля чётко коррелирует с плотностью атмосферы - чем дальше от поверхности, тем слабее. И это вовсе не случайное совпадение, а самая настоящая взаимосвязь. Соответственно, ветра на Земле дуют вовсе не куда попало, а в строгом соответствии с "рисунком" электромагнитного поля нашей планеты. Также отметим, что атмосферные газы циркулируют не только вблизи поверхности земли, но и глубоко внутри планеты, где происходит синтез различных химических соединений - неорганических, таких как обычная вода, и более сложных органических, к примеру - углеводородов.

То есть, на этой "масштабной ступеньке" атмосферные газы выступают в роли "сторонних элементов" для электромагнитного поля Земли, инициирующего формации "старших" размерностей - циклоны и антициклоны.

Классификация атомов

Периодическая таблица чётко делит все элементы на две основные группы - металлы и неметаллы, к которым также относятся простые газы. Принадлежность инертных газов к той или иной группе мы рассмотрим чуть позже.

Так случилось, что металлов в природе большинство, неметаллов значительно меньше, а чтобы сосчитать все известные газы, достаточно пальцев на руках. Такая классификация представляется удобной, но она актуальна лишь для условий, существующих на Земле, где температура и давление достаточно стабильно держатся в неких стандартных рамках. Стоит изменить эти параметры, и металл станет газом, а жидкое вещество - твёрдым. К примеру, железо можно разогреть до такой температуры, при которой оно перейдёт в газообразное состояние. Ртуть в обычных условиях жидкая, но при температуре ниже минус 39 градусов Цельсия - это уже твёрдый металл. Обычное стекло, преимущественно состоящее из оксида кремния, сохраняет свою текучесть даже при минусовых температурах, при этом оно твёрдое на ощупь.

Следует также заметить, что термин "газ" в науке не имеет однозначной трактовки. В одном случае - это группа химических элементов со схожими свойствами, в другом - агрегатное состояние практически любого участника периодической таблицы, находящегося в определённых условиях.

Поскольку агрегатное состояние вещества целиком зависит от внешних факторов и к самому атому имеет отношение лишь косвенное, далее предлагается несколько иная система классификации, где главным определяющим признаком будет соотношение плотности ядра атома к физическим размерам его оболочки.

Предлагается такая схема:

Рис. 24

На этой картинке (рис. 24) изображена "принципиальная схема" атома, справедливая для любого химического вещества из периодической таблицы. В центре располагается ядро (окружность зелёного цвета), снаружи его находится оболочка (синего цвета). Очевидно, что предложенная выше схема требует дополнительных построений, ведь о свойствах такого "среднестатистического" атома можно лишь догадываться. Для повышения информативности введём специальный "маркер", который на картинке будет отмечаться красным пунктиром. Смотрим, как это выглядит:

а)

б)

в)

г)

Рис. 25

Благодаря красной пунктирной линии мы сможем отличать металл (рис. 25а) от неметалла (рис. 25б). Несколько иначе обозначим простые газы (рис. 25в), учитывая при этом, что они также относятся к неметаллам. То есть, "красная линия" останется внутри оболочки, но её мы расположим несколько ближе к центру, тем самым определив газы в самостоятельную подкатегорию. Отметим также особый класс веществ, которые сочетают в себе свойства металлов и неметаллов (рис. 25г). В радиотехнике их называют полупроводниками. Этот группу элементов мы подробно рассмотрим в теме, посвящённой электротехнике.

Зачем нужна эта линия?

Расположение красного пунктира относительно двух окружностей - ядра и оболочки, указывает на величину собственного электромагнитного поля у атома. Тем не менее, в силу значительного изменения его напряжённости по мере удаления от ядра, само поле довольно сложно отметить какой-либо одной линией, поэтому будем довольствоваться неким "средним значением", которое назовём активной зоной ядра. Такое словосочетание вовсе не претендует на почётное звание физического термина, это лишь "маркер", указывающий на степень активности собственного электромагнитного поля атома.

Отметим также, что новый "маркер" несёт в себе ещё две полезные функции. Первая - указание на степень заполнения внутреннего пространства атома элементами, составляющими ядро. Чем ближе к ядру (зелёная окружность) находится эта линия, тем меньше плотность всего атома. Вторая функция - обозначение границы, далее которой деформация оболочки атома при взаимодействии его с другими атомами невозможна, либо в значительной мере затруднена. Несмотря на то, что оболочка любого атома достаточно прочная, у некоторых типов атомов она способна деформироваться при внешнем воздействии. Последнее утверждение главным образом касается атомов простых газов, ядра которых имеют сравнительно невысокую плотность в сравнении с ядрами металлов, особенно тех, что относятся к "железной группе". Её мы обсудим достаточно подробно, но чуть позже. Продолжаем классифицировать...

Несмотря на то, что любой материальный объект во Вселенной - единственный и неповторимый, схожесть по множеству признаков, включая физический размер, в рамках развиваемой концепции указывает на принадлежность отдельного элемента к группе подобных ему объектов с присвоением общего для всех названия и собственной ячейки в периодической таблице. Здесь будет уместным сравнение со школой, в которой обучаются разные по возрасту дети, со своими интересами и пристрастиями. Пока они резвятся на школьном дворе во время перемены, определение их принадлежности к тому или иному классу - задача крайне непростая, но стоит прозвенеть звонку, как уже через несколько минут каждый будет находиться на своём месте. Если это общеобразовательная школа, то главный критерий - возраст ученика, в музыкальной школе - игра на каком-либо инструменте, в спортивной школе - специализация по виду спорта, возрасту и физическим данным. При этом двух абсолютно одинаковых людей вы там не встретите, несмотря на то, что принадлежность к группе, классу или секции будет вполне определённой. Та же ситуация и с атомами - общее "имя" в таблице элементов вовсе не говорит об их полной идентичности, оно лишь указывает на принадлежность к тому или иному "классу веществ", указывая на определённую схожесть их строения, формы или наличия у них каких-либо общих свойств.

Движемся дальше.

Как уже отмечено ранее, при взаимодействии с другими элементами оболочка атома может подвергаться деформации, порой довольно значительной. Степень её "эластичности" как раз и определяет "красная линия", далее которой изменение формы оболочки затруднено, ведь там располагаются подвижные элементы ядра. То есть, твёрдость или эластичность оболочки атома впрямую зависит от плотности его ядра. Наиболее твёрдая оболочка у атомов металлов, у неметалла ядро менее плотное, поэтому внутреннее давление внутри такого атома не слишком высокое, что позволяет оболочке упруго реагировать на внешнее воздействие. В атоме простого газа ядро располагается вполне свободно, поэтому его оболочка очень эластична, а сам атом охотно участвует в различных взаимодействиях - физических и химических.

Отметим также, что энергия любого атома практически целиком сосредоточена в его ядре, ровно в той же степени, как и в Солнечной системе, где на долю Солнца в общем "энергобалансе" приходится более 99,9% процентов всей энергии Солнечной системы. Поскольку под энергией мы понимаем любой из вариантов подвижности, то будет вполне логичным предположение о том, что элементы ядра атома перемещаются с запредельными скоростями без возможности покинуть его внутреннее пространство по собственной инициативе.

И всё же, атом нельзя в полной мере назвать "замкнутой системой". Конечно, его оболочка достаточно прочна, чтобы удерживать элементы ядра внутри себя, но она не может препятствовать проникновению внутрь атома различных "сторонних элементов", формирующих его электромагнитное поле. Некоторые из них вольются в общий круговорот, увеличивая или наоборот, снижая энергию ядра. Другие займут нейтральную позицию между ядром и оболочкой, тем самым внося посильную лепту в физическую массу атома. Третьи, едва попав внутрь, тут же устремятся наружу. Похожий процесс наблюдается в животной и растительной клетке. Роль "сторонних элементов" на себя берут различные питательные вещества, необходимые для организма либо растения. Они без особого труда проникают внутрь клетки и так же легко её покидают. Как и в случае с атомом, питательные вещества не являются частью организма, они - гости, приходящие и уходящие, выполнив ту или иную миссию.

Переходим к следующему участнику "иерархии форм":

Молекула

Для начала заглянем в учебник и посмотрим, что под этим термином подразумевает современная наука:

Молекула - мельчайшая частица вещества, имеющая все его основные химические свойства.

Теперь сравним с тем, что учебник говорит об атоме:

Атом - наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Нетрудно заметить, что обе формулировки идентичны по смыслу, отличие лишь в используемых словах. Отсюда и тождественность таких понятий как - одноатомная молекула и атом. Для исключения путаницы в дальнейших рассуждениях, предлагается более конкретное определение:

Молекула - физический объект, состоящий из атомов, соединённых оболочками.

То есть, молекула - это комплексный объект, состоящий из нескольких атомов, оболочки которых находятся в непосредственном контакте. Одноатомные молекулы далее по тексту не обсуждаем, чтобы не создавать излишней терминологической путаницы.

Все металлы таблицы химических элементов и подавляющее число неметаллов одноатомны. То есть, с подобными себе атомами они не могут создать молекулу, соединившись в единый физический объект. Во всяком случае, в условиях, которые принято называть нормальными. Главная проблема в твёрдости оболочек, не способных к деформации, а это как раз и является необходимым условием для создания молекулы. К счастью, в природе существуют элементы, позволяющие соединять самые различные атомы в единое целое.

Простые газы

Рассмотрим подробнее группу химических веществ, которую именуют простыми газами. Их в периодической таблице всего пять - водород, азот, кислород, фтор и хлор. Сюда же причислим галогены, добавив к фтору и хлору - бром, йод и астат. Всем этим элементам Мироздание "поручило" особую роль, о которой будет сказано ниже.

а)

б)

Рис. 26

На первой картинке (рис. 26а) мы видим "принципиальную схему" типичного неметалла, также годящуюся для любого "неблагородного" газа и галогена из периодической таблицы химических элементов. Руководствуясь уже названными правилами схематичного отображения атомов, мы видим, что плотность таких ядер невысока, так как от оболочки (синяя линия) до границы ядра (красный пунктир) ещё достаточно много места. Соответственно, при взаимодействии двух таких атомов возможна деформация их оболочек. Другое следствие низкой плотности элементов - форма их ядра, близка к тороидальной. Это означает, что магнитные свойства каждого такого атома проявляются ярче, нежели у металлов и неметаллов, ядра которых тяготеют к форме сферы. Виновна в этом всё та же плотность ядра, и ему ничего не остаётся, как принять форму оболочки, которая по определению более сферична. Когда ядро чувствует себя вполне свободно внутри оболочки, оно принимает тороидальную форму, типичную для заряда. Вполне естественно, что у ядра, имеющего форму бублика, оба потенциала - магнитный и электрический выражены более явно, нежели у сферичного, а значит, его магнитные свойства проявятся ярче. Другими словами, атомы с менее плотным ядром склонны проявлять свойства притяжения и отталкивания, независимо от напряжённости их собственного электромагнитного поля. Естественно, для объединения двух таких атомов в молекулу дистанция между ними должна быть достаточно короткой. Это может быть достигнуто двумя способами. Во-первых, можно увеличить давление, что естественным образом сблизит два атома. Повышение температуры приведёт к схожему результату, поскольку оно заставит элементы ядер увеличить скорость движения, что повысит напряжённость электромагнитных полей взаимодействующих атомов. И в том и другом случае атомам проще образовать молекулу.

Подведём предварительный итог:

Несмотря на то, что электромагнитное поле простых газов заметно слабее, нежели у металлов, их магнитные и электрические свойства наоборот, проявляются ярче вследствие более чёткой ориентации в пространстве магнитного и электрического потенциалов. Нечто подобное наблюдается у обычных магнитов, когда большего размера шарообразный магнит притягивает и отталкивает хуже, чем меньший по размеру, но выполненный в виде цилиндра или параллелепипеда. В материальном мире форма предмета довольно часто играет ничуть не меньшую роль, нежели его размер.

Таким образом, атом любого простого газа, вследствие определённой формы ядра, обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Чтобы этот момент как-то акцентировать, дополним существующую схему, поместив внутрь зелёной окружности стрелку (рис. 26б), которая укажет на наличие у ядра атома заметных магнитных свойств. Этих построений вполне достаточно для объяснения механизма образования двухатомных молекул, состоящих из атомов одного химического элемента.

Смотрим далее:

б)

Рис. 27

На этой картинке (рис. 27) изображён механизм соединения отдельных атомов в двухатомную молекулу.

Поскольку ядра таких "рыхлых" атомов по своему строению практически ничем не отличаются от любого заряда, то механизм их взаимного притяжения строиться по схожим принципам:

Рис. 28

Следующая картинка (рис. 28) показывает момент объединения двух электромагнитных полей в одно, независимо от того, рассматриваем мы заряд либо атом. Такая схема вполне справедлива для атомов простых газов. Физическую модель двухатомной молекулы мы получим путём совмещения двух предыдущих картинок (рис. 27 и 28):

Рис. 29

На картинке (рис. 29) хорошо видно, что ядра атомов располагаются очень близко друг от друга, находясь совсем не по центру, где им положено, будь они отдельными атомами. Как уже было отмечено ранее, ядра простых газов тяготеют к форме бублика или баранки. Оба эти фактора являются прямым следствием "рыхлости" ядра, но именно эти особенности строения придают двухатомной молекуле не только особую механическую прочность, но и высокую химическую активность.

Традиционная наука такую связь называет ковалентной.

На основании предложенной концепции представим механизм образования трёхатомной молекулы озона.

Её возможные конфигурации:

а)

б)

в)

Рис. 30

Первый вариант (рис. 30а) эстетически красив, но вряд ли окажется прочным с позиций механики. Просто потому, что магнитные полюса каждого из атомов по отношению друг к другу располагаются под острым углом, а значит, эффективность возникающего между ними магнетизма довольно сомнительна. Второй (рис. 30б) выглядит более выигрышным, так как "магнитные линии" ядер выстраиваются лишь с незначительным отклонением от прямой. Последняя картинка (рис. 30в) показывает возможный внешний вид молекулы озона, будь у нас под рукой микроскоп, способный показать объекты таких размеров, как атом кислорода. Очевидно, что подобная трёхатомная молекула может образоваться лишь при достаточно высокой электризации окружающей среды либо в условиях высокого давления, ведь по механической прочности она заметно уступает любой двухатомной молекуле. Слабым звеном здесь будет средний атом, оболочка которого сильно сжата, для того чтобы ядра атомов находились достаточно близко друг от друга. Пока они имеют единое электромагнитное поле, трёхатомная молекула озона будет существовать в качестве вполне устойчивой системы. Как только давление на атомы кислорода снизится, их магнитные свойства уже не смогут удерживать молекулу от распада. Средний атом в молекуле станет более сферическим, что отдалит его ядро от ядра верхнего атома, либо от нижнего, что приведёт к разъединению их электромагнитных полей. "Лишний" атом покинет молекулу, а два оставшихся будут держаться друг за друга очень крепко, ведь их ядрам уже ничто не помешает находиться достаточно близко друг от друга в широком диапазоне температур и давлений.

Таким образом, двухатомная молекула, состоящая из атомов с низкой плотностью ядра, механически очень прочна. К тому же, обладает высочайшей химической активностью в сравнении с другими неметаллами, что является прямым следствием эластичности её оболочки. Собственно, этим же объясняется и высокая степень сжатия/расширения газов в сравнении с остальными элементами периодической таблицы - при росте давления такая молекула будет видоизменять свою форму до тех пор, пока между соседними молекулами вообще не останется свободного пространства. В разряженной атмосфере её оболочка будет значительно увеличиваться в размерах, что выглядит вполне логично.

Теперь вспомним, что в один ряд с двухатомными газами мы поместили также галогены - бром, йод и астат, несмотря на то, что традиционная наука их газами не считает. Для "стандартных" климатических условий это действительно так, но в рамках данного размышления мы рассматриваем природу без деления на частности, масштабируя всё, что только возможно. Поэтому температуру мы также считаем изменяемой величиной, причём, в достаточно широком диапазоне значений. К счастью, для изменения агрегатного состояния галогенов не потребуется каких-то экстремальных температур, достаточно обычной кухонной газовой плиты. К примеру, нагревая бром всего лишь до 59 градусов Цельсия, мы получим газ, по свойствам мало отличающийся от фтора или хлора с таким же резким неприятным запахом. При температуре 114 градусов йод расплавится, а после 185 станет газом, запах которого ничуть не приятнее хлора. Аналогичная ситуация и с астатом, температура кипения которого 302 градуса, а газом он станет после 337.

Памятуя о высокой степени условности такого понятия, как - агрегатное состояние, далее объединим простые газы и галогены в общую группу веществ.

Мы достаточно подробно обсудили двухатомные молекулы простых газов, у которых ядра представляет собой бублик или баранку, а их оболочка достаточно эластична для того, чтобы подвергаться деформации, необходимой для образования молекулы. Большинство химических элементов в природе при обычных условиях такими свойствами не обладают, так как по мере увеличения атомного числа растёт не только масса атома, но и плотность его ядра, а значит, давление внутри атома не позволяет его оболочке деформироваться.

Далее рассмотрим другие способы образования молекул, не ограничиваясь лишь двухатомными газами.

Сложные молекулы

Ранее мы уже сравнивали "принципиальную схему" атомов металла и неметалла. В качестве отличительного маркера мы ввели такое понятие как - активная зона ядра, обозначив его красным пунктиром.

а)

б)

Рис. 31

Согласно представленной выше картинке, ядро атома металла (рис. 31а) заполняет всё внутреннее пространство настолько плотно, что электромагнитное поле уже не помещается внутри атома, и его "выдавливает" за пределы оболочки. Именно этот фактор и является главной причиной одноатомного состояния у металлов, так как активная зона ядра создаёт серьёзный барьер для сближения с другими атомами.

Внутри атомов неметаллов (рис. 31б) места достаточно, как для самого ядра, так и для "вторичных элементов", формирующих его электромагнитное поле, что позволяет предположить о возможности соединения в двухатомную молекулу, к примеру, серы.

Теперь проведём "мысленный эксперимент":

Предположим, что двухатомными могут быть не только простые газы, но и металлы с неметаллами. Попробуем представить их "схематический образ":

а)

б)

Рис. 32

Первая картинка (рис. 32а) представляет гипотетическую двухатомную молекулу металла.

Классическая ковалентная связь между такими атомами образоваться не может, так как у сферы нет ярко выраженных магнитных полюсов, как у атомов простых газов. К тому же, для объединения двух электромагнитных полей необходимо, чтобы ядра атомов сместились относительно своих геометрических центров, что по причине их высокой плотности вряд ли возможно. К тому же, имеется взаимно встречное движение элементов электромагнитного поля, что не позволит оболочкам атомов сблизиться для возникновения между ними контакта.

Второй вариант (рис. 32б) представляется более реальным, ведь электромагнитные поля обоих атомов находятся внутри каждого из них, что механическому контакту оболочек явно не препятствуют. Но, как и в первом случае, чуда не произойдёт - ядра таких атомов достаточно плотные, а значит, имеют сферическую форму и не обладают явно выраженными магнитными свойствами.

То есть, и в том и другом случае двухатомная молекула образоваться не сможет. По крайней мере, на основе ядерного магнетизма, иначе именуемого ковалентной связью. Скорее наоборот - электромагнитные поля каждого из атомов будут стремиться оттолкнуть от себя другой атом как можно дальше. Во всяком случае, объективных причин для взаимного отталкивания атомов значительно больше, нежели для их притяжения. Получается, что все представленные аргументы свидетельствуют против образования молекул между металлами, а неметаллы могут образовать двухатомную молекулу лишь гипотетически. Конечно, если речь не идёт об ограниченном перечне химических элементов, у которых такая связь проявляется, правда, в несколько необычных для них условиях.

К таким "особенным веществам" можно причислить серу и фосфор.

Являясь типичными неметаллами, в периодической таблице они столь близко соседствуют с простыми газами и галогенами, что их способность образовывать двухатомную молекулу не кажется фантастической. Руководствуясь развиваемой концепцией, можно предположить, что оболочки этих атомов ещё достаточно эластичные, а их ядра по форме ближе к классическому заряду в форме бублика, что позволяет им проявить ядерный магнетизм. При нагревании этих веществ энергия их ядер заметно усилится, а значит, и напряжённость их электромагнитных полей, что заметно усилит вероятность возникновения общего поля. Согласно периодическому закону близость расположения серы и фосфора к другим галогенам в таблице свидетельствует об определённом сходстве их основных физических свойств, для проявления которых необходимо изменить внешние условия - давление, температуру либо то и другое одновременно.

Таким образом, при высоких температурах (выше 1000 градусов Цельсия) фосфор и сера будут вести себя так же, как и их соседи по таблице - азот, кислород, фтор и хлор. То есть, они станут простыми двухатомными газами с ярко выраженными окислительными свойствами и высокой химической активностью. Если при остывании сера становится жидкой, а затем твёрдой, вернув себе одноатомное состояние, то при резком охлаждении фосфор может сохранить двухатомную структуру даже в твёрдом виде. Можно допустить, что мышьяк, селен и даже кремний также способны образовывать двухатомные молекулы, но требуемая для этого температура должна быть значительно выше. Подтвердить или опровергнуть такую возможность можно только экспериментально.

Может показаться, что двухатомным молекулам "простых газов" мы уделили незаслуженно много внимания.

Это было необходимо для обозначения их особой роли в образовании сложных молекулярных структур, ведь именно простые газы и галогены берут на себя роль "крепежа" при соединении всех остальных элементов периодической таблицы. Всё как в обычной жизни - для того чтобы прочно соединить два твёрдых предмета, мы берём жидкий клей, намазываем его в нужных местах и прижимаем. Для успеха клею необходимо быть липким и пластичным, а чтобы обеспечить прочность и долговечность соединения, сопрягаемые поверхности мы предварительно обезжириваем. Именно такими свойствами обладают атомы простых газов и галогенов - их оболочка совмещает в себе упругость и способность к деформации, а ярко выраженные окислительные свойства позволяют "прилипать" к любой доступной поверхности. Вот и получается, что ни одна "сложная" молекула не может обойтись без этих "простых" элементов.

Нет особого смысла обсуждать строение многоатомных молекул, ведь практически все они очень хорошо изучены, достаточно протянуть руку и взять соответствующий справочник. Дабы не загромождать текст уже известной информацией, можно лишь показать возможную "механику" соединений таких молекулярных структур с опорой на предложенную концепцию. Насколько такой взгляд близок к реальности, покажет время.

А сейчас, представим их такими:

а)

б)

в)

Рис. 33

Первая картинка (рис. 33а) изображает молекулу воды. Она состоит из атомов простых газов, поэтому деформации подвергаются все три оболочки. Их ядра полярны (от слова - полюс), то есть, обладают магнитными свойствами, на что указывает стрелка, находящаяся внутри зелёной окружности, изображающей ядро атома. Вспомним, что при обсуждении озона - трёхатомного кислорода (рис. 30), картинка была схожей.

Заметим, что атомы водорода на схеме (рис. 33а) изображены крупнее, чем атом кислорода - это следствие периодического закона, выведенного Менделеевым. Он гласит следующее:

По мере увеличения номера периода (сверху вниз) атомный радиус элемента уменьшается, а его плотность возрастает.

Другими словами, с позиций "твёрдого атома", самый крупный элемент в периодической таблице - это водород, но его масса наименьшая по отношению ко всем остальным участникам таблицы вследствие низкой плотности ядра. Соответственно, кислород следует изображать кружком меньшего размера, несмотря на то, что он заметно массивнее водорода.

Существует и другой аргумент в пользу такого соотношения размеров водорода и кислорода. Ранее мы рассматривали молекулу озона - трёхатомного кислорода (рис. 30в) и отметили её недостаточную механическую прочность в сравнении с двухатомным кислородом. Молекула воды лишена такого недостатка, ведь ядро атома кислорода более плотное, при этом его оболочка имеет меньший радиус, нежели у водорода. Это значит, что изображённая на картинке (рис. 33а) конфигурация выглядит более прочной с позиций механики. Очевидно, что при других соотношениях массы и объёма атомов молекула воды будет иметь те же недостатки, что и молекула озона.

То есть, традиционное представление науки, согласно которому кислород на различных схемах изображается крупнее водорода, вряд ли соответствует действительности.

Следующая картинка (рис. 33б) иллюстрирует молекулу хлорида меди (II) CuCl2, состоящую из трёх атомов, два из которых обладают способностью к взаимному магнетизму. В этом случае также возможна ковалентная связь между двумя атомами хлора Cl, но лишь при условии, что атом меди Cu в сравнении с ними очень маленький и не мешает сближению двух полярных ядер атомов хлора. Особо заметим, что на картинке (рис. 33б) пропорции атомов даны лишь условно и не соответствуют реальному соотношению их габаритов. Очевидно, что в природе атом хлора в несколько раз больше атома меди, но для лучшей визуализации и такая картинка вполне сгодится.

Несколько иначе выглядит молекула поваренной соли NaCl (рис. 33в), так как здесь лишь один из двух элементов обладает свойствами магнитного притяжения - это газ хлор, а атом натрия не имеет собственной поляризации. То есть, связь между такими атомами лишь отчасти может быть объяснена магнетизмом, ведь объединение электромагнитных полей в этом варианте не столь очевидно, как на примере двухатомных молекул кислорода или водорода. Единственный вариант, при котором такое возможно - расположение атома натрия Na частично внутри оболочки атома хлора Cl, что вовсе не говорит о полном поглощении одного атома другим, ведь целостность оболочки каждого из них под сомнение не ставится. При этом можно сказать, что объединение электромагнитных полей двух атомов всё же состоится, поскольку при такой пространственной конфигурации атомов (рис. 33в) одно поле несомненно окажется внутри другого.

Чтобы проиллюстрировать, как такое может выглядеть в реальности, в качестве примера рассмотрим загадочный астрономический феномен, называемый Большим Красным Пятном (БКП).

Выглядит это так:

Рис. 34

Считается, что БКП представляет собой гигантский атмосферный вихрь, который является причиной вечного антициклонического шторма на Юпитере. Каковы реальные причины возникновения такого странного природного феномена, наука не объясняет, а лишь констатирует факт его существования.

Объяснение этого явления с использованием метода масштабирования может оказаться предельно простым.

А именно:

Сравнение планет с атомами вполне укладывается в концепцию, развиваемую в данном размышлении. Согласно ей Юпитер в "связке" с БКП представляет собой гигантскую молекулу, состоящую из атома газа, предположительно аналогичного атому водорода, и атома металла, как раз в тех пропорциях, какие существуют для атомов, составляющих периодическую таблицу элементов, напечатанную в учебнике химии.

В качестве дополнительного аргумента в пользу такого утверждения будет размер БКП, примерно близкий к габаритам Земли, сравнение которой с атомом железа не вызывает особого отторжения в научной среде. К тому же, содержание большого количества железа в планетарном ядре Земли уже давно приравнивается к научному факту и не требует каких-то дополнительных обоснований.

Нечто подобное Большому Красному Пятну было обнаружено в 1989 году на планете Нептун и названо Большим Тёмным Пятном (GDS-89). В 1994 году его обнаружить уже не смогли, но это вовсе не означает, что подобное пятно не появится в будущем. Размеры GDS-89 также были схожими с теми, что у БКП, из чего можно сделать осторожное предположение о некотором родстве этих двух явлений.

Таким образом, в "глобальной таблице химических элементов" Юпитер будет соответствовать водороду, а Земля - атому железа. Тогда Нептун по своим массово-габаритным характеристикам займёт среднее положение, то есть, окажется чем-то близким к атому хлора или фтора.

Насколько такого рода предположения близки к реальности, покажет недалёкое будущее.

Инертные газы

Особое место в периодической таблице занимает группа инертных газов, к которой относятся: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Ещё эти газы называют благородными за то, что они категорически отказываются вступать во взаимодействие со всеми остальными химическими элементами. В каком-то смысле инертные газы являются антиподами простым газам, готовым образовать молекулу с чем угодно, даже с фонарным столбом, если бы такая возможность им вдруг представилась.

Попробуем разобраться, почему так происходит.

Согласно традиционным представлениям о структуре строения атома, инертность этих газов обусловлена тем, что их внешняя орбита заполнена полностью, вследствие чего возникает категорический запрет на их участие в химических реакциях, основанных на обмене электронами. Отсюда возникает сразу несколько вопросов:

Какой закон природы запрещает инертным газам обмениваться электронами?

Какие природные объекты испытывают на себе похожий запрет?

Почему гелий, имеющий всего два электрона, не может отдать хотя бы один из них, либо принять лишний?

Что за магическая цифра 8, мешающая атому инертного газа вступать во взаимодействие с другими атомами?

Пожалуй, из всех вопросов, только последний не вызывает особых трудностей.

Ответ такой:

"Восьмёрка" - вовсе не случайное число, ведь именно столько вертикальных столбцов (групп) было в "старой версии" периодической таблицы, которую преподают в школе на уроках химии. По-сути, это базовый параметр, на который ориентируется традиционная модель строения атома. Современная таблица вместо восьми содержит 18 групп, что в значительной мере расширяет возможности трактовки тех или иных свойств химических веществ, позволяя легко находить объяснения некоторым "странностям" в поведении отдельных элементов таблицы.

Всё же, вернёмся к обсуждению благородных газов...

Что мы о них знаем?

В "старом варианте" таблицы Менделеева инертные газы входили в одну группу вместе с такими металлами, как железо, никель, кобальт, платина, палладий и другими. Но принадлежность к одному столбику в таблице указывала бы на заполнение внешнего электронного слоя не только у инертных газов, но и у железа, которое охотно участвует в любых химических реакциях. Решение было найдено путём введения особого правила заполнения электронных оболочек, что позволило железу на третьем электронном уровне иметь 14 электронов, кобальту 15, никелю 16. То есть, при росте атомного числа элемента, следующий электрон добавляется не на внешнюю орбиту, что было бы оправдано, а на "подходящую" внутреннюю. В итоге у всех представителей "железной группы" на внешней орбите оказалось один или два электрона, а не восемь, как у инертных газов, относящихся к той же восьмой группе. Благодаря такому "вынужденному манёвру" металлы восьмой группы и инертные газы в новом варианте таблицы разделились, а значит, теперь нет никакой необходимости их сравнивать друг с другом.

И всё же, почему Дмитрий Иванович Менделеев считал "железную группу" металлов и инертные газы представителями одной группы элементов? Возможно, он видел в них нечто общее. Вот и пойми после этого гениев...

Движемся дальше.

Все благородные газы существуют не только в обычном для них стабильном состоянии, но и имеют множество радиоактивных изотопов. А для радона нормальным является как раз радиоактивное состояние. Это означает, что ядро такого атома изначально имеет очень высокую плотность и едва умещается внутри оболочки, со временем теряя часть собственной массы, как и положено всем радиоактивным элементам. Также стоит отметить, что радон - самый тяжёлый газ из всех инертных. Следовательно, по своему строению благородный газ вполне может оказаться обычным металлом, таким как железо или платина, но "стандартная" земная температура для него слишком горяча, и поэтому он не способен находиться в естественном для металла твёрдом состоянии. Возможно, где-то во Вселенной существуют "более прохладные" условия, при которых любой инертный газ - обычный металл, охотно вступающий в реакцию с другими представителями периодической таблицы химических элементов.

В пользу этой версии свидетельствует и тот факт, что многие металлы, находясь в газообразном состоянии, резко снижают свою химическую активность. Следовательно, предлагаемая концепция ничуть не отрицает наличия общих свойств у инертных газов и металлов восьмой группы.

Поскольку речь зашла о "нетипичных свойствах" некоторых участников периодической таблицы, справедливо будет обсудить ещё один элемент. А именно - водород Н, делящий с гелием Не весь первый период.

Как и любой другой газ, водород также не лишён некоторых "загадочных" свойств. До сих пор в среде химиков не утихает дискуссия, к какой группе его следует отнести однозначно и бесповоротно - к щелочным металлам или к галогенам. Смотрим ниже:

а)

б)

Рис. 35

Именно по этой причине в разных вариантах периодической таблицы мы можем встретить водород, расположенный, как над литием (рис. 35а), так и над фтором (рис. 35б).

Попытки "добыть" металлический водород предпринимаются давно, но пока безуспешно. Вероятная причина неудачи может состоять в том, что эксперименты проводились не с тем водородом, ведь известно минимум 4 его изотопа, имеющих отличный друг от друга атомный вес. Возможно, что пустую строчку в самом верху таблицы следовало бы заполнить различными модификациями водорода с указанием их атомного веса.

Обсуждение атомов и молекул ещё далеко от завершения, но далее по тексту мы их будем рассматривать в составе более крупных структур, у которых будет следующее название:

Кластер

Смотрим в учебник:

Кластер - объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определёнными свойствами.

Формулировка в достаточной мере информативна и точна. В качестве альтернативы можно предложить более простой вариант:

Кластер - сообщество атомов и молекул в составе единого физического объекта.

Зачем понадобился этот термин?

Кластер - следующая ступенька "иерархии форм", посредством которой возможен переход от отдельных атомов и молекул к понятию - вещество. Ранее мы рассмотрели условия, необходимые для соединения атомов в молекулы на примере простых газов и галогенов, а также определили их роль "связующего элемента" при образовании более сложных молекул. Тем не менее, остался открытым вопрос формирования материальных структур, состоящих из атомов элементов, которых в периодической таблице подавляющее большинство, но их нормальное состояние - одноатомное.

Ковалентная связь, в основе которой лежит обычное магнитное притяжение ядер, для них недоступна в силу внутреннего строения. Это означает, что должен существовать какой-то иной механизм соединения атомов и молекул в крупные материальные образования при отсутствии у них явно выраженных магнитных свойств.

Следует также отметить, что двухатомные молекулы, уже сформировавшись, в полной мере реализовали свой магнитный потенциал, и для соединения таких молекул в более крупные образования также необходим какой-то иной тип связи. В противном случае, двухатомные молекулы так и останутся газом без возможности изменить своё агрегатное состояние на жидкое или твёрдое. То есть, ковалентная связь вполне способна соединить два атома в молекулу, а в отдельных случаях даже три, но она не может быть основой для создания вещества в виде сообщества огромного количества атомов или молекул.

Поскольку в природе царит принцип разнообразия, позволяющий различным элементам образовывать достаточно крупные материальные структуры, независимо от свойств атомов и их количества, делаем вывод о существовании другого типа связи между ними, кроме ядерного магнетизма.

Осталось лишь найти его.

Фундаментальными для физики являются три начала термодинамики. Из них можно особо выделить Второй Закон термодинамики, как наиболее востребованный в повседневной жизни. Следует напомнить его в максимально упрощённом виде:

Энергия всегда движется оттуда, где её избыток, туда, где её недостаток.

Известно, что любое взаимодействие - это дорога с двусторонним движением, поэтому прямым следствием первой формулировки будет следующая:

Объекты, обладающие меньшей энергией, всегда стремятся в направлении объекта с большей энергией.

Соответственно, мы имеем два Сценария, которые в совокупности описываются Третьим законом Ньютона, который в наиболее лаконичном виде такой:

Действие равно противодействию.

Его следствием можно считать два взаимодополняющих процесса:

Движение энергии от источника.

Движение объектов к источнику энергии.

Полёт мотылька на свет электрической лампочки и звери, идущие на водопой, люди у костра и планеты, движущиеся по своим орбитам относительно своих звёзд - все эти события разные по масштабу, но "механика" у них общая. Поскольку эти два сценария являются основными в природе, то молекулы и атомы при объединении в крупные структуры тоже должны им подчиняться. Проблема лишь в том, что современная наука привыкла разделять вещество и энергию, будто бы они способны существовать друг без друга. При этом очевидно, что никакой связи между молекулами и атомами без наличия энергии быть не может.

Конечно, источников энергии в нашем мире существует великое множество, но мы их не замечаем, считая чем-то само собой разумеющимся. Даже солнечный свет порой раздражает, и мы надеваем очки с тёмными стёклами, чтобы чувствовать себя комфортнее. О том, что Солнце - источник энергии - мы впервые узнаём в школе на уроках природоведения. Когда мы видим перед собой какой-то предмет, то обычно считаем его вполне самостоятельным объектом, вообще не нуждающимся в энергии. В реальности Энергия и Масса - неразделимые свойства Материи, а значит, они всегда где-то поблизости друг от друга.

Вспомним, что внутри каждого атома имеется собственная "батарейка" - атомное ядро, и находящейся внутри него энергии вполне достаточно для того, чтобы обеспечивать возможность взаимодействия с другими объектами. Это значит, что благодаря собственным ядрам атомы металлов и неметаллов способны притягиваться друг к другу без участия магнетизма.

Означает ли это, что закон всемирного тяготения Ньютона справедлив для атомов?

Ответ на этот вопрос может быть положительным и отрицательным одновременно.

Дело в том, что формулировка закона Ньютона говорит о притяжении всех тел друг к другу без исключения, что на практике не подтверждается. Опыт с произвольно выбранными объектами обречён на провал, ведь в качестве необходимых величин в законе фигурируют лишь масса объектов и расстояние между ними. Безусловно, эти параметры важны для взаимодействия, но эффект тяготения возникает совсем по другим причинам. Главенствующими факторами здесь будут - строение взаимодействующих тел и соотношение их пространственных размеров. Обладание массой - свойство всех материальных тел, но только некоторые из них в полной мере "соблюдают" закон тяготения Ньютона, тогда как все остальные его обычно игнорируют.

Итак:

Уточним условия, при которых образуется связь между объектами, способная их удерживать вблизи друг друга на длительном промежутке времени.

Во-первых, они должны иметь максимально близкие пространственные габариты, ведь чем выше плотность элементов на единицу условного объёма, тем прочнее будет образуемый ими кластер. Во-вторых, структура их строения должна быть однотипной. Так, к примеру, кобальт, никель и медь соседствуют в периодической таблице, что указывает на схожесть, как самих атомов, так и их ядер, поэтому наиболее рентабельными для добычи никеля считаются медно-никелевая сульфидная и кобальт-никелевая силикатные руды. Вспомним об особых свойствах серы (сульфиды) и кремния (силикаты), ведь именно они здесь выступают в роли "связующего компонента".

По совокупности параметров, назовём этот природный сценарий совсем по-простому:

Подобное к подобному.

Примеры взаимной тяги между схожими по строению объектами можно перечислять бесконечно. Звери в лесу сбиваются в стаи при наступлении каких-либо неблагоприятных погодных условий, ведь сообща проще пережить холодную зиму или затяжную засуху. К тому же, в природе не принято питаться себе подобными, а значит, вопрос безопасности внутри стаи выше, чем в гордом одиночестве. Перед сезонной миграцией птицы собираются в большие группы, хотя до этого могли долгое время существовать вполне обособлено. Человек в этом смысле не слишком далёк от природы, поэтому людям также свойственно вступать в группы, команды или кружки по интересам. Даже согреться проще, если плотно прижаться друг к другу, ведь количество тепла в этом случае удваивается, а площадь охлаждаемой поверхности заметно уменьшается.

Случаи взаимной тяги подобных объектов вовсе не ограничиваются флорой и фауной. Данный сценарий реализуется на любом масштабе рассмотрения, как в сторону миниатюризации, так и в противоположном направлении. Такой тип связи в наиболее общем варианте можно назвать ядерным, ведь именно ядро атома является главным источником, обеспечивающим прочную связь между атомами в кластере.

Ядерная связь

Как уже было отмечено ранее, атомное ядро содержит в себе огромное количество энергии, так как элементов его составляющих, очень много, и они находятся в беспрерывном движении. В этом и состоит причина взаимной тяги подобных атомов друг к другу. Смотрим ниже:

а)

б)

Рис. 36

На картинках выше изображены два кластера. Один состоит из атомов металла (рис. 36а), другой из атомов неметалла (рис. 36б). Отличие лишь в расположении активной зоны ядра, но для образования кластера это не принципиально. Здесь мы видим, что ядра этих атомов не обладают какими-то заметными магнитными свойствами, а значит, они либо нейтральны по отношению друг к другу, как это происходит у неметаллов, либо отталкиваются вследствие существования у них электромагнитного поля, находящегося за пределами оболочки, как у металлов. То есть, атомы в кластере ни при каких обстоятельствах не могут соприкасаться оболочками и находятся на некотором удалении друг от друга. Тем не менее, они находятся в прочной дистанционной связи в составе структуры, которую с некоторой долей условности можно именовать кристаллической решёткой.

Далее ответим на вопрос:

Что связывает атомы между собой?

Здесь реализуется сценарий - тяготение оболочки атома к двум ядрам одновременно - к своему и чужому. Следующий блок картинок:

а)

б)

в)

Рис. 37

На первой картинке блока (рис. 37а) видим, что оболочка правого атома тянется сразу к двум ядрам - к своему (чёрная стрелка) и соседнему (синяя стрелка). Такое возможно лишь при условии значительной близости ядер соседствующих атомов. Вспомним народную поговорку:

Ласковый телёнок двух маток сосёт.

Поскольку во взаимодействии участвуют два атома, то каждая из оболочек образует собственную связь (рис. 37б), при этом оболочки атомов никак не реагируют друг на друга. Две красные пунктирные стрелки указывают на взаимное отталкивание атомов, не позволяющее им приблизиться друг к другу. Тем не менее, образованию кластера это не препятствует, так как взаимное противодействие электромагнитных полей атомов лишь незначительно ослабляет их связь, поскольку взаимодействуют друг с другом не сами ядра атомов, а их оболочки. Им одинаково приятно греться в лучах двух и более "солнц", поэтому они тянутся ко всем доступным источникам "тепла", не только к своему, но и к ядрам соседних атомов. Вспомним детский стишок:

У соседа всё вкуснее, зеленее и сочнее...

В результате возникает кластер (рис. 37в), состоящий из множества похожих друг на друга атомов, объединённых в крупное сообщество.

Теперь вспомним, что одно из условий образования кластера - близость пространственных и энергетических характеристик атомов. То есть, любой кластер формируется на основе подавляющего большинства атомов одного типа, а все другие присутствуют лишь в качестве примеси, которая может заметно ослабить общую механическую прочность образуемого ими вещества. Это явление обычно называют химической чистотой - чем меньше примесей, тем ближе параметры вещества к тем, что указываются в различных справочниках.

Почему так важен размер атомов для образования кластера?

Во-первых, здесь соблюдается условие равноудалённости элементов оболочки от ядер, что позволяет им получать максимум энергии с минимальными затратами. Очевидно, что при значительной разнице размеров это условие соблюдаться не будет. Во-вторых, не следует забывать о свойстве ядер атомов к взаимному отталкиванию. Чем выше отличие в их размерах, тем значительнее будет разница в "весовых категориях соперников", а значит, разновеликим атомам вряд ли удастся успешно соседствовать. До тех пор пока пространственные размеры атомов близки, силы тяготения превалируют над силами отталкивания, но как только отличия между участниками системы станут значительными, произойдёт её разбалансировка, и кластер распадётся на множество малых систем, в которых баланс соблюдается лучше.

Переходим к следующей части размышления.

Часть 4. Гравитация

На протяжении всего своего существования человечество пытается понять - что такое гравитация, но до сих пор не может объяснить причины её возникновения и функционирования простым и понятным языком. Все существующие модели, описывающие это физическое явление, в той или иной мере ущербны, так как опираются на весьма зыбкий фундамент голословных утверждений, не имеющих ничего общего с реальностью.

Рассмотрим самые популярные тезисы по этой теме, которые приводятся в учебниках:

Все тела притягиваются друг к другу вследствие гравитации

Это утверждение можно назвать базовым практически для любой теории гравитации. Считается, что все без исключения тела испытывают по отношению друг к другу силу тяготения, которую и называют гравитацией. Жизненный опыт и здравый смысл подсказывают, что в реальности слова - Всегда и Никогда - редко отражают действительность, которая куда как разнообразнее. К тому же, утверждать, что наблюдаемые на Земле процессы в любой точке Вселенной происходят именно так и никак не иначе, по меньшей мере, антинаучно. Во всяком случае, до тех пор, пока человечество не проверит это на практике, ведь только так можно убедиться в своей правоте или наоборот, признать заблуждения. То есть, Закон Всемирного Тяготения, выведенный лишь по поведению Луны и Земли, а также, падающих с дерева яблок - тот ещё научный метод.

Но, вернёмся к предмету нашего интереса - гравитации.

Следует отметить, что некоторые тела действительно тяготеют друг к другу, но большинство из них обычно не проявляют никаких попыток к взаимодействию. Существуют и такие, которые наоборот, отталкивают от себя другие тела. Причём, тел и объектов, которые взаимно отталкиваются, ничуть не меньше, чем испытывающих тяготение, но подавляющее их большинство проявляет полное безразличие по отношению друг к другу. То есть, тезис о том, что все без исключения тела тяготеют друг к другу, непременно стремясь приблизиться или воссоединиться, на практике не подтверждается.

Можно провести бесконечное количество экспериментов по взаимному притяжению различных тел, и не обнаружить никакой тяги между ними, независимо от формы, массы, размеров и материала, из которых они состоят. Классический опыт с зарядами, который считается доказательством взаимной тяги всех без исключения материальных тел, вряд ли можно считать таковым, поскольку притяжение испытывают только разноимённые заряды, а одноимённые отталкиваются. К тому же, учебник физики утверждает о том, что большинство материальных тел обладают равным количеством положительных и отрицательных зарядов, и поэтому у них вообще нет никаких объективных причин для взаимодействия друг с другом. Опыты с магнитами тому подтверждение - сила притяжения проявляется в них столь же часто, как и отталкивания, достаточно лишь поменять один из полюсов. При этом, если вдруг возникнет необходимость в магните, его не сразу и отыщешь. Не то чтобы очень редкая вещица, но в повседневной жизни используется крайне редко.

Именно так и происходит в действительности - большинство тел, объектов и предметов в природе не обладают ни взаимным притяжением, ни отталкиванием. То есть, по отношению друг к другу они нейтральны на длительном промежутке времени, который может исчисляться годами и даже столетиями. Утверждение о том, что сблизиться предметам мешают какие-то объективные причины, к примеру, трение, также не выдерживает критики, ведь предметы можно подвесить на нитках, пружинах, погрузить в воду или каким-то другим способом компенсировать действие нежелательных факторов. Даже невесомость легко реализуется на борту специального самолёта, который летит по особой траектории, имитирующей свободное падение.

Утверждение о взаимном притяжении тел не имеет подтверждений и на глобальном масштабном уровне. Планеты солнечной системы на протяжении многих столетий изучаются астрономами, но между ними также не обнаружено взаимного тяготения. Даже во время Парада планет, когда большие и маленькие планеты выстраиваются в одну линию и дистанция между ними становится минимально возможной. Траектории их движения от этого ничуть не меняются, что может означать лишь одно:

Планеты Солнечной системы, независимо от их размеров и масс, не испытывают взаимного тяготения друг к другу.

Также астрономы обнаружили неуклонное увеличение дистанции между отдельными галактиками, что называют расширением Вселенной. То есть, взаимного тяготения нет даже между такими сверхмассивными объектами, как галактики.

Гравитация возникает вследствие искривления пространства

Согласно этому утверждению, вокруг любого тела пространство искривляется, и чем больше его масса, тем значительнее искажение, вызывающее притяжение к себе всех тел, обладающих меньшей массой. В качестве недостатков этого тезиса необходимо отметить минимум два существенных момента:

Во-первых, для того чтобы говорить об искривлении чего-либо, необходимо его каким-то образом зафиксировать - сфотографировать или измерить линейкой величину деформации. Даже если допустить, что Пространство действительно настолько пластично, что может подвергаться деформации, то логично предположить, что находящиеся в нём предметы тоже должны каким-то образом искривляться. Если же изменения формы самих объектов мы не регистрируем, то и другие физические параметры останутся прежними, ведь масса, объём, плотность, форма и элементный состав рассматриваемого объекта взаимосвязаны друг с другом, а вовсе не с пространством, которое не обладает характеристиками, свойственными материальным объектам. Именно поэтому оно никак не может взаимодействовать с реальными объектами, а уж тем более - менять их форму и свойства.

Второй довод состоит в том, что рассматривается почему-то лишь такая уникальная форма искривления пространства, при которой обязательно происходит взаимное тяготение тел. Случаи, когда искривление пространства ведёт к отталкиванию предметов или отсутствию какого-либо взаимодействия между ними, в рамках теории Эйнштейна не рассматриваются вообще. Другими словами - сторонники теории об искривлении пространства в своих математических расчётах видят лишь то, что желают видеть, но совсем не допускают того, что в рамках указанной теории также могло бы иметь право на существование. Соответственно, модель с искривляющимся пространством является лишь наглядной иллюстрацией определённых идей, но её практическая ценность весьма сомнительна.

Закон Всемирного тяготения

Само название закона Ньютона как бы настраивает на обязательность его исполнения в любой точке Вселенной. Для поверхности Земли и на некотором расстоянии от неё - обратно квадратичная зависимость силы тяготения от расстояния действительно подтверждается. Отчасти даже движение Луны относительно Земли может быть описано этим законом, так как именно его Ньютон взял за основу для вычислений. К огромному сожалению, "всемирность" закона на другие космические объекты почему-то не распространяется.

Аргументы следующие:

По какой-то странной причине тяготение Солнца действует на планеты, но никак не влияет на их спутники. Во всяком случае, Луна ведёт себя так, будто ничего кроме Земли поблизости нет. То же касается спутников Юпитера и Сатурна, к примеру, Титана и Ганимеда. Их диаметры лишь вполовину меньше земных, но солнечную гравитацию они откровенно игнорируют. В то же время, самая дальняя планета Солнечной системы - Плутон, размеры которого примерно такие же, как и у Луны, и во много раз меньше Ганимеда, будто бы привязана к Солнцу на верёвке длиной от 4 до 7 миллиардов километров. Получается, что солнечная гравитация на различные объекты действует выборочно, оказывая влияние лишь на планеты, обходя своим вниманием спутники, независимо от их размеров. Как Солнце отличает планеты от спутников - тот ещё вопрос!

Но и с расположением планет в Солнечной системе не всё гладко. Их распределение выглядит следующим образом - ближе всего к Солнцу расположены 4 планеты "малого круга" - Меркурий, Венера, Земля и Марс. Далее располагаются газовые гиганты - Юпитер и Сатурн, затем Уран и Нептун, размеры которых по отношению к тем и другим можно назвать средними. На периферии Солнечной системы расположены самые маленькие планеты-плутониды, с которых Солнца, возможно, и вовсе не видно, ведь несколько миллиардов километров - довольно большое расстояние.

Очевидно, что такая странная конфигурация планет в Солнечной системе с позиций закона всемирного тяготения Ньютона принципиально необъяснима, поскольку массогабаритные характеристики её участников довольно сильно отличаются. Если бы массы и размеры планет росли по мере удаления от Солнца или наоборот, уменьшались, можно было бы для этого найти рациональное объяснение, но существующее распределение в рамках школьного учебника физики принципиально необъяснимо. Тем не менее, даже такому странному природному феномену можно найти вполне достойное обоснование. Правда, для этого потребуется несколько иначе взглянуть на строение вещества, начиная с микромира. Тема весьма интересная и довольно обширная, поэтому как-нибудь в другой раз...

Сила гравитации зависит от массы тел

Тяготение всех предметов по направлению к центру Земли наука объясняет существованием гравитационного поля, которое и создаёт силу, тянущую все материальные тела вниз. Что собой представляет это поле, из чего состоит и какую форму имеет, учебник не спешит прояснить. Очевидно, что размеры гравитационного поля - величина произвольная в зависимости от выбора объектов рассмотрения. Если речь идёт непосредственно о Земле, то поднявшись лишь на сто километров вверх, можно стать невесомым настолько, что представить страшно. То есть, уже на расстоянии 300-400 километров планетарная гравитация практически отсутствует, и любое материальное тело на такой высоте может находиться достаточно долго, прежде чем упадёт на землю. А если это космическая станция, движущаяся по определённой орбите с некоторой скоростью, то и того дольше.

В случае, когда рассматривается тяготение между Солнцем и Плутоном, гравитационное поле уже почему-то действует на миллиарды километров. Нетрудно посчитать, что по тому же закону Ньютона, Меркурию пришлось бы упасть на Солнце сразу после своего "рождения". То же касается и трёх планет "малого круга", включаю Землю и всех её обитателей. Вследствие обратно квадратичной зависимости, рассчитанной Ньютоном, ведь если Солнце удерживает планету размером с Луну на расстоянии в несколько миллиардов километров, то в нескольких миллионах от него солнечная гравитация должна быть просто чудовищной.

Отсюда вывод:

Гравитационное поле - просто красивое название для силы, действие которой очевидно, но универсальной формулы для неё пока не изобрели. То есть, для каждой системы тел существует своя методика расчётов силы тяготения, возникшая вследствие конкретных наблюдений либо каких-то экспериментов.

К примеру, ускорение свободного падения для Земли не является константой, ведь в зависимости от широты, долготы и высоты, её значение может отличаться довольно сильно. И это выглядит странно, так как в законе Ньютона имеет значение лишь масса взаимодействующих объектов, а об их строении, форме и элементном составе не говорится ни слова.

Более того, скорость падения тел вообще не зависит от их массы, о чём знает любой школьник, регулярно посещавший уроки физики в школе. Если из стеклянной трубки откачать воздух, то внутри неё лёгкое пёрышко и камень упадут одновременно. Опыт Галилея с камнями и Пизанской башней о том же. А раз масса предметов при падении значения не имеет, то и формула всемирного тяготения Ньютона описывает что угодно, но не действие гравитации. Просто потому, что силу тяжести материального тела мы можем измерить только тогда, когда оно давит на какую-то опору, например, на пружинные весы. Соответственно, силу давления падающего предмета в реальности мы измерить не можем, а значит, масса в этом случае никакой роли не играет. Следует также отметить, что методика расчёта веса по формуле, в которой один из множителей - ускорение свободного падения - вообще выглядит абсурдно, поскольку тело, давящее на опору с некоторой силой, физически не может ускориться, так как вообще никуда не движется.

Другими словами, кроме математических формул, дающих результат, достаточно близкий к экспериментальным данным, на данный момент наука не имеет даже универсальной теории, которая годилась бы для всех проявлений гравитации. Потому и приходится использовать массу там, где она не играет никакой роли, а ускорение там, где нет движения.

Собственно, на этом обзор современных представлений о гравитации можно закончить, ведь и так ясно, что наука бессильна сказать что-либо определённое об этом природном феномене.

И всё же, мы попытаемся объяснить причину возникновения гравитации и механизм её функционирования.

Итак:

Гравитация - это просто!

В повседневной жизни с гравитацией мы сталкиваемся буквально на каждом шагу. Учителя в школе упорно твердили, что это лишь та сила, которая прижимает нас к поверхности Земли, но в реальности гравитация проявляет себя куда как разнообразнее.

К примеру, центробежная сила - это тоже действие гравитации, как и езда на велосипеде, когда от скорости вращения колес зависит его устойчивость. Поразительная стойкость гироскопа к внешним воздействиям связана с гравитацией самым непосредственным образом. Современная физика напротив - каждое из этих явлений считает самостоятельным физическим эффектом. При этом, объяснять "внутреннюю механику" таких природных феноменов особо не торопится, считая чем-то очевидным, и поэтому не требующим никакого научного обоснования.

Далее по тексту мы попробуем максимально просто и понятно описать причины возникновения физического явления, которое наука называет гравитацией.

Начинаем...

Гравитация, под которой мы понимаем силу, прижимающую все предметы к поверхности Земли, возникает вследствие движения материальных частиц, летящих из космоса в направлении планетарного ядра. Что собой представляют эти частицы, сейчас нас не особенно интересует. Намного важнее знать их свойства, а именно:

Никакого гравитационного поля у Земли и около неё не существует, а есть поток частиц, перемещение которых в пространстве довольно однообразно - из космоса в направлении планетарного ядра. Движение такого потока прямолинейно, поэтому называть его полем попросту некорректно.

Поскольку частицы движутся к центру сферы со всех её сторон одновременно, то по мере приближения к планетарному ядру плотность потока возрастает в геометрической прогрессии согласно формуле 4пr^2 (четыре пи эр квадрат). А раз частиц, участвующих во взаимодействии, у поверхности Земли становится заметно больше, чем в стратосфере, то и сила их давления на все предметы, находящиеся ближе к поверхности Земли, будет действовать заметно сильнее, чем на те, что располагаются на некотором удалении от неё. Отсюда и обратно квадратичная зависимость увеличения силы тяжести по мере приближения к поверхности Земли. Никакой мистики!

Именно поэтому и возник соблазн гравитационный поток назвать полем, ведь его поведение численно повторяет обратно квадратичную зависимость, свойственную и электромагнитному полю тоже. Но схожесть в проявлении вовсе не означает физическую тождественность происходящих процессов. И всё же, несмотря на различия действия гравитации и электромагнитного поля, не будем их считать обособленными друг от друга явлениями, поскольку одно без другого существовать не может. Но, об этом чуть позже.

Для космического потока, который согласно существующей традиции мы продолжим именовать гравитационным, все известные на Земле вещества физически прозрачны. То есть, гравитационный поток проходит их насквозь, оказывая определённое давление на каждый атом и молекулу вещества, встреченных на пути.

Если бы существовали поверхности, способные экранировать или отражать гравитацию, человечество уже давно пользовалось бы транспортными средствами, способными к левитации, то есть, к безопорному полёту.

Конечно, хотелось бы иметь такие устройства, но существуют более понятные способы преодоления гравитации, где на первый план выходят - давление, плотность, температура и другие физические явления.

Реактивный двигатель использует буквально весь этот арсенал, что позволяет успешно противодействовать силе гравитации. Самолёт и вертолёт опираются на атмосферный воздух, плотность которого внизу крыла или лопасти выше, чем над ним. Аэростат или воздушный шар принципиально ничем не отличаются от пузырьков воздуха, всплывающих в воде.

Следующий вопрос:

Почему тела разной массы в безвоздушной среде падают с одинаковой скоростью?

Обоснование следующее:

Действие гравитационного потока хорошо иллюстрирует течение реки, в которой малые и большие предметы - толстые брёвна и фантики от конфет - плывут с одинаковой скоростью. Там, где река сужается, скорость потока возрастёт, а на широких разливах её течение выглядит уже не столь явно. Соответственно, всё, что плывёт по реке, будет иметь одинаковую скорость. Вполне естественно, что тело, обладающее дополнительной энергией движения, в реке и гравитационном потоке будет двигаться быстрее, нежели остальные участники процесса, но это уже несколько иная история, впрямую не касающаяся гравитации. Та же зависимость наблюдается и при падении тел. Если находясь на вершине горы, бросить камень, при этом хорошо размахнувшись, то он окажется на поверхности Земли раньше, чем тот, который мы просто выронили из руки.

Из всего вышеперечисленного следует вывод о том, что при свободном падении тел в атмосфере все они будут иметь примерно одинаковую скорость движения. Конечно, при условии, что атмосферный воздух на сравниваемые тела оказывает схожее тормозящее действие. При отсутствии атмосферного воздуха парашютист и каменная глыба падали бы с одинаковой скоростью, что доказано опытным путём неоднократно.

Пришло время сообщить о скорости гравитационного потока, "падающего" на Землю на протяжении всего срока её существования, и даже в этот самый момент. Несмотря на то, что учёные скорость распространения гравитации принимают близкой к скорости света, в действительности она не столь стремительна. Во всяком случае, любое тело, падающее с какой угодно высоты, никогда не достигало скорости, превышающей 240 км/час. Конечно, если это не искусственный спутник связи, отработавший свой ресурс, или фрагмент космической станции, которые изначально движутся по околоземным орбитам с довольно большой угловой скоростью. Прилетающие из глубин Солнечной системы метеориты вряд ли можно считать "свободно падающими", так как они по определению имеют какую-то скорость, и довольно большую, если судить по утверждениям астрономов.

Соответственно, далее по тексту употребление термина - ускорение свободного падения - не имеет никакого смысла, поскольку любое падающее тело стремится разогнаться лишь до той скорости, которую имеет гравитационный поток, движущийся в направлении Земли. И если бы не сопротивление атмосферного воздуха, то любой предмет набирал бы её заметно быстрее, чем 9.8 метров в секунду за секунду. Достигнув скорости потока и сравнявшись с ней, разгон прекратится естественным образом, а значит, и ускорение будет равно нулю.

В непосредственной близости от земной поверхности тела при падении действительно разгоняются так, как написано в учебнике, но есть сомнения в корректности постановки эксперимента. Откачивается ли газ на всей дистанции пути падающего предмета, насколько велик его путь, с какой высоты от поверхности Земли начинается падение и на какой заканчивается? Собственно, результат любого опыта во многом зависит от того, какие значения желает получить сам экспериментатор и какой теорией руководствуется.

Конечно, эксперимент по уточнению скорости гравитационного потока можно было бы провести ещё сто лет назад, было бы на то желание. Но увы, это никому не нужно, ведь существующая теория гравитации всех устраивает. Действительно, какая разница - 200 км/час или 300 км/сек - сущая безделица! Переписывать учебники, переучивать учителей... Зачем?

Гравитация и магнитное поле Земли

Выше по тексту мы уже упомянули о некоторой связи гравитации с планетарным электромагнитным полем. Пришло время обозначить её более явно.

Многие исследователи прошлого подозревали, и небезосновательно, что гравитация - это прямолинейный поток, движущийся в направлении ядра планеты. В результате жарких дискуссий с оппонентами, вполне резонно утверждавшими, что "бочку нельзя наполнять бесконечно", пришлось признать прежние убеждения ошибочными, ведь, достигнув центра Земли, гравитационный поток должен куда-то деваться. Именно этот вопрос поставил окончательную точку в споре, и все прежние теории сдали в архив. Связать гравитацию с планетарным электромагнитным полем попросту никому не пришло в голову.

О существовании магнитного поля Земли человечество знало давно, во всяком случае, задолго до того, как появился первый компас. Эксперименты с магнитами также позволили сделать интересные выводы о том, откуда появляется сила у магнита, и почему она никак не согласуется с Законом сохранения Энергии.

Такая проблема в науке действительно существует, и заключается в том, что магнит проявляет силовое воздействие, вообще никак не используя собственную внутреннюю энергию. То есть, когда мы сближаем два магнита, они притягиваются или отталкиваются, но при этом не теряют и не приобретают часть массы, не нагреваются и не охлаждаются, то есть, полностью игнорируют законы термодинамики, которые предписывают всем без исключения телам при взаимодействии обмениваться массой либо энергией. Компромиссным решением было закрепить за магнитами "особые свойства", которые не подвержены действию главных физических законов, к которым относятся Закон сохранения Энергии и Закон сохранения Массы. К тому же, магниты из железа действительно постепенно утрачивают свои свойства, что признали естественным расходованием внутренней энергии, которая у них имелась изначально. Причём, не в момент взаимодействия, что было бы логично, а с течением времени - некоторые раньше, другие позже. Объяснения такому феномену искать не стали, решив заняться более серьёзными вещами - поиском новых элементарных частиц, исследованием термоядерного синтеза и прочими, сулящими звания и почести.

Постепенно с противоречивым поведением магнитов в отношении к основным законам природы наука как-то свыклась.

Тем не менее, проблема никуда не девалась. Дело в том, что современные магниты, в которых используются редкоземельные металлы, обладают куда как большей магнитной силой в сравнении с железными. К тому же, сохраняют её настолько долго, что есть основания подозревать о "неисчерпаемости" в них магнетизма. То есть, окончательный ответ на вопрос возникновения силы в магнитах лишь на некоторое время отложен, но окончательно не закрыт.

Единственное достойное объяснение, которое не противоречит Законам Сохранения, состоит в том, что сам магнит не является источником магнетизма. Он лишь проводник уже существующего электромагнитного поля, в среде которого пребывает. Благо, у поверхности Земли напряжённость этого поля довольно приличная.

То же самое можно сказать и об электромагнетизме, когда по катушке протекает электрический ток. Электромагнитная индукция в той же мере противоречит Закону сохранения Энергии, поскольку независимо от силы взаимодействия соленоида с куском железа или другим магнитом, протекающий по катушке ток остаётся неизменным. Можно приближать магнит или отдалять, амперметр не покажет никаких изменений, притом усилие, с которым мы будем удерживать магнит рядом с катушкой, может отличаться в разы.

Соответственно, разделение магнетизма и электромагнетизма на две самостоятельные дисциплины также представляется ошибочным, поскольку катушка из провода, по которой пропущен электрический ток, и любой "естественный" магнит, в схожих экспериментальных схемах ведут себя одинаково.

Разговор о магнитах возник лишь потому, что Магнитное поле у Земли возникает как бы ниоткуда. Утверждение о том, что оно генерируется планетарным ядром, выглядит здраво, но откуда берётся энергия для этого процесса, наука не торопится отвечать. Собственно, теперь у нас есть все необходимые кусочки картинки, которую нетрудно сложить в целое полотно.

Теперь ответим на вопрос:

Куда девается гравитационный поток, движущийся из космоса в направлении ядра планеты?

Вполне естественно допустить, что он преобразуется в родственный ему поток, но имеющий несколько иную организацию движения, а именно - в электромагнитное поле Земли. Потому и возникает эта странная закономерность, которую с лёгкой руки Ньютона именуют "законом обратных квадратов". То, что гравитационный поток, движущийся к центру Земли, у её поверхности имеет наивысшую плотность, так же как и планетарное электромагнитное поле, уже не выглядит совпадением или парадоксом, если предположить, что где-то в недрах планеты происходит преобразование одного потока в другой.

Таким удивительным образом гравитационный поток, идущий из космоса, превращается в планетарное электромагнитное поле, которое по мере удаления от Земли ослабевает и окончательно пропадает за пределами земной атмосферы.

То есть, на расстоянии примерно 1500-2000 километров от поверхности Земли уже нет ни гравитации, ни Магнитного поля Земли, что можно подтвердить инструментально, было бы на то желание.

Внимательный читатель возразит:

Такого не может быть, ведь космонавты, летающие на орбите Земли, обязательно используют оборудование, в котором обязательно присутствуют обычные магниты и электромагниты!

Ответ такой:

Пилотируемая космонавтика за всё время своего существования никогда не поднималась выше 450 км. К тому же, в среде профильных специалистов космосом называется всё, что находится более 100 км от Земли, где воздуха ещё предостаточно, хотя дышать им уже нельзя. Естественно, на таких высотах имеется и гравитация и планетарное электромагнитное поле, хотя они там в значительной мере ослаблены. Именно поэтому и пришлось специально создавать "очень сильные" магниты, которые могут работать и на таких высотах.

Что касается аппаратов, преодолевших не только границы земной атмосферы, но и планетарные радиационные пояса, то можно лишь догадываться об их электронной начинке. Какое оборудование на них устанавливалось, из открытых источников узнать не удалось.

Собственно, на этом обсуждение гравитации можно было бы закончить, но ранее по тексту утверждалось, что центробежная сила, как одно из проявлений гироскопического эффекта - это прямое следствие существования гравитации. Чтобы такое заявление не повисло в невесомости, далее по тексту попробуем связать эти природные феномены друг с другом, опираясь лишь на понятные физические законы.

Центробежная сила

Все попытки найти в учебнике понятное "механическое" объяснение существованию центробежной, изначально обречены на глубокое разочарование. Кроме того, что это:

Составляющая фиктивных сил инерции, которую вводят при переходе из инерциальной системы отсчёта в соответствующим образом вращающуюся неинерциальную",

мы вряд ли обнаружим что-то более ценное. Особенно радует уточнение - соответствующим образом вращающуюся - которое подразумевает, что не всякое вращение позволит перейти из одной системы отсчёта в другую. Будто бы от того, как посмотреть на то или иное явление - анфас или в профиль, результат будет какой-то иной. Более того, наука центробежную силу называет фиктивной, другими словами - кажущейся. То есть, на самом деле её как бы нет, а все эффекты, которые при этом возникают - это фикция и обман зрения. Даже несмотря на то, что массивный каменный маховик при определённой скорости вращения разлетается на мелкие кусочки. Довольно трудно силу, способную разорвать лист железа как бумагу, назвать фиктивной или кажущейся. Особо отметим - на Земле центробежная сила проявляет довольно грозный нрав, и если что не по ней, разорвёт на части даже очень прочный предмет. Проверено неоднократно!

К счастью, в космическом пространстве, даже в непосредственной близости от Земли, центробежная сила уже не столь разрушительна. Более того, для её обнаружения придётся вооружиться сверхчувствительными приборами, да и они вряд ли помогут...

Дело в том, что наблюдения за поведением тел в космическом пространстве явно указывают на то, что центробежная сила за пределами земной атмосферы если и существует, то проявляет себя достаточно вяло. Планеты вращаются вокруг Солнца по своим орбитам миллионы-миллиарды лет, и им ничто не мешает повторять свой путь раз от раза по тем же траекториям, что и раньше. Орбита Земли если и увеличивается в диаметре на один-два метра за столетие, то вряд ли это можно как-то связать с действием центробежной силы. Скорее, с изменением массы планеты, которая по какой-то неведомой причине действительно увеличивается, что наука признаёт.

Будь проявление центробежной силы в космосе более или менее существенным, при движении вокруг Солнца со скоростью примерно 30 км в секунду, Земля могла бы удаляться от него куда как стремительнее.

Несмотря на то, что расстояние между галактиками неуклонно растёт, их собственный размер вряд ли сильно изменился за последние сто-двести лет, притом, что скорость их вращения относительно своих центров весьма внушительная. По утверждениям астрономов, в составе галактики Млечный Путь наше Солнце движется со скоростью примерно 200 км в секунду, но за весь период наблюдений оно вряд ли существенно изменило своё местоположение относительно других звёзд.

Космонавты, проводившие различные эксперименты в невесомости также отметили странное поведение вращающихся предметов. Пожалуй, самый известный из них, именуемый "Эффектом Джанибекова". Он заметил, что центробежная сила на высоте всего в 400 км от Земли ничуть не мешает вращающейся гайке поворачиваться в любой плоскости. То есть, гироскоп в невесомости уже не так активно проявляет свои чудесные свойства и его можно разворачивать как угодно без особых усилий. В результате серии научных экспериментов, проведённых на околоземной орбите, мысли о создании искусственной гравитации с использованием центробежной силы постепенно развеялись. И это притом, что до начала эры пилотируемой космонавтики такие планы действительно существовали. В различных научно-популярных изданиях довольно часто публиковались изображения огромных космических станций с вращающимися кольцами, где предполагалось расположить каюты космических путешественников. Именно таким образом предлагалось создать искусственную гравитацию. Сейчас эта идея в среде специалистов даже не обсуждается. Интересно, почему?

Собственно, список нестыковок и неловкостей, связанных с центробежной силой вне Земли можно было бы продолжить, но в этом нет необходимости, поскольку и так очевидно, что причины её возникновения самым непосредственным образом связаны с планетарной гравитацией. В невесомости центробежная сила перестаёт действовать, поскольку там нет достаточного количества частиц, ответственных за возникновение гравитации.

Довольно лирики!

Вернёмся к обсуждению физического феномена, называемого центробежной силой. Для этого взглянем на следующую картинку:

Рис. 38

На представленной выше схеме изображён вращающийся диск, укреплённый на вертикальной оси. Поскольку под весом предмета мы понимаем силу его давления на опору, то вполне естественно её следует измерять в том месте, куда показывает стрелка с обозначением Fg. Центробежная сила Fc действует одновременно по всем осям, проходящим через центр вращения, притом, максимальное её значение будет на краю диска. То есть, там, где начинается синий пунктир со стрелкой, обозначенный как Fc. Также на картинке присутствует тангенциальная сила Ft, действующая в плоскости вращения перпендикулярно радиусу.

Красные пунктирные линии с литерой g - это гравитационный поток, движущийся в направлении земного ядра. До момента, пока диск не начнёт вращаться, движение гравитационного потока будет однонаправленным, охватывая весь объём тела и прижимая его к поверхности Земли. То есть, вес предмета на Земле зависит от его массы и плотности проходящего через него гравитационного потока. Если мы поднимем на вершину Эвереста какой-нибудь предмет, то его вес несколько уменьшится. При этом каждый последующий километр будет снижать вес предметов заметно быстрее, поскольку по мере подъёма плотность гравитационного потока будет падать в геометрической прогрессии.

Как уже отмечалось ранее по тексту, все без исключения предметы на земле для гравитационного потока физически прозрачны. То есть, он проходит сквозь любое вещество, но при этом испытывает некоторое затруднение, которое и вызывает эффект тяготения. А раз взаимодействие гравитационного потока с любым веществом - явление, доказанное инструментально, то и материальные тела также могут оказывать определённое действие на частицы, вызывающие гравитацию. До сих пор мы рассматривали лишь покоящееся или малоподвижное тело, на которое действовала гравитация, прижимая его к некоторой опоре.

Следующий вопрос:

Что произойдёт, если тело начнёт двигаться относительно гравитационного потока?

Очевидно, что теперь само тело будет оказывать влияние на поток, увлекая часть его элементов в другом направлении, отличном от вертикального.

Если гравитационный поток, проходящий сквозь тело, оказывает на него некоторое силовое воздействие, то и движущееся тело также будет влиять на поток.

Теперь вспомним, что вращение - это тоже форма движения, где инерция играет далеко не последнюю роль, но зато скорость мы можем изменять в довольно широком диапазоне, в буквальном смысле - не слезая с любимого кресла. К тому же, для исключения таких факторов, как сопротивление воздуха и потери на трение, можно использовать довольно скромный арсенал технических средств - качественные подшипники и гладкую поверхность самого диска, что будет разумной альтернативой откачке воздуха из помещения, где проводится опыт.

Итак:

При раскручивании диска мы заставим часть элементов гравитационного потока g (рис. 38) развернуться в плоскости вращения, в результате чего на внешней кромке диска возникнет дополнительная сила тяжести, действующая перпендикулярно оси вращения. Собственно, это и является единственной причиной возникновения центробежной силы Fc, которую учебник физики описывает столь туманно. Чем выше скорость вращения диска, тем большее количество частиц гравитации будет вовлекаться в процесс создания дополнительной тяжести в плоскости вращения. Основной гравитационный поток продолжит своё естественное движение из космоса в направлении планетарного ядра, но та его часть, что падает на самый край диска, вращающийся достаточно быстро, отклонится от своего привычного направления, развернувшись в плоскости вращения тела, вызвав уже знакомые нам физические явления. И это будет не какая-то мифическая "составляющая сил инерции", а обычный вес предмета, но действующий не вниз, а перпендикулярно оси вращения.

Это означает, что катаясь на каруселях в парке развлечений, показывая знакомым фокус с вращающимся ведром, из которого не выливается вода, и испытывая тяжелейшие перегрузки в центрифуге, мы заставляем гравитацию действовать в несколько непривычном для неё направлении, только и всего. Возникающая в подобных случаях сила вовсе не фиктивная и не кажущаяся - это Вес предмета, измеряемый в тех же граммах, килограммах, тоннах, и даже в ньютонах, если хочется придать измерению чуть больше научного пафоса. Хотя, обычный бытовой безмен мало чем отличается от динамометра.

Также следует заметить, что эффект снижения веса у вращающегося диска действительно возникает, но он настолько незначителен, что говорить о настоящей победе над гравитацией при такой постановке опыта несколько преждевременно. Более серьёзные результаты можно было бы получить, раскрутив диск ещё быстрее, но его механическая прочность далеко не безгранична, притом, что сила тяжести, возникающая на краю диска, будет расти в геометрической прогрессии по мере увеличения скорости. Это обязательно приведёт к печальным последствиям - диск попросту разорвёт на части. Соответственно, идею постройки летающей тарелки на основе вращающихся дисков категорически отвергаем по причине крайне низких "силовых характеристик" и высокой аварийности подобного рода конструкций.

Теперь вспомним о том, что езду на велосипеде мы тоже связывали с гравитацией.

Собственно, речь пойдёт не столько о самом велосипеде, сколько о вращающихся колёсах, ведь именно благодаря им, вся система обретает особую устойчивость.

Когда бабушка, наблюдающая за катающимся внуком, говорит ему, чтобы тот ехал помедленнее, считая такую езду более безопасной, она совсем не понимает главной причины, благодаря которой велосипед при езде не падает на бок. Она весьма прозаична - чем быстрее крутятся колёса, тем труднее упасть с велосипеда. Конечно, тормоза при этом должны быть исправны, ведь на дорогу может выскочить соседский кот или что-то более крупное.

Когда мы ранее обсуждали вращающийся диск, то умышленно расположили его параллельно поверхности Земли, чтобы особо выделить момент разворота "силовых линий" гравитационного потока. Но это вовсе не означает, что вращение в вертикальной плоскости приведёт к иным результатам. Колёса велосипеда при езде располагаются перпендикулярно к опоре, но свойства вращающегося диска останутся прежними. То есть, дополнительная сила тяжести, возникающая при вращении велосипедного колеса, будет действовать по всей окружности, и поэтому та часть дополнительного веса, что направлена вверх, компенсируется той, что действует вниз. В результате произойдёт уравновешивание всех указанных сил, придавая системе эффект особой устойчивости, будто бы колёса от опрокидывания удерживает множество рук, тянущих обод в разные стороны одновременно. При этом вес самого велосипеда не изменится.

Обратим особое внимание на то, что обычно под гравитацией мы понимаем только тяготение предметов.

Это не совсем верно, ведь гравитационный поток в зависимости от конкретных условий может не только сдавливать тело, но и растягивать. То есть, если мы находимся внутри вращающейся системы, нас придавит к ограждению, находящемуся на краю диска. Ощущения будут в точности те же, что от обычного земного тяготения. В случае, когда ограничения нет, нас будет выталкивать за пределы системы - отрывать от опоры.

То есть, привычное представление о гравитации, исключительно как о силе тяготения, не совсем верно, поскольку она может действовать как угодно - притягивать и отталкивать в зависимости от конкретных условий.

Движемся дальше...

Часть 5. Электричество

В повседневной жизни мы постоянно пользуемся электричеством, но мало кто может толково объяснить, что это такое. Многие знают старую байку с экзаменом по физике, на котором студенту попадается вопрос: "Что такое электричество?". Он путается, краснеет, мямлит что-то невразумительное о том, что ещё вчера знал, но сегодня так переволновался, что напрочь всё забыл. На что профессор с горечью в голосе говорит:

- Вот незадача... был один единственный человек на земле, который знал, что такое электричество, и тот забыл...

Попытаемся внести ясность и в этот важный для физики вопрос, благо весь необходимый инструментарий у нас для этого имеется.

Пожалуй, начнём...

Электрический ток

Вначале заглянем в учебник:

Электричество - совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов.

Собственно, на этом размышление можно было бы закончить, поскольку формулировка предельно лаконична и точна, при этом, она целиком отражает суть рассматриваемого физического явления. Мало того, если верить историкам, практически в неизменном виде она существует уже почти пять столетий. Но не будем спешить с выводами, и поинтересуемся, что современная наука понимает под электрическим током, который находится в розетке, и механизм, благодаря которому электричество светит, греет и вращает моторы. Смотрим:

Электрический ток - направленное движение частиц, носителей электрического заряда. Такими частицами могут являться: в металлах - электроны, в электролитах положительные и отрицательные ионы.

К этому определению имеются серьёзные возражения. Во-первых, электрон не может быть "носителем" электрического заряда, поскольку согласно определению - это отрицательно заряженная частица, которая движется навстречу электрическому току, то есть - от минусового вывода источника к плюсовому. К тому же, согласно традиционному представлению о заряде, они имеют разный знак - плюс и минус. В таком случае, хотелось бы поинтересоваться у автора учебника:

Носителем какого типа заряда является электрон, отрицательный по своему "происхождению"?

И какая элементарная частица переносит заряд другого знака?

На первый взгляд эти вопросы кажутся по-детски наивными, но именно они разрушают всю стройность современного представления об электричестве. И всё же, самый главный вопрос, на который "электронная теория" ответить не может, звучит так:

Почему электрон движется от минуса к плюсу, а электрический ток - от плюса к минусу?

Разговоры о том, что это - некая условность, принятая ещё на заре первых опытов с электричеством, и не являющаяся чем-то достойным объяснения и обоснования, не выдерживают никакой критики. Дело в том, что амперметр никогда не ошибается, и всегда точно указывает направление движения тока - от "плюса" к "минусу". Это значит, что даже если электрон и переносит на себе заряды, то током точно называться не может, поскольку движется в обратном направлении.

Во-вторых, заряд сам по себе является полноценным материальным объектом, а вовсе не каким-то свойством, на что прямо указывает Закон сохранения заряда:

Электрические заряды не появляются и не исчезают, а лишь передаются от одного тела к другому, либо перераспределяются внутри тела.

То есть, означенный выше закон самым прямым образом говорит, что Заряд - самостоятельный материальный объект, а вовсе не свойство электрона либо иона. Просто потому, что у него самого имеются свойства, как минимум - притяжения и отталкивания. В таком случае, следующий вопрос:

Почему сам заряд не может выступить в роли переносчика электричества, раз у него имеются подходящие для этого свойства?

В качестве следующего шага в наших рассуждениях, чуть упростим первую формулировку:

Электрический ток - движение электрических зарядов в проводящей среде.

Получается, что без электрона вполне можно обойтись, ведь даже если допустить, что электрические заряды имеют разные знаки, то хотя бы один их тип имеет возможность двигаться именно в том направлении, куда указывает амперметр. Чем в это время занимаются - отрицательный заряд и столь же отрицательный электрон - вопрос к преподавателю физики, который наверняка придумает, как выкрутиться из неловкой ситуации...

Электричество = Гидравлика = Механика

Движение электрического тока подчиняется общим принципам, моделируемым на каких угодно механических моделях. Наиболее близкая аналогия - поведение жидкости в гидравлической системе. С её помощью можно без особых трудностей связать электричество и механику в общий природный сценарий.

Почему именно гидравлика?

Мироздание рационально и не плодит сущности без серьёзной на то нужды, поэтому для перечисления основных природных сценариев нам хватит пальцев на руках. При этом разнообразие форм и состояний Материи просто поразительное. Причина такого положения дел достаточно прозаична - существование во Вселенной бесчисленного множества "ступеней размерности", в каждой из которой существует своя иерархия форм, размеров и состояний, а принцип масштабирования их соединяет в единую стройную систему. Именно по этой причине все природные процессы подчиняются общим закономерностям причинно-следственного свойства, в данном размышлении именуемые - Сценариями, реализуемость и исполняемость которых мало или вообще никак не зависит от физических размеров участников.

Перемещение электрических зарядов в проводящей среде имеет много общего с движением жидкости по трубам, что позволяет моделировать невидимые для зрения процессы на моделях, визуализация которых не представляет особых сложностей. Гидравлическая система отвечает всем требованиям, необходимым для работы электрической схемы.

Перечислим их:

- Любая жидкость несжимаема. То есть, гидравлической системе требуется лишь незначительное количество дополнительных элементов - молекул или атомов, чтобы изменять давление внутри системы в достаточно широких пределах. Электрический ток обладает тем же свойством, так как электрические заряды связаны между собой магнетизмом, они несжимаемы и находятся на минимально возможном расстоянии друг от друга.

- Гидравлическая система может быть, как изолированной от атмосферы, когда она состоит из двух труб - входной и выходной, так и открытой, когда функцию отвода жидкости выполняет окружающая среда. Электричество обычно движется по проводам, но существует масса случаев, когда это условие игнорируется самым неприличным образом. Разряд молнии - явный тому пример.

- Полная идентичность правила Бернулли, описывающего поведение жидкости в изолированной гидравлической системе, к закону Ома для участка цепи. Тот и другой являются частными случаями более общего - Закона сохранения энергии. Соответственно, полным "водяным аналогом" электрического тока будет произведение количества жидкости на её скорость, напряжение - это давление на каждом из участков системы, а сопротивление проводников и других элементов схемы - внутреннее сечение используемых труб, различные фитинги и изгибы. При желании, передвижение людей в городе на общественном транспорте также можно описать, как правилом Бернулли, так и законом Ома.

С самим электрическим током мы в общих чертах разобрались.

Осталось лишь уточнить, что мы понимаем под электрическим зарядом, так сказать - его тактико-технические характеристики.

Несмотря на то, что каждый отдельно рассматриваемый электрический заряд во Вселенной существует лишь в единственном экземпляре, он имеет схожие физические параметры с подобными ему, а значит - размеры каждого такого заряда находятся в определённом диапазоне значений. Тем не менее, мы намеренно откажемся от использования чисел для их определения, памятуя о том, что:

Природе не нужны числа, их придумали люди, чтобы считать деньги.

Именно поэтому сравнение с чем-то уже известным и легко представимым будем и дальше использовать в качестве основного инструмента анализа.

Итак:

В каких угодно мерах длины пространственные габариты электрического заряда будут меньше любого атома химического элемента, но вполне сопоставимы с расстоянием между атомами и молекулами в составе кластера, традиционной наукой именуемого - кристаллической решёткой. Размер заряда по "оптической классификации" будет примерно соответствовать ультрафиолетовой части спектра на границе видимости и ниже - в область радиочастот. Также можно определённо утверждать, что электрический заряд крупнее "гравитационного", близок к "световому", но меньше "теплового". Эти названия заключим в кавычки, поскольку традиционная физика плохо переносит простые имена для элементарных частиц, реально существующих и вымышленных. В любом случае, строение электрического заряда ничем не отличается от любого другого, отличие лишь в размерах. Вспомним, что любая звезда, в том числе и наше Солнце - тоже заряд для соответствующего уровня размерности.

Напряжение

В повседневной жизни мы часто путаем такие понятия как Ток и Напряжение, считая их чуть ли не синонимами. Даже не читая никаких умных книг, можно легко догадаться, что электрический Ток - это перемещение каких-то частиц по проводам. Здесь будет уместно вспомнить беседу старого деда с электриком, который подключал электричество к деревенскому дому:

- Вот я всё понимаю - электроны, провода, сопротивление, закон Ома, и всякое такое. Но никак в толк не возьму, как по проводам керосин течёт?!

Независимо от уровня образования, каждый человек электричество понимает по-своему. И всё же, движение каких-то частиц по проводам - процесс очевидный даже для людей, мало в этом разбирающихся. При этом вопрос: Что такое Напряжение? - ставит в тупик даже технически грамотного человека.

И это неудивительно, ведь заглянув в учебник, мы увидим нечто подобное:

Электрическое напряжение - это физическая величина, указывающая на величину работы, совершаемую зарядом в один Кулон.

Электрическое напряжение - это отношение работы, выполняемой электрическим полем по перемещению тестового заряда между двумя точками, к численному значению этого заряда.

Вероятно, при написании подобного опуса, автор учебника думал о чём-то ином, нежели о напряжении.

Во всяком случае, работа по перемещению заряда в один Кулон, работой и останется. Просто потому, что напряжение существует не только в замкнутой цепи, в которой течёт ток, но и вообще без тока - работу в этом случае оно никакую не совершает по определению. То есть, обе формулировки ничего не говорят о напряжении.

Сделав вывод о том, что составители учебника имеют самое смутное понимание о том, что пишут, придётся сделать эту работу за них - на простых и понятных примерах показать, чем Напряжение отличается от Тока, зачем нужно и как работает.

Приступим!

Чтобы чётко разделить такие понятия, как - Ток и Напряжение, их необходимо сопоставить с двумя базовыми характеристиками Материи - Массой и Энергией.

Поскольку электрический Ток представляет собой движение электрических зарядов, то он очевидно - величина энергетическая. Тогда Напряжение должно отражать массовые характеристики электричества, ведь Материя - совокупность Массы и Энергии, которые друг от друга неотделимы.

Следует заметить, что определение принадлежности той или иной физической величины к Массе либо к Энергии - задача не слишком сложная. Достаточно лишь проверить их на возможность существования в состоянии покоя. Любой процесс, существующий лишь в движении - будет энергетическим, все остальные в той или иной мере связаны с массой.

Очевидно, что Давление, Плотность, Сила, Потенциал и Напряжение - вовсе не обязаны совершать какую-то механическую работу, хотя их величина может исчисляться довольно высокими значениями. Их потенциал может долгое время пребывать в бездействии, но в какой-то момент реализуется через движение. В этом случае будет произведена какая-то работа.

Для более наглядной иллюстрации последнего тезиса предлагается сравнить Напряжение с обычной стальной пружиной.

Что можно сказать о любой пружине?

Во-первых, она упругая, так как изготовлена из металла с высокой плотностью. Чтобы её сжать, нужно применить силу. Если оставить пружину в сжатом состоянии, то она будет оказывать постоянное давление на поверхности, ограничивающие её распрямление. Причём, механическое напряжение в пружине может сохраняться довольно долго.

Как только сдерживающие факторы исчезнут, пружина сможет реализовать свой потенциал, высвободив его в виде механической энергии. То есть, пружина может совершить механическую работу, но вовсе не обязана это делать. И это притом, что возможность совершения работы как бы подразумевается сама собой, ведь предназначение пружины как раз в том и состоит, чтобы запасать энергию и отдавать, а не находиться вечно в сжатом состоянии.

Подчёркиванием отмечены величины, которые однозначно являются массовыми характеристиками, это - Плотность, Сила, Давление, Напряжение и Потенциал. То есть, они могут пребывать, как в Движении, так и в состоянии Покоя. Причём, все указанные величины являются физическими синонимами и одинаково применимы для обозначения Напряжения в том или ином качестве. Поэтому в наиболее простой интерпретации можно сказать, что Напряжение - это Давление зарядов на выводах источника питания, либо в участке цепи, по которому протекает электрический ток. Понятие - Сила, столь же применимо по отношению к Напряжению, так как сила, реализация которой приведёт к возникновению электрического тока в цепи.

В технической литературе довольно часто термины Напряжение и Потенциал используются в качестве синонимов для улучшения стилистики изложения. Когда речь заходит об электромагнитном поле, то мы обычно используем такие понятия как - Плотность и Напряжённость. Как уже известно из предыдущих частей данного размышления - электромагнитное поле обладает сразу тремя потенциалами - электрическим, магнитным и гравитационным, реализация каждого из которых также приведёт к совершению работы в виде магнетизма, электричества, либо к механическому движению.

Следует также отметить, что применение термина Напряжение не ограничивается лишь электротехникой. Использование его при описании механических и физиологических процессов столь же привычно - напряжение в металлах, мускульное, умственное, и это далеко не полный список. Можно даже сказать, что любое Усилие - полный аналог Напряжения.

Но, вернёмся к электричеству.

Будем считать, что с сущностью такого понятия, как Напряжение, в общих чертах мы разобрались - это "давление" электрических зарядов на выводах Источника Питания, а вовсе не Работа и не Мощность. То есть, Электрическое Напряжение с формальных позиций Энергией не является, скорее, оно отражает потенциальную возможность совершить какую-то работу. Вспомним, сравнение с пружиной.

Единственное, что несколько смущает - в традиционной физике электрическое напряжение формализуется как-то не слишком удачно. А именно:

U = A*q,

где U - напряжение, A - работа электрического поля, и q - единичный заряд, равный одному Кулону.

Ранее многократно отмечалось, что электрическое напряжение существует независимо от того, совершается работа или нет, а значит, даже если указанная выше формула действительно каким-то образом имеет отношение к напряжению, то лишь в замкнутой цепи, по которой течёт электрический ток. Что касается величины, именуемой Кулоном, то она вряд ли может серьёзно рассматриваться, поскольку относится к электростатике, согласно которой заряд вообще не может никуда перемещаться самостоятельно, а лишь прилипать к пластиковым расчёскам, эбонитовым палочкам и отклонять стрелку электроскопа от нулевого положения.

Следует также заметить, что существование электрического поля без какой-либо связи с электромагнитным - утверждение весьма сомнительное. Об этом ниже по тексту.

Таким образом, обычный бытовой вольтметр измеряет что угодно, но уж точно не работу по перемещению зарядов, равных Кулону.

И всё же, несмотря на полное непонимание наукой такого понятия, как - электрическое напряжение, многие формулы с его участием вполне работоспособны. К примеру, закон Ома, который соблюдается всегда и с этим утверждением вряд ли кто-то поспорит.

Для того чтобы дать понятию "напряжение" хоть какую-то привязку к действительности, не используя полумифические сущности, такие как - электрическое поле и единичный заряд, предлагается использовать уже известную в науке величину, но применяемую крайне нерационально. В качестве "агента", отвечающего за количество электрических зарядов, существующих в некоторой точке физического пространства, может выступить Потенциал, который мы традиционно означим литерой q (ку), без какой-либо связи с Кулоном. Именно он будет порцией "электрического давления", измеряемого в Вольтах. Соответственно, изменится и формула электрического напряжения. К счастью, целиком переписывать учебник физики не потребуется, а лишь чуть сократить уже существующее определение, удалив из него всё лишнее.

Получится следующее:

Электрическое напряжение - величина, равная разности потенциалов между двумя точками.

Символьная запись будет такой:

U=q2-q1, где U - напряжение, q2 - больший потенциал (условно "плюсовой" вывод источника), q1 - меньший потенциал ("минусовой").

Здесь мы умышленно не упоминаем, ни электрическую цепь, ни электрическое поле, ни другие сущности, которые в данном определении избыточны. Просто потому, что измерить разность потенциалов нетрудно даже в воздухе, ведь он является хорошим диэлектриком, который по определению умеет накапливать и сохранять электрические заряды. Можно замерить разницу потенциалов на выводах батарейки или на двух проводках, воткнутых в яблоко или картофель - это тоже будет электрическое напряжение, способное зажечь светодиод, при условии, что электроды будут из разных металлов, даже не особенно важно, каких. Что под руку попадётся...

Теперь вспомним, что для электричества, гидравлики, пневматики и механики природа использует общие сценарии.

Электрическое напряжение можно проиллюстрировать следующими механическими моделями:

У нас есть тележка, стоящая на платформе в паре метров от земли, которую нужно спустить вниз. Её потенциал - это вес, который позволяет тележке скатиться самостоятельно с двухметровой высоты, нужно лишь создать подходящие для этого условия. Пара досок вполне сгодится для такой задачи. С их помощью соединяем платформу с уровнем земли и чуть подталкиваем тележку. Она покатится вниз, а по достижении нижней точки своего пути ещё немного проедет вперёд и остановится. Существовавший до этого потенциал реализован, разницы в высотах больше нет, и энергии для дальнейшего движения тележки, тоже.

Чтобы исключить фактор гравитации, тележку можно никуда не поднимать, а использовать сжатую пружину и тормоз. Как только тормоз ослабит хватку, тележка покатится по горизонтальной поверхности, пока не израсходует всю запасённую в пружине энергию.

В механической модели использовались: сила тяжести, высота и энергия сжатой пружины.

Тот же сценарий рассмотрим на разнице давлений:

Берём два сосуда, один из которых наполнен водой, второй пустой. Нам нужно перелить жидкость из одной ёмкости в другую. Для этого соединяем их трубкой, на которой имеется кран. Открыв его, мы увидим, как вода потечёт из заполненной ёмкости в пустую. Процесс прекратится, когда уровни жидкости сравняются, что будет свидетельствовать об одинаковом давлении в соединённых между собой сосудах. Для того чтобы перекачать всю воду из одной ёмкости в другую, вместо крана на трубу установим насос, чтобы вновь создать разницу давлений, когда уровни жидкости в ёмкостях сравняются. Он создаст необходимую разницу потенциалов на противоположных участках дистанции.

Как видно из примеров, разница потенциалов существует ещё до начала взаимодействия, а реализуется лишь тогда, когда возникает соединение, позволяющее высвободиться энергии. То же самое происходит в электрической схеме, в которой источник тока существует автономно до тех пор, пока цепь разомкнута. На нём имеется напряжение в Вольтах, которое можно выразить через разницу Потенциалов - количество электрических зарядов, значительном на одном полюсе и недостаточном на другом. Можно сказать также, что на выводах источника питания существует давление зарядов - на одном высокое, на другом низкое.

Электрическая мощность

Любой Источник Питания, независимо от способа возникновения в нём электричества, характеризуется определённой Мощностью - наличием у него достаточного количества электрических зарядов для выполнения определённой работы.

Она складывается из двух важных компонентов:

Напряжения - начального "давления" зарядов, а когда возникнет электрическая цепь - достаточного их количество, за которое отвечает Ток. При перемножении Тока и Напряжения мы получаем Мощность:

P=UI,

где P - электрическая мощность, U - напряжение, I - сила тока.

Проиллюстрировать зависимость Мощности от Тока и Напряжения можно на примере гидроэлектростанции. Благодаря плотине, перекрывающей реку, создаётся водоём, который позволяет направлять на гидротурбину необходимое количество воды для выработки электроэнергии. Высота плотины, откуда вода падает вниз - это разница Потенциалов. Без неё не имеет значения фактическая ёмкость водохранилища, так как для вращения турбины требуется, чтобы вода падала на её лопатки с определённой скоростью. Чем выше нагрузка на гидроагрегат, тем труднее воде привести его в движение, поэтому высота плотины - необходимое условие для нормальной работы гидроэлектростанции.

Но и наполнение водохранилища также важно, ведь если оно будет пустое вследствие долгой засухи, воде не хватит массы для вращения турбины, причём, независимо от высоты плотины. Таким образом, существует связь количества воды и высоты, с которой она должна падать, чтобы гидроагрегат выдавал необходимую мощность в электрическую сеть. Если по каким-то причинам один из параметров будет ниже необходимого уровня, это сразу же скажется на качестве работы всей системы.

Для измерения мощности различных электрических цепей, независимо от того, речь идёт о постоянном или переменном токе, используется термин - Ватт. Довольно часто можно встретить другое обозначение мощности - вольтампер. Поскольку эти понятия равноценны, применение того и другого - вопрос личного выбора. Продолжаем...

ЭДС

В физике существует такое понятие как - Электродвижущая сила (сокращённо ЭДС), которая измеряется в тех же Вольтах, что и Напряжение.

Формулировок в учебнике достаточно много, вот некоторые из них:

Электродвижущая сила - величина, характеризующая работу сторонних сил в действующих цепях постоянного и переменного тока, равная работе по перемещению единичного заряда вдоль всего контура.

Электродвижущая сила - способность источника энергии поддерживать разность потенциалов.

Электродвижущая сила - это физическая величина, описывающая свойства и характеристику работы сторонних сил для поддержания разности потенциалов на источнике электрического тока.

Возникновение этой величины в физике произошло достаточно ожидаемо, поскольку на вопрос возникновения электрического тока наука до сих пор не имеет ясного и однозначного ответа. По этой причине роль "виновника" пришлось поручить ЭДС, ровно тем же образом, как в древности возникновение молнии приписывали Зевсу, ответственность за бури и шторма в море возлагали на Нептуна, а чувства симпатии одного человека к другому приписывали стрелам Амура, пронзающим сердца.

Другими словами, ЭДС - это величина, введённая в науку произвольным образом в качестве "необходимой" причины возникновения электрического тока в цепи. Причём, как и многие другие физические понятия в современной науке, она существует без объяснения механизма её реализации. Будем разбираться самостоятельно...

Развиваемая в данном размышлении концепция целиком опирается на постулат Аристотеля о вечном и беспрерывном движении Материи во Вселенной. Именно по этой причине любой материальный объект изначально обладает подвижностью, либо состоит из подвижных элементов, что указывает на наличие у него собственной энергии, достаточной для взаимодействия с другими объектами.

Возникновение электрического тока - явление довольно распространённое в природе, ведь любое Движение - это и есть Энергия в том или ином виде, а значит, на роль Источника электрического тока может претендовать практически любой материальный объект, перемещающийся в пространстве определённым образом. Движение магнита относительно катушки с проводом - самый очевидный вариант, но он требует соблюдения определённой геометрии взаимодействия и наличия компонентов, которые могут быть изготовлены лишь искусственным путём - это магнит, металлический провод, железный сердечник. В природе существуют и более простые способы, дающие тот же результат - химические реакции, тепло, свет, а также, различные процессы, которые можно обобщить термином - механика. Даже во время расчёсывания волос вырабатывается статическое электричество, что уж точно не является физическим феноменом. То есть, нет никакой нужды поручать обычную для природы работу какому-то "мифическому существу", придуманному лишь для того, чтобы компенсировать недостаток знаний о природных взаимодействиях.

Следовательно, термин Электродвижущая сила из дальнейшего повествования можно исключить как избыточный.

Постоянный и переменный ток

Заглянем в учебник:

Постоянный ток - электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Переменный ток - электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.

Итак, начнём...

Присмотревшись к обеим формулировкам внимательно, мы легко обнаружим, что отличие одного вида тока от другого вовсе не в направлении их движения, поскольку для переменного тока упоминается некий "частный случай" в качестве исключения. Отсюда делаем вывод, что единственно возможный критерий отличия переменного тока от постоянного - изменение его (тока, а вовсе не напряжения) величины по времени.

Надо заметить, что и этот фактор тоже не является определяющим, так как в зависимости от параметров включенного в электрическую цепь устройства, измеряемый в Амперах ток может изменяться в широком диапазоне значений, как по времени, так и по величине.

Проиллюстрировать такое утверждение можно на примере с электродвигателем, вне зависимости от того, для какого тока он предназначен - переменного или постоянного. На его валу мы закрепим наждачный круг, чтобы иметь возможность изменять нагрузку. Для контроля основных параметров в цепь подключим вольтметр и амперметр. Запустив двигатель, мы увидим, что ток в цепи резко возрос, но по мере набора оборотов он снизился. Напряжение при этом практически не изменилось. Теперь прижмём к наждачному кругу заготовку из металла или дерева, тем самым увеличив нагрузку на двигатель. Амперметр покажет рост тока, а вольтметр показания опять не изменит. Теперь попробуем остановить наждачный круг, приложив к нему максимальное усилие - мотор начнёт сильно гудеть, нагреется, ток ещё больше возрастёт, а напряжение покажет лишь незначительное уменьшение. Конечно, подразумевается, что электросеть способна выдержать такую нагрузку. Максимум чего мы достигнем, это очень высоких значений протекающего в цепи тока, которые приведут к перегреву мотора и выходу его из строя. Единственный параметр, который при всех режимах работы двигателя претерпит наименьшие изменения - это напряжение в сети. Причём, не имеет значения, говорим мы о постоянном токе или о переменном.

В гидравлической системе роль амперметра исполнит датчик массового расхода жидкости, а в качестве вольтметра выступит манометр. Открывая кран, мы заметим, что движение жидкости увеличилось, при этом давление не изменилось на заметную величину. Только открыв кран полностью, мы отметим значительный рост количества протекающей через него воды и падение давления в системе.

Отсюда вывод:

Отличие постоянного тока от переменного никак не зависит от характера изменения тока в цепи. Просто потому, что подключая к розетке тот или иной электроприбор, мы потребляем ток (не напряжение), а значит, расходуем его в том или ином количестве в зависимости от потребности, независимо от того, переменный ток или постоянный.

Для электросети критичны лишь два параметра - мощность, которую она способна выдать в момент критически высокой нагрузки и напряжение. Сила тока в данном случае - следствие, но не причина.

Почему важна величина напряжения?

В отличие от тока, напряжение - критический параметр, так как оно впрямую отвечает за работоспособность электроприбора. Если напряжение в сети низкое, прибор откажется работать, если завышено, скорее всего, выйдет из строя. Аналогичная ситуация произойдёт и с гидравлической системой - если давление будет низким, вода из крана не потечёт, а если оно будет слишком высоким, лопнут трубы, и вместо того чтобы заниматься более приятными вещами, мы будем бегать с тазами и тряпками, чтобы вода не лилась на головы наших соседей.

Как уже упомянуто ранее, величина тока зависит лишь от того, какой мощности прибор мы подключили к розетке. Если это радиоприёмник, ток будет едва заметным, а если мощный пылесос в 2000 Ватт, то и ток будет значительным. Но, каким образом это можно связать с его "переменностью" или "постоянностью", не до конца понятно.

Очевидно, что авторы учебника сами до конца не понимают, о чём пишут.

Теперь обсудим направление движения тока.

Утверждение о том, что переменный ток в бытовой розетке меняет направление 50 раз в секунду, тоже вряд ли отражает действительность, поскольку формально он движется от "фазного" вывода к "нулевому". То есть, точно так же, как постоянный ток от "плюса" к "минусу". Поставив механический прерыватель в цепь постоянного тока, который бы отключал и включал его с периодичностью 50 раз в секунду, мы получим нечто схожее с переменным током, при этом смены направления тока однозначно не произойдёт. Во всяком случае, множество электроприборов после замены переменного тока "прерывистым" или "пульсирующим" продолжат работать, даже не заметив изменений. Отсюда делаем вывод, что направление движения тока не является серьёзным критерием, отличающим переменный ток от постоянного.

И всё же:

В чём разница переменного тока и постоянного?

Чтобы однозначно ответить на вопрос, который автор учебника сформулировал столь туманно и совсем неубедительно, достаточно подключить к электрической розетке обычный осциллограф, который "умеет" показывать и измерять лишь напряжение. И тогда сразу станет ясно, что Постоянным Током называется отсутствие пульсаций напряжения (а вовсе не тока) на экране, полное или частичное. Соответственно, обнаруженное изменение Напряжения в сети от минимального до максимального по форме, близкой к синусоиде, мы назовём - Переменным током. Периодичность смены - это Частота Сети - 50 или 60 Герц, в зависимости от того, какой стандарт используется в той или иной стране.

Что касается "смены направления тока", то это уже вопрос личного восприятия. Кто-то видит движение синусоиды вперёд, кто-то назад. При этом в любом лабораторном осциллографе имеется ручка "синхронизация", позволяющая "остановить" синусоиду. Интересно, что скажет автор учебника, увидев подобное чудо...

Пришло время сформулировать принципиальное отличие двух типов тока друг от друга.

Определения такие:

Постоянный ток характеризуется незначительным изменением напряжения в источнике питания.

Переменный ток характеризуется периодическим/циклическим изменением напряжения в источнике питания.

Говоря простым языком, для электрической цепи постоянный ток - это равномерный поток заряженных частиц в электрической цепи, плотность которого изменяется по мере его использования потребителем, при этом "давление" частиц в системе сохраняется в определённом диапазоне значений. Тогда переменный ток - это поток зарядов, "давление" которых циклически нарастает, то есть, пульсирует с определённой частотой - 50-60 Герц. При этом направление движения тока никакого значения не имеет.

Иногда можно услышать:

Ток переменного напряжения.

Особо отметим, что это словосочетание максимально точно передаёт суть переменного тока, хотя на первый взгляд выглядит несколько простовато.

Активное и реактивное сопротивление

Сразу договоримся, определение из учебника даже не обсуждаем, так как серьёзно относиться к таким формулировкам вряд ли следует. Во всяком случае, чтобы понять разницу между активным сопротивлением и реактивным, достаточно иметь самый минимальный житейский опыт.

Итак.

Потребитель электрического тока, который просто расходует электричество, превращая его в тепло, свет или как-то иначе, мы называем активной нагрузкой. Современный телевизор с импульсным источником питания, обычная лампочка, водонагреватель, электрическая плитка - это активные потребители. То есть, для них не имеет особого значения - переменный ток в розетке или постоянный. Если напряжение в сети останется в диапазоне 200-250 Вольт, они продолжат исправно работать.

Грубо говоря, происходит тот же процесс, когда мы забрасываем дрова в печку и получаем тепло, либо поливаем огород водой из шланга, просто расходуя имеющийся у нас запас.

Реактивной нагрузкой называется такой тип потребления энергии, когда мы используем второе свойство переменного тока - его пульсацию. Проще говоря, мы практически не расходуем электрические заряды, а пользуемся лишь вибрацией напряжения, существующей в розетке.

Для наглядности такого способа потребления энергии предлагается следующая механическая модель:

В качестве источника энергии используем маятник, к которому имеется возможность подсоединять различные устройства. К примеру, шатун, который с каждым тактом движения маятника туда-сюда будет вращать колесо, а тот в свою очередь приводить в действие водяной насос или токарный станок. В этом случае, в зависимости от нагрузки конечных устройств, мы пытаемся затормозить движение маятника, и тем самым "отбираем" его энергию. То есть, мы не расходуем вещество маятника, отпиливая от него кусочки и кидая в топку, чтобы получить энергию в виде тепла, а используем энергию его колебания.

С электрическим током в розетке происходит тот же процесс - в зависимости от мощности потребителя, реактивная нагрузка проявляется в стремлении изменить форму синусоидального характера переменного тока, но прямого расходования электрических зарядов в этом случае не происходит. Радиоприёмник с трансформаторным блоком питания вообще никак не повлияет на синусоидальный характер изменения напряжения в розетке, а мощный трансформатор или электродвигатель, приводящий в движение какой-нибудь станок или турбину, серьёзно повлияют на синусоиду, сдвинув её на определённый угол относительно "начального значения". Тот самый "косинус фи", который как раз и характеризует реактивную нагрузку. Пару слов об этом "непонятном звере":

Косинус Фи - cos ?

Когда в розетку переменного тока включен активный потребитель - электролампочка или обычный нагреватель, они не оказывают заметного влияния на форму синусоидального тока, снижая лишь её амплитуду - величину напряжения. Но когда в розетку включен электроприбор, имеющий в своём составе электромагнитный контур - катушки или конденсаторы, он не только искажает форму синусоиды питающего напряжения, но и сдвигает её на некоторый угол, что и является потреблением Мощности.

Рис. 39

На картинке выше (Рис. 39) иллюстрируется тот самый "отбор реактивной мощности" электромотором или трансформатором, который визуально представлен сдвигом синусоиды на некоторый угол, означенный как cos ?.

Теперь чуть подробнее о том, каким образом можно потреблять Реактивную Мощность, не используя впрямую электрические заряды - Активную или Электрическую Мощность.

Любое устройство, в котором в качестве активного элемента применяются катушки индуктивности и конденсаторы, будет оказывать переменному току реактивное сопротивление. Главная причина в том, что эти радиокомпоненты в процессе работы "запасают" энергию, когда напряжение в сети находится у максимальных значений, а отдают обратно, когда им вздумается, исходя из конкретных характеристик того или иного прибора. Такое "поведение" оказывает значительное противодействие электрической сети в моменты "несовпадения фаз" сетевого тока и индукционного тока, накапливаемого катушкой, что сопровождается расходованием мощности на противодействие такому изменению. То есть, электростанция вступает в противодействие с конечным устройством, растрачивая дополнительную мощность на то, чтобы сдвига синусоиды на угол фи не происходило.

Конденсатор ведёт себя так же, как и катушка индуктивности - он накапливает "давление тока" со стороны одного своего вывода, а потом отдаёт это усилие с противоположной стороны дальше в электрическую сеть. Отличие конденсатора от катушки индуктивности состоит лишь в том, что он физически не способен проводить сквозь себя ток, но он отлично передаёт Мощность - "вибрацию тока" из одного участка электрической цепи в другой. То есть, утверждение о том, что конденсатор проводит переменный ток, не вполне корректно, поскольку для любого потока частиц - переменного и постоянного - он является изолятором в полной мере.

Если использовать аналогию работы конденсатора с гидравлической системой, то конденсатор представляет собой гибкую мембрану, которая хорошо передаёт механическое движение, но проникновению жидкости из одного участка трубопровода в другой препятствует. Здесь передаётся только усилие, то есть - Мощность.

Проиллюстрируем процесс возникновения реактивной нагрузки:

Рис. 40

Между двумя камерами с поршнями располагаются два отрезка трубы, посредине которых находится отсек с резиновой перегородкой. Поршень первой камеры сдавливает жидкость в левой части рисунка, что приводит к изгибу резиновой мембраны в направлении второй камеры, расположенной справа. Давление из первой камеры передаётся во вторую, что приводит в движение поршень, соединённый посредством шатуна с колесом какого-то исполнительного устройства. Затем поршень в первой камере движется обратно, что вызывает смену направления движения жидкости во второй камере, и как следствие - снижение в ней давления, которое в свою очередь увлекает "правый" поршень в обратном направлении. Повторение этих циклов приведёт к вращению колеса исполнительного устройства, для данной механической системы являющегося Нагрузкой.

Вследствие возвратно-поступательного движения поршня, расположенного в левой части рисунка, и наличия гибкой перегородки, происходит передача Мощности из одной камеры в другую. При этом жидкости, находящиеся в каждой из камер, не имеют непосредственного контакта друг с другом и в процессе работы механической системы не смешиваются и не расходуются.

До тех пор пока на "вторичной стороне" колесо крутится без нагрузки, мощность от Источника, приводящего в движение поршень в камере N1, тратится лишь на компенсацию трения и других конструктивных недостатков системы. Как только мы попробуем притормозить вращение колеса, во всей системе возникнет реактивное сопротивление, которое выразится в повышении мощности "первичной стороны" для её преодоления, а также значительном увеличении нагрузки на все механические элементы конструкции.

Камера с гибкой перегородкой - это физическая модель, иллюстрирующая работу конденсатора в цепи переменного тока. Резиновую мембрану можно заменить на поршень, который под воздействием изменения давлений с разных сторон будет свободно перемещаться внутри цилиндра, как это изображено на следующей картинке:

Рис. 41

Рост давления жидкости в первом (левом) отсеке цилиндра заставляет поршень двигаться вправо, что вызывает рост давления во второй части цилиндра. Затем высокое давление сменится разрежением, в результате чего произойдёт смена направления движения поршня из правой части цилиндра в левую. Повторение этого цикла позволит системе иметь одинаковую мощность в обеих частях единой системы, при этом жидкости, находящиеся в каждой из них останутся изолированными друг от друга.

Полным физическим аналогом конденсатора в механических системах является пружина. При сжатии она накапливает определённую мощность, а при распрямлении отдаёт её обратно в систему.

Прежде чем перейти к следующему этапу размышления, нелишним будет ответить на простой вопрос:

Где конденсатор хранит электричество?

Несмотря на то, что современная физика местом хранения электрических зарядов уверенно называет металлические пластины, а диэлектрик между ними считает лишь изолятором, в этом утверждении можно усомниться. Более того, проведя несколько несложных опытов с минимумом приборов и материалов, легко доказать, что обкладки конденсатора выполняют роль "транспорта" для электрических зарядов, а основное их место хранения находится как раз в диэлектрике. Для проведения опыта нам потребуется вольтметр, источник постоянного напряжения, несколько пластин листового железа, меди или алюминия, а также лист любого пластика или оргстекла.

В первом эксперименте между металлических пластин мы положим лист оргстекла и зарядим получившийся конденсатор напряжением от блока питания. Замерив напряжение на пластинах, убедимся, что зарядка нашего конденсатора прошла успешно. Далее проделаем следующую операцию - поднимем верхнюю пластину, чтобы перевернуть лист пластика, после чего накроем его той же пластиной. Теперь замерим напряжение и с удивлением обнаружим, что напряжение на нашем конденсаторе осталось прежним, но полярность его поменялась.

Теперь условия опыта можно немного изменить.

Первую часть эксперимента проведём снова и зарядим "конденсатор", подав напряжение с блока питания на металлические пластины, между которыми находится лист пластика. Возьмем ещё две пластины металла, до этого лежавшие друг на друге, и поместим между ними лист пластика, который мы только что зарядили с помощью других металлических пластин. Очевидно, что на пластинах, которые до этого лежали друг на друге, не может быть никакого напряжения, поскольку они были замкнуты. Теперь лист "заряженного" пластика лежит между ними и изолирует их друг от друга. Замерим напряжение, и опять обнаружим наличие напряжения, что уже не станет для нас большой неожиданностью. Переворачивание листа пластика также даст ожидаемый результат - полярность напряжения поменяется на противоположную.

Таким образом, два эксперимента, для проведения которых не требуется никаких дорогостоящих материалов и приборов, однозначно покажут, что электрические заряды сохраняются вовсе не на металлизированных обкладках конденсатора, а в его "диэлектрическом теле", состоящем из бумаги, слюды, керамики и других материалов - изоляторов для электрического тока.

Соответственно, об электрическом поле, сортирующем заряды разного знака на пластинах, и многом другом, о чём пишут в учебниках физики по поводу конденсатора, можно смело забыть.

Транспортировка электричества

Считается, что передача постоянного тока на большие расстояния сопряжена с огромными потерями мощности, и этого недостатка лишены линии электропередач переменного тока. Первое утверждение верно лишь отчасти, как впрочем, и второе. На самом деле, главное преимущество переменного тока - удобство его преобразования, как в сторону повышения напряжения, так и в сторону уменьшения. Можно также добавить, что на этом его достоинства заканчиваются.

Первая проблема при транспортировке переменного тока возникает уже на выходе с электростанции и главный её виновник - воздух. Любой диэлектрик для переменного тока не является в полной мере изолятором, так как он является хорошим проводником Мощности, что проиллюстрировано на картинках 40 и 41. Соответственно, главные потери в высоковольтных линиях электропередачи - ёмкостные. Благодаря пульсирующему характеру напряжения в таких сетях, электрические заряды насыщают собой окружающий воздух настолько плотно, что газовая смесь, которой по природе положено быть изолятором, приобретает довольно неплохие свойства электропроводимости. Даже без ярких вспышек коронных разрядов и прогорания гирлянд изоляторов, каждую секунду такая линия теряет огромное количество мощности, поставляемой от электростанции к потребителю.

Неизлечимая болезнь всех сетей переменного тока - значительные индуктивные потери. Главное удобство переменного напряжения - лёгкость его трансформации, на стороне потребителя оборачивается вторым по значимости фактором потери мощности. Любой трансформатор является катушкой индуктивности, а для того чтобы высокое напряжение снизить до бытового уровня 0.4 кВ, переменному току понадобится пройти через несколько понижающих подстанций, каждая из которых снижает общее КПД системы.

На современном уровне развития электроники преобразование постоянного тока в сторону увеличения напряжения до сотен киловольт и выше уже не представляет серьёзной технологической трудности, поэтому некоторые энергетические компании присматриваются к возможности полностью изменить концепцию транспортировки электричества на дальние расстояния. Причём, нет серьёзной необходимости вести его до конечного потребителя. Часть оборудования, работающего на переменном токе и напряжениях не выше 3кВ, вполне может использоваться, как и прежде. В этом случае конечный потребитель даже не заметит никаких изменений. При этом стоимость транспортировки электричества от электростанции до распределительной сети должна заметно снизиться.

Факторы для этого следующие:

- воздух для постоянного тока является хорошим изолятором. Чтобы окончательно исключить атмосферное влияние на электрические провода высокого напряжения, они могут быть дополнительно изолированы, что позволит снизить потери мощности до уровня статистической погрешности. Это актуально для регионов, где влажность воздуха изменяется в широком диапазоне значений. В местах с засушливым климатом дополнительная изоляция проводам не требуется.

- высоковольтную линию постоянного тока не обязательно поднимать высоко над поверхностью земли. Более того, она может быть проложена под землёй и даже проходить по дну моря при использовании соответствующей изоляции.

- постоянный ток не требуется согласовывать с другими сетями по фазе, его можно соединять в параллель даже если напряжения на сопрягаемых участках заметно отличаются. Этот технологический момент позволяет в разы повысить надёжность электроснабжения, при этом значительно сэкономить на коммутационном оборудовании.

- реактивное сопротивление в цепях постоянного тока возникнуть не может, поскольку все катушки индуктивности при постоянном токе имеют только омическое сопротивление, а конденсатор для него - изолятор.

Часть 6. Магнетизм и Электромагнетизм

Трудно представить, как мог выглядеть окружающий нас мир, если бы человечество не знало об удивительных свойствах магнитов и не научилось их использовать. Применение их в технике и повседневной жизни столь многогранно, что даже перечисление всех возможных способов использования магнитов заняло бы немало времени. На протяжении всей истории человечества многие выдающиеся умы неоднократно предпринимали попытки объяснения столь необычного природного явления, но до сих пор нет чёткого и однозначного ответа на вопрос:

Что такое магнит и почему он действует именно так?

Попробуем разобраться с этим удивительным явлением - почему оно возникает, каковы "тайные рычаги и пружины", заставляющие один магнит притягивать и отталкивать другие магниты. Как и прежде, в основе размышления - механические принципы взаимодействия материальных объектов.

Приступим...

Для начала заглянем в учебник физики:

Магнетизм - форма взаимодействия электрических зарядов, осуществляемых на расстоянии посредством магнитного поля.

Формулировка вызывает вопросы, как с точки зрения традиционной физики, так и с позиций предлагаемой концепции.

Первое возражение:

Какую роль играет электрический заряд в возникновении магнетизма у обычного магнита?

Известно, что при протекании электрического тока через соленоид - катушку из провода, намотанного на железный сердечник, действительно возникает магнитная сила. Но как быть с обычным магнитом, ведь к нему электричества не подключить, а он притягивает и отталкивает другие магниты ничуть не хуже соленоида?!

Нетрудно догадаться, что представление о происхождении магнетизма у обычного магнита строится исключительно по аналогии с катушкой, по которой пропущен электрический ток. Поскольку при этом всегда возникает магнетизм, то вполне естественно предположить, что и в магните всё происходит схожим образом, а значит, электрический заряд - тот самый садовник, на которого можно повесить любое преступление. А ведь у подозреваемого есть железное алиби - электроскоп, прибор, существующий как раз для того, чтобы обнаруживать заряды. Достаточно провести пару-тройку простейших экспериментов с мощными магнитами вблизи электроскопа, чтобы убедиться в полной непричастности электрического заряда к возникновению магнетизма.

Тем не менее, заряд всё же играет определённую роль в этом спектакле, но не совсем ту, что описывает учебник физики. Об этом несколько позже...

Второе возражение впрямую касается Закона сохранения Энергии/Массы, пожалуй, наиглавнейшего Закона природы, который до недавнего времени ещё никому не удалось преодолеть. И только магниту традиционная наука почему-то позволяет его игнорировать. Правда, грубое нарушение закона существует лишь в том случае, если мы считаем, что магнит сам является источником магнетизма.

Напомним суть возникающего парадокса:

В процессе взаимодействия магнита с железными предметами и другими магнитами возникает сила, которая по существующим законам физики обязана сопровождаться определёнными энергетическими изменениями в системе взаимодействующих тел. Поскольку ничего подобного мы не регистрируем, приходится констатировать явное противоречие с Законом сохранения Энергии/Массы. То есть, сила притяжения и отталкивания магнитов не сопровождается, ни изменением их температуры, плотности или массы, не возникает даже электризации окружающего пространства или каких-то сопутствующих излучений, которые в сумме как раз и сводят энергетический баланс каждого конкретного взаимодействия к единице.

С катушкой, по которой протекает электрический ток, ситуация в точности повторяется. Какую бы силу не развивал соленоид по притяжению или отталкиванию магнитов и железных предметов, ток в цепи останется неизменным, что также является грубейшим нарушением Закона сохранения Энергии/Массы. Колебания стрелки амперметра мы увидим лишь в моменты изменения позиций взаимодействующих тел, но как только движение прекратится, показания тут же вернутся к первоначальным значениям. Сила взаимодействия при этом никуда не денется, независимо от интенсивности процессов притяжения или отталкивания.

Возникает парадоксальная ситуация - Сила есть, а никаких энергетических изменений мы не регистрируем, к примеру, такого очевидного параметра как температура. Вот и получается, что магнит и электромагнит существуют как бы вне законов физики. Традиционная наука закрывает глаза на столь вопиющий факт, поскольку действующая ныне теория считает магнит одновременно Источником и Носителем магнетизма.

Следующее возражение не столь категоричное, поскольку оно касается терминологии, а именно:

Что наука называет магнитным полем?

Учебник по этому поводу многословен, но не слишком конкретен. Если из формулировки выбросить всё лишнее, то мы получим следующее:

Магнитное поле - это силовое поле; магнитная составляющих электромагнитного поля.

При всём разнообразии знаний о действии магнитов, в учебнике ни слова о том, что собой представляет магнитное поле, откуда возникает и почему именно такие свойства имеет. Единственная полезная зацепка - ссылка на то, что магнитное и электрическое поля являются составляющими электромагнитного поля.

За эту ниточку и потянем в надежде размотать целый клубок...

Электромагнитное поле

Выше по тексту такое понятие как Электромагнитное Поле уже обсуждалось, но по большей части в сравнении с зарядом. Возникновение электромагнитного поля у магнита и катушки, по которой пропущен электрический ток, тоже упоминалось, но лишь в качестве примера. Пришло время заострить на этой теме внимание и разобраться, что мы понимаем под термином - электромагнитное поле. А также, какова его роль в возникновении магнетизма и электромагнетизма.

Для начала определимся с понятием - Физическое Поле.

Заглянем в учебник:

Поле в физике -- физический объект, классически описываемый математическим скалярным, векторным, тензорным, спинорным полем, подчиняющимся динамическим уравнениям. Другими словами, физическое поле представляется некоторой динамической физической величиной, определённой во всех точках пространства.

Из приведённой формулировки можно понять только то, что Поле - физический объект, являющийся динамической системой. Конечно же, электромагнитное поле вовсе никакая не "физическая величина", потому как оно легко регистрируется различными приборами, а значит, мы имеем дело с Объектом.

Поскольку формулировка из учебника допускает двойственное толкование термина, делаем вывод о том, что физика ещё не до конца определилась, что такое Поле, а ссылка на то, что его можно описать лишь средствами математики, лишь усиливает такое подозрение. Раз так, будем разбираться самостоятельно.

Для того чтобы далее по тексту всё внимание сконцентрировать на физическом объекте, называемым нами Полем, было бы уместно указать на его принципиальные отличия от Потока, Тока и Излучения.

Современная наука отличает Поток от Излучения лишь формально по местоположению Источника - далеко или в непосредственной близости. Проще говоря, если существует указание на конкретный Источник каких-либо частиц, движущихся поступательно в Пространстве, то это - Излучение. В случае, когда упоминание об Источнике отсутствует, к примеру, вследствие значительной удалённости от него, такое солидарное движение частиц обычно называется Потоком.

Конечно, различий между Потоком и Излучением несколько больше. Несмотря на то, что в большинстве случаев термины - Ток, Поток и Излучение являются физическими синонимами, их применение всё же следует увязывать с определённым контекстом. Направленное движение электричества в проводнике традиционно именуют Током, Потоком называют перемещение материальных объектов, не обладающих какими-то выдающимися энергетическими способностями. К примеру, поток воздуха, воды, движение автомобилей по автостраде, перемещение людей на оживлённой улице. Обычно в таких случаях важнее количество участников, а не их индивидуальные качества. Излучение всегда состоит из высокоэнергетических частиц, то есть - носителей энергии в том или ином виде. Тепловое излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое и так далее. То есть, первостепенным фактором здесь являются индивидуальные особенности частиц, перемещающихся в потоке, такие как - высокая температура, наличие электризации, проникающая способность, скорость движения.

Общим для Потока, Тока и Излучения можно считать факт их перемещения в Пространстве. Пожалуй, это и является принципиальным отличием их от Поля, которое позиции в Пространстве не меняет, несмотря на подвижность его элементов. Каким-либо образом перемещаться в Пространстве Поле может только вместе со своим Источником, который является ядром всей системы и центром симметрии движения его элементов.

Итак, мы определились с главной отличительной чертой Поля от родственных ему явлений - являясь динамической системой, обладающей каким угодно энергетическим потенциалом, Поле не меняет позицию в Пространстве, а значит, формально пребывает в состоянии Покоя.

Здесь следует ещё раз заострить внимание на том, что Покой от Неподвижности отличается ровно так же, как спящая птичка от мёртвой. Просто потому, что постулат Аристотеля о вечном беспрерывном движении Материи является главным условием её существования, а значит, и нашей Вселенной тоже. Именно по этой причине такое состояние как Неподвижность в рамках существующего размышления рассматривается лишь в качестве вольного речевого оборота, не имеющего под собой никакого физического воплощения.

Неизменность позиции в Пространстве возможна лишь при условии, что элементы, формирующие Поле, движутся по замкнутым траекториям. Круговая орбита - наиболее простой способ организации такого типа перемещения, но для возникновения Поля этого недостаточно. Добавим к вращению поступательное движение, и мы получим спираль. Завершим построение использованием третьего перпендикуляра - соединим концы спирали, и получим замкнутую систему, которая заполняет собой Пространство во всех трёх измерениях одновременно. Именно так и должно выглядеть Поле в реальности.

Смотрим следующую картинку:

Рис. 42

Конечно, это лишь вольная визуализация Поля и в значительной степени упрощённая. Тем не менее, здесь отчётливо видна траектория движения его отдельного элемента, которая совмещает в себе два типа движения по окружности - продольное и поперечное. Другими словами, по строению электромагнитное поле всегда представляет собой тороид, у которого можно выделить два главных элемента - периферическую часть, внешне схожую со сферой, и центральную, чем-то напоминающую трубу, расширенную с двух концов. Соответственно, плотность частиц, формирующих столь необычный физический объект, на периферии будет низкой, а ближе к геометрическому центру - более насыщенной.

Вспомним, что традиционная физика не рассматривает Поле в качестве полноценного физического объекта. Наверное, именно поэтому так трудно найти какие-либо упоминания о структуре его строения в учебниках. Существующая математическая модель поля понятна лишь математикам, но и они вряд ли считают поле чем-то реально существующим, а значит, тоже не спешат его как-то визуализировать.

Далее попробуем ответить на вопрос:

Существуют ли другие физические поля, к примеру - магнитное и электрическое?

Если руководствоваться школьным курсом физики, то можно сказать вполне определённо - Конечно существуют! Но стоит немного задуматься, и ответ уже не будет выглядеть столь очевидным. Дело в том, что в качестве самостоятельных физических объектов магнитное и электрическое поле обнаружить не так-то просто. Если имеется в виду магнитное поле, то скорее мы регистрируем направленный поток частиц с присущими ему признаками. Когда речь заходит об электрическом поле, то чаще всего за него выдаётся электромагнитное поле, либо какое-то излучение, опять же, имеющее все признаки направленного потока. В любом случае, если в проводе возникает электрический ток, то стрелка компаса на него обязательно среагирует, что в очередной раз подтвердит неразрывную связь электричества с магнетизмом.

Смотрим на следующие картинки из учебника:

а)

б)

Рис. 43

Первое изображение (рис. 43а) иллюстрирует возникновение кругового магнитного потока вдоль проводника, по которому протекает электрический ток. Очевидно, что это явление существует на всей дистанции от плюсового вывода источника тока до минусового. Правда, рисунок из учебника следует немного поправить, соединив магнитные силовые линии в единую спираль, чтобы в точности соблюдалось правило буравчика. Также отметим, что направление движения тока и действия магнитной силы всегда располагаются взаимно перпендикулярно.

На следующей картинке (рис. 43б) тот же процесс, но здесь участники поменялись местами - теперь магнит движется поступательно, вследствие чего возникает ток в проводнике, намотанном по окружности. И опять мы видим, что направление движения тока и магнитный вектор располагаются по отношению друг к другу строго перпендикулярно.

Довольно трудно себе представить пару объектов, которые всегда располагались бы по отношению друг к другу под каким-то определённым углом, при этом были бы в полной мере независимыми. Здесь же взаимное расположение заведомо известно - если где-то обнаружена магнитная индукция, значит, тут же будет и электрический ток - долго искать не придётся.

Повторим предыдущий вопрос:

Где здесь магнитное и электрическое поле?

В первом случае (рис.43а) мы видим магнитный поток, который вращается по всей длине проводника, перемещаясь синхронно с электрическим током от одного полюса источника к другому. Во втором (рис. 43б) электрический ток движется поступательно по проводнику, намотанному по спирали, а направление его строго согласовано с движением магнита.

Отметим и тот момент, что для возникновения магнетизма и электрического тока обязательно требуется что-то физически перемещать - либо магнит, либо ток в проводнике - это непременное условие возникновения индукции. То есть, мы отмечаем существование третьей силы, участвующей в этом процессе, а именно - гравитации, поскольку именно она проявляет такие свойства материальных объектов, как масса и инерция.

Теперь вспомним, в чём состоит главное отличие Поля от родственных ему явлений - Потока, Тока и Излучения. Оно заключается в том, что Поле всегда покоится, то есть, не изменяет свою позицию в Пространстве, а если и движется, то только вместе с Источником. Очевидно, что условие неизменности пространственного расположения участников взаимодействия грубо нарушается, поскольку в первом случае мы фиксируем строгую направленность действия магнитной силы, а во втором - движение электрического тока по проводнику. Из этого наблюдения делаем вывод, что магнетизм и электричество не удовлетворяют основному признаку Поля - пребыванию в состоянии Покоя. То есть, ни электричество ни магнетизм полем не могут быть физически, поскольку всегда куда-то перемещаются в Пространстве.

Подытожим:

Магнитного и электрического полей, которые соответствовали бы определённым требованиям, мы обнаружить не смогли. Вместо них мы имеем дело с потоками - магнитным и электрическим. Их перемещение в Пространстве очевидно и легко фиксируется различными приборами. Будучи взаимно перпендикулярными направленными потоками по отношению друг к другу, в совокупности они формируют такой физический объект, как - электромагнитное поле.

Теперь нам известны как минимум два обязательных компонента электромагнитного поля - это его Потенциалы - магнитный и электрический.

Откуда они взялись и что собой представляют?

Рассмотрим строение электромагнитного поля, а если точнее - траектории перемещения составляющих его частиц.

Как уже было отмечено ранее, форма электромагнитного поля представляет собой тороид, в просторечии называемый - бублик или баранка. Как и сфера - это тоже фигура вращения, но ось симметрии здесь не точка или прямая линия, а окружность. Соответственно, тороид можно получить только совмещением двух типов вращения - телесного, совпадающего с центральной осью фигуры, и поперечного, строго перпендикулярного первому.

Рис. 44

На картинке уже знакомый нам Заряд, которому природа поручила роль Источника электромагнитного поля. Если особо не придираться, то между Зарядом и Электромагнитным полем можно смело ставить знак равенства, поскольку это физические синонимы, а значит, они существуют только в комплекте друг с другом.

Теперь выделим две составляющие Поля:

Чёрная стрелка, указывающая вверх - магнитный потенциал Поля и Заряда.

Зелёная стрелка, находящаяся внутри "тела" бублика - их электрический потенциал.

Снаружи - образование, внешне схожее со сферой - это электромагнитное поле, образуемое двумя взаимно перпендикулярными направлениями движения частиц, формирующих данный физический объект.

Ещё раз акцентируем этот момент - Заряд и Электромагнитное поле раздельно существовать не могут. То же самое можно сказать и о двух его потенциалах - магнитном и электрическом, они также неразделимы. Именно поэтому не существует отдельно - ни электрического поля, ни магнитного, а есть потенциалы - магнитный и электрический, в совокупности образующие электромагнитное поле. Как раз по этой причине мы не можем из электромагнитного поля одновременно получить электричество и магнетизм, всегда приходится выбирать что-то одно. Как в детской сказке - либо дудочку, либо лукошко, а вместе никак - потому что свойства электромагнитного поля позволяют в один момент реализовать лишь один из его потенциалов - либо магнитный, либо электрический.

Теперь пришло время ответа на вопрос:

Каким образом возникает электромагнитное поле у магнита и катушки из провода?

Учебник физики утверждает, что поле у магнита имеется изначально, а у соленоида оно возникает вследствие движения по проводу электрического тока. Оба утверждения верны лишь отчасти, поскольку электромагнитное поле у магнита действительно возникает в тот самый момент, когда кусок железа обретает магнитные свойства. То же самое можно сказать о соленоиде - в момент подключения электрического тока к катушке вокруг неё возникает электромагнитное поле. Вопрос лишь в том, откуда это поле берётся?

Чуть ранее по тексту мы предположили, что магнит и соленоид вряд ли являются первичными источниками электромагнитного поля, так как это противоречит Закону сохранения Массы/Энергии. Поэтому единственно верный ответ напрашивается сам собой:

Магнит и соленоид являются хорошими проводниками уже существующего электромагнитного поля, которое мы привычно называем Магнитным полем Земли.

То есть, первичным источником электромагнитного поля является вовсе не отдельный кусок намагниченного железа или катушка с проводом, а вся планета, ядро которой создаёт поток частиц, приводящих к возникновению электромагнитной индукции. Только в этом случае магнит и катушка не нарушат закон сохранения Энергии/Массы.

Существующий в традиционной физике парадокс разрешается следующим образом:

Поскольку магнит не является источником энергии, которую через себя пропускает, то ему нет никакой нужды тратить какие-либо физические ресурсы на силовое взаимодействие с другими магнитами и железными предметами, а значит, нет повода и для нарушения закона сохранения Энергии/Массы.

Если применить метод аналогий, то постоянный магнит можно сравнить с пушкой. Она стреляет снарядами, которые необходимо где-то изготовить и вовремя подвезти на позицию. При каждом выстреле пушка не расходует ни грамма собственной массы, но свою основную функцию исполняет исправно, нанося удары по целям. Вопрос происхождения "огневой силы" у орудия также не вызывает вопросов - она целиком заключена в снаряде, а пушка его приводит в действие и направляет к цели. Вот и получается, что "боеприпасы" поступают из ядра планеты, транспортом для них служит Магнитное поле Земли, но и магнит в этом шоу играет далеко не последнюю роль.

То же можно сказать и о катушке, ведь "топливом" для возникновения у неё магнетизма выступает вовсе не электричество, поэтому магнитная сила соленоида никак не зависит от величины электрического тока в цепи. Сравним катушку с двигателем внутреннего сгорания. Электричество нужно лишь для маленькой искры, которая сама по себе не в состоянии сдвинуть с места даже лёгкое пёрышко. Но она воспламенит топливную смесь внутри камеры сгорания и двигатель начнёт раотать. Независимо от того, какую мощность развивает мотор автомобиля, количество электричества, потребляемое системой зажигания, будет постоянным, что подтвердит обычный амперметр.

Следующий предварительный итог размышления:

Магнит и соленоид не обладают достаточной внутренней энергией для возникновения у них магнетизма, но для силового взаимодействия с другими телами они успешно используют более мощный Источник - Магнитное поле Земли.

Магнитное поле Земли

Ранее уже отмечалось, что образуемое планетарным ядром поле несёт в себе обе составляющие одновременно - магнитную и электрическую. Соответственно, называть планетарное поле только магнитным не вполне корректно. Тем не менее, в дальнейшем повествовании мы продолжим использовать название - Магнитное поле Земли, как исторически сложившееся и привычное для слуха.

Теперь попробуем ответить на вопрос:

Почему Магнитное поле Земли взаимодействует преимущественно с атомами металлов "железной группы"?

Ответ может показаться очень простым:

Потому что ядро планеты тоже состоит из железа.

Конечно, столь смелое утверждение требует обоснования с позиций традиционной физики, но в разы интереснее это сделать на примере теории музыки и закономерностей, которые мы обобщаем термином - Гармония. Может показаться, что наука бесконечно далека от нот, диезов, бемолей и октав. Тем не менее, колебания звуковой частоты физика рассматривает в разделе - акустика, поэтому сосредоточим внимание на той области знаний, где ноты и октавы обретают вполне понятные физические характеристики, такие как - частота и длина волны.

Итак:

Семь нот и пять полутонов составляют одну октаву. Все двенадцать полутонов октавы по отношению друг к другу изменяются в логарифмической зависимости, и тем же образом происходит переход в следующую октаву. Если целиком полагаться на собственные ощущения, одна и та же нота в разных октавах звучит совсем непохоже. Тем не менее, убедиться в том, что разные по частоте звуки являются одной нотой довольно просто, достаточно лишь расположить рядом две струны, настроенные на эту ноту в разных октавах, и вибрация одной приведёт в движение вторую. И так будет происходить с любой произвольно выбранной нотой. Стандартное объяснение для такого явления - Резонанс, но для его возникновения требуется соблюдение важного условия, а именно - две струны будут резонировать лишь в том случае, когда частоты их звучания кратны чётному числу. К примеру, нота "Ля" в фортепиано пооктавно имеет такие частоты: 27.5, 55, 110, 220, 440, 880, 1760, 3520 Гц.

Для дальнейших рассуждений этой информации вполне достаточно.

Картинка из учебника по музыке:

Рис. 45

На следующей картинке та же зависимость, но уже в виде таблицы частот для каждой клавиши:

Рис. 46

Теперь сопоставим её со следующей, более популярной и известной таблицей:

Рис. 47

На клавиатуре фортепьяно (рис. 45) все ноты располагаются в одном ряду, просто потому, что так играть удобнее. А вот таблица частот для каждой клавиши фортепиано (рис. 46) уже имеет много общего с таблицей химических элементов.

Попробуем их сравнить друг с другом:

Первый период (рис. 47) несколько выбивается из общей логики, поскольку в нём всего две "ноты" - Водород и Гелий, но дальше идут полноценные по своему составу "октавы". Отметим также, что в "химической октаве" на одну "ноту" больше, чем в музыкальной. Зато периодов - семь, ровно столько, сколько октав на клавиатуре фортепиано.

Следует заметить, что и первый период не так уж сильно портит общую картину, поскольку Водород - весьма необычный химический элемент. Химики прекрасно знают, что водород, являясь типичным галогеном, проявляет также и металлические свойства. Именно по этой причине в разных вариантах таблицы его помещают, как в первую группу над Литием, так и в седьмую над Фтором. То есть, обладая таким редким талантом перевоплощения, водород вполне может заполнить собой весь первый период, выражаясь языком музыкантов - "с первой по седьмую цифру". По крайней мере, изотопов у него как раз столько - семь, что в сумме с Гелием даёт нам полноценную "химическую октаву", состоящую из восьми "нот".

Второй и третий периоды содержат по восемь элементов. Их мы условно назовём - "классическими химическими октавами". Четвёртый и пятый периоды в своём составе имеют уже по восемнадцать элементов, тем не менее, групп всё равно восемь. Дело в том, что в каждую из них входит по два элемента, атомная масса которых немного отличается, но "звучат" они, по всей видимости, на одной "ноте".

Восьмая группа (вертикальный столбец) таблицы вообще уникальна, поскольку в ней уже четыре элемента - три металла и один благородный газ. По ходу повествования все её элементы мы относим к так называемой "железной группе".

Шестой и седьмой периоды содержат по тридцать два элемента, поскольку в них входят лантаноиды и актиноиды, вынесенные в отдельную секцию в самом низу таблицы. Тем не менее, несмотря на большое количество элементов в периоде, каждый из них всё равно относится к какой-то одной "ноте" из восьми в нашей "химической октаве".

Можно смело утверждать, что увеличение атомной массы элементов периодической таблицы с ростом их атомного числа - та же логарифмическая зависимость, что и в музыкальном звукоряде. Для наглядности этого утверждения немного схитрим, и подберём из двух картинок (рис. 46 и 47) пару-тройку элементов так, чтобы их можно было бы назвать "подгонкой под требуемый результат".

К примеру:

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рис. 48

На картинках выше (рис. 48) сравним частоту определённых нот по порядку и атомную массу последовательности химических элементов. Первая пара (рис. 48а, 48б) - Цинк, Галлий, Германий: 65,40-65,39; 69,29-69,72; 73,41-71.59. Вторая (рис. 48в, 48г) - Магний, Алюминий, Кремний: 24,49-24,3; 25,95-26,98; 27,5-28,08. Третья (рис. 8д, 8е) - Ванадий, Хром, Марганец: 48,99-50,94; 51,91-51,99; 55-54,93.

Мы видим довольно неплохую "кучность попадания", которую можно было бы списать на случайность, но только не в таком количестве. Три пары на сотню элементов - это уже некая закономерность, указывающая на то, что атомные массы элементов химической таблицы близки к тому, что мы привыкли называть логарифмической зависимостью.

Конечно, полного совпадения нет и быть не может, потому как в отличие от частоты того или иного звука атомная масса химического элемента высчитывается экспериментально на "типичных" образцах и уточняется буквально ежедневно. И всё равно нет полной уверенности, что измерения производились с "чистым элементом", а не с одним из его изотопов, ведь даже у Водорода их семь, притом, что водород считается наиболее изученным наукой.

С "железной группой" тоже нет полной ясности, говорим мы о трёх самостоятельных элементах - Железе, Никеле и Кобальте, либо об одном "протожелезе", имеющем два-три "суперстабильных" изотопа и ещё пару десятков нестабильных. Смотрим следующую картинку:

Рис. 49

Обратим внимание, что в паре Кобальт - Никель имеется одна едва заметная "неловкость", которая у других элементов таблицы не наблюдается. Дело в том, что с ростом атомного числа (27-28), атомная масса элементов наоборот уменьшается (58,93-58,69), что довольно грубо нарушает общую логику периодического закона. У Висмута и Полония (83-84) атомная масса совпадает до второго знака после запятой, а у Лантана и Церия (57-58) до четвёртого, но всё же, снижения атомного веса не наблюдается. Тем не менее, не будем придираться к таким "мелочам", поскольку тема размышления несколько иная.

Продолжим...

Итак, сравнение показывает, что мир химических элементов строится по тем же гармоническим принципам, что и звукоряд в музыке. Конечно, это не слишком очевидно, ведь о существовании атомов мы знаем только из учебника химии. Но и слушая музыку, редкий человек задумается, из каких нот состоит та или иная мелодия. Так что - ничья!

Прежде чем перейти от музыки обратно к физике, ответим на вопрос:

Почему с ростом номера периода количество элементов в нём растёт, при этом групп в таблице неизменно восемь?

Для ответа снова используем метод аналогий.

Известно, что первой на клавиатуре фортепьяно располагается контроктава - это басы. То есть, звуки с самой низкой частотой и наибольшей длиной волны. Человеческое ухо их ещё слышит, но уже на пределе восприятия. Более низкий звук, называемый суббас, практически не воспринимается органами слуха, обычно его мы чувствуем как вибрацию тактильно либо грудной клеткой.

Количество музыкальных инструментов, способных издавать звук в басовом диапазоне, сильно ограничено, и это всегда большие по размеру инструменты - контрабас, рояль, виолончель, арфа, поскольку басовая струна должна быть не только толстой в сечении, но и достаточно длинной. В первом периоде таблицы располагаются Водород и Гелий, это самые большие по пространственным габаритам атомы в сравнении со всеми остальными. Структура построения таблицы химических элементов как раз отражает эту зависимость - по мере роста порядкового номера атомы уменьшаются в размерах, но их масса, наоборот, растёт. По "музыкальной классификации" Водород следует отнести в звуковой диапазон суббаса, который воспринимается как вибрация и именно поэтому так трудно определить, какой "ноте" он лучше соответствует - щелочным металлам или галогенам.

Во втором и третьем периоде уже по восемь элементов, поскольку они хорошо отличимы друг от друга, и для каждого из них существует своя "нота". Четвёртый и пятый период таблицы являются близкими аналогами четырём последующим октавам на фортепьяно. Одной "ноте" в такой "октаве" уже могут соответствовать несколько атомов. Этот диапазон размеров атомов назовём условно "химическая средняя частота". А теперь представим симфонический оркестр, в котором сразу несколько различных инструментов звучат на одной ноте - струнные, духовые и даже голос солиста. Другими словами, средняя частота уже легко воспроизводится многими музыкальными инструментами, да и человеческий голос способен их имитировать вполне убедительно.

Последние два периода - это условно "высокочастотная область". Здесь наибольшее количество элементов, способных "звучать на одной ноте", а их "природным аналогом" будут различные звуки, напоминающие скрип деревянного пола, щебет птиц, жужжание пчелы, писк комара, звон разбивающегося стекла и нечто подобное.

То есть, мы имеем явную закономерность - чем выше частота, тем больше инструментов способны звучать на одной ноте. Тем не менее, мы всегда отличим скрипку от саксофона, точно так же как платину от железа, которые принадлежат одной группе элементов. То есть, нота может быть одна, а тембр звучания разный.

Пришло время сделать очередные полезные выводы из столь пространного экскурса в теорию музыки, и они будут такие:

Наша Вселенная устроена достаточно гармонично, а звукоряд - лишь одна из граней, отражающая повторяемость форм и свойств материальных объектов вне зависимости от их пространственных характеристик. Важна структура строения, которая прочно связывает различные по масштабу объекты в единую и глубоко взаимосвязанную иерархическую систему. Явление резонанса - лишь один из природных сценариев, благодаря которым взаимодействуют объекты, относящиеся к разным ступеням размерности. Атом нельзя рассмотреть в современный микроскоп, но на "старшем" уровне размерности он обязательно имеет собрата-двойника с габаритами, позволяющими его изучать множеством доступных инструментальных методов. Просто потому, что любая планета по своему строению практически ничем не отличается от атома, разве что размерами.

Следующая картинка:

Рис. 50

Здесь мы видим нашу планету так, как её представляет современная наука - жидкое ядро внутри, твёрдая оболочка снаружи, а между ними нечто очень подвижное и горячее. Согласно предлагаемой в данном размышлении концепции Атом имеет точно такое же строение, что и любая планета. Для упрощения дальнейшего повествования предлагается следующий схематический образ:

Рис. 51

Зелёная окружность в центре (рис. 51) - планетарное ядро, синяя - твёрдая оболочка, а красный пунктир - её электромагнитное поле. Картинка знакомая, так как ранее мы уже использовали подобный "образ" в размышлении, посвящённом атомам и молекулам. Следует также отметить, что по своим пропорциям земная атмосфера укладывается в те же границы, что и Магнитное поле Земли, из чего можно сделать предположение об определённой взаимосвязи между ними. Сейчас не будем на этом моменте акцентировать внимание, поскольку тема рискует обрасти множеством подробностей, на которые отвлекаться вряд ли стоит.

Продолжаем...

Согласно представленной выше схеме (рис. 51) мы имеем дело с типичным металлом, поскольку активная зона ядра (красный пунктир) расположена за пределами оболочки атома (синяя окружность). У газов и неметаллов она располагается внутри атома.

Развивая идею структурного сходства планет с атомами, можно ещё точнее идентифицировать Землю, расположив её в "Глобальной Таблице Менделеева" как раз там, где находится VIII группа элементов. К ней относятся железо, кобальт, никель и все, что располагаются под ними. Следует также отметить, что Меркурий, Венера и Марс относятся к той же восьмой группе элементов, что и Земля.

Главной особенностью "железной группы" металлов является наиболее высокая плотность ядра в сравнении со всеми остальными химическими элементами. Соответственно, Юпитер и Сатурн в "глобальной таблице Менделеева" займут весь первый период. То есть там, где в классической таблице элементов располагаются Водород и Гелий. Как известно, плотность их невысока, но пространственные габариты весьма впечатляющие.

Отметим также, что первый период таблицы является "пограничным" для рассматриваемого нами иерархического уровня, за которым будет уже другая размерность. Юпитер и Сатурн тоже обладают определёнными "переходными" признаками, согласно которым их можно считать и "очень рыхлыми" атомами и "достаточно плотными" зарядами. Наличие у них большого количества спутников, имеющих все признаки планет, а именно - собственную гравитацию и вулканическую деятельность, также свидетельствует в пользу "необычности" планет-гигантов. Во всяком случае, астрономы давно замечают, что Юпитер не только отражает солнечное излучение, но и обладает собственным, что свойственно лишь звёздам.

Согласно периодическому закону пространственные размеры атома по мере роста его порядкового номера уменьшаются, а масса наоборот, увеличивается. Вторая важная особенность, это рост плотности атомного ядра к середине периода, после чего она снижается. Исключением из этого правила являются лишь благородные газы, свойства которых удивительным образом повторяют свойства металлов восьмой группы. Видимо по этой причине в первоначальном варианте таблицы Менделеева такие элементы как Аргон, Железо и Криптон были близкими соседями.

Сравнивая фактические размеры Земли и Юпитера можно наглядно представить, какова в действительности разница между атомами железа и водорода в микромире. В этом и состоит главное удобство метода масштабирования по отношению к другим аналитическим практикам, ведь он основан на понятном фундаменте - повторяемости форм на различных ступенях размерности.

Точное расположение Урана и Нептуна в такой "глобальной таблице элементов" определить довольно сложно, так как мы очень мало знаем об этих планетах. По всей видимости, они займут место в третьем периоде - там, где находятся алюминий, кремний, фосфор и сера. Эти атомы довольно крупные, но плотность их ядер невысока.

Солнце, как и любая другая звезда на ночном небе, без сомнения является типичным Зарядом, но уже следующей ступени размерности, поскольку даже планеты Солнечной системы в сравнении с ним ничтожно малы.

Столь обширное отступление от основной темы размышления нам понадобилось для обоснования незримой, но достаточно прочной связи земного ядра со всеми металлами "железной группы". Необычная сила, возникающая у магнита и соленоида - прямое следствие их взаимодействия с планетарным ядром посредством общей материальной среды - Магнитного поля Земли. Поскольку ядро состоит преимущественно из железа, то и вся планета Земля может считаться гигантским атомом железа. Как следствие, "звучать" они тоже будут на одной "химической ноте", даже несмотря на принадлежность к разным "химическим октавам".

А теперь предположим, что на других планетах роль железа выполняет какой-то другой элемент периодической таблицы.

В реальности выбор невелик, так как этот элемент должен удовлетворять определённым требованиям, главный из которых - высокая плотность ядра и наличие обширной активной зоны за пределами оболочки атома. Понятно, что наиболее близкие к железу металлы - никель и кобальт вполне справятся с такой ролью, но они и так относятся к "железной группе" металлов.

Сейчас последует ещё более смелое предположение. А именно:

В центрах галактик, где Материя имеет наивысшую плотность, а значит, и значительные энергетические характеристики, к которым в первую очередь относятся - давление и температура, Железо могут заменить такие газы как Криптон и Ксенон. Если где-то во Вселенной существуют планеты, давление и температура ядра которых на несколько порядков выше земных, то их обитатели вполне могут использовать криптоновые магниты, считая их вполне естественным природным явлением.

Конечно, всё это из разряда вольных фантазий...

Пришло время спуститься с "музыкальных небес" на "твёрдую почву" классической физики и рассмотреть процесс возникновения магнетизма у железа и соленоида на уровне механики.

Взаимодействие атомов восьмой группы с планетарным электромагнитным полем

Выше по тексту роль первичного Источника магнетизма мы поручили ядру планеты, соответственно, Магнитное поле Земли - это переносчик энергии, а магнит и соленоид выступают в роли "конечных устройств", взаимодействуя с другими магнитами и железосодержащими предметами. Также мы помним, что речь идёт исключительно об электромагнитном поле, которое несёт в себе сразу две составляющие - магнитную и электрическую. Для простоты изложения мы их ещё именуем Потенциалами.

Само по себе планетарное Поле не может выполнить никакой полезной функции, поскольку образующие его частицы относятся к "младшему" уровню размерности, а их перемещение для отдельно взятой точки Пространства можно считать хаотическим. Это значит, что для создания потока, способного совершать какую-либо работу, требуется выделить частицы Поля из общего электромагнитного фона, уплотнить и направить. С этой задачей успешно справится магнит, поскольку он состоит из железа или родственных ему металлов, обладающих наивысшей плотностью ядра в сравнении с другими элементами химической таблицы.

Почему плотность ядра так важна?

Сравним ядро атома с сетью, которой ловят рыбу. Если ячея крупная, то в неё попадутся лишь самые крупные особи, а вся мелочь проплывёт мимо, даже не заметив её. Так и здесь - ядро атома металла, относящегося к "железной группе", не только не позволит такой частице беспрепятственно пролететь мимо, но и выделит её из общего потока, заставив двигаться в определённом направлении.

Следующая картинка:

Рис. 52

Здесь мы видим (рис. 52) ядро атома, форма которого близка к сферической вследствие наличия у него оболочки. Частицы, составляющие ядро атома, движутся по траекториям, совмещающим два направления движения - телесное по окружности и поперечное через периферию в центральный ствол тороида. На следующей картинке та же структура представлена в разрезе:

Рис. 53

Стрелки на картинке (рис. 53) показывают довольно сложную траекторию, по которой движутся частицы, составляющие ядро атома. По сути, мы имеем дело с турбиной или насосом, способным уплотнить и ускорить входящий поток, независимо от того, в каком направлении его частицы двигались прежде. Пока мы говорили об элементах, составляющих ядро атома, пришло время обсудить поведение частиц планетарного электромагнитного поля, называемого нами также Магнитным полем Земли.

Итак:

Частицы планетарного электромагнитного поля беспрепятственно проходят сквозь оболочку атома, после чего вовлекаются ядром внутрь его центрального ствола. Там поток уплотняется и приобретает строгое направление движения. Поскольку магнит состоит из множества таких атомов, пространственное расположение которых согласовано друг с другом, поток вошедших в него частиц многократно усиливается. Теперь он способен оказать заметное силовое воздействие на другой магнит или кусок железа.

Здесь следует отметить важный момент:

Какова бы ни была плотность магнитного потока, генерируемого магнитом, его взаимодействие возможно лишь с родственным ему потоком, то есть, состоящим из тех же частиц. Именно поэтому два магнита взаимно притягиваются или отталкиваются, но мы можем провести между ними рукой и ничего не почувствуем. Дело в том, что живые ткани для частиц электромагнитного поля полностью прозрачны. Конечно, железо - основной элемент человеческой крови, но в магните атомы строго ориентированы в пространстве, чего нельзя сказать об атомах железа в живых тканях.

Несмотря на то, что традиционная физика упорно считает магнит первичным источником магнетизма, его действие в различных условиях учебник описывает вполне корректно и даже формулы для расчётов дают результат близкий к реальности.

Далее картинка из учебника, иллюстрирующая его "работу":

Рис. 54

Предлагаемая концепция объясняет притяжение и отталкивание магнитов без привлечения сложных моделей и какой-то особой терминологии, поскольку строится на механических принципах, в основе которых взаимодействие встречных и попутных потоков материальных частиц.

Следующий вопрос:

Почему обычное железо к магниту всегда притягивается?

Дело в том, что железо относится к магнитомягким материалам. То есть, его атомы, прочно удерживаемые в составе кластера, лёгко изменяют свою пространственную ориентацию под воздействием внешнего магнитного потока. Когда мы подносим магнит к куску железа, ядра его атомов разворачиваются подобно флюгеру, для которого любое направление ветра попутное. То есть, магнитным потоком другого магнита кусок железа намагничивается в направлении, соответствующим разноимённым полюсам и поэтому они всегда испытывают взаимное притяжение. Кусок железа можно намагнитить в любом другом направлении или вовсе размагнитить. В последнем случае взаимную ориентацию ядер атомов железа в составе единого кластера можно назвать хаотичной, то есть, магнитных полюсов у него в таком состоянии нет. В постоянном магните пространственная ориентация каждого атома в кластере зафиксирована ещё на этапе его производства, поэтому он может не только притягивать другие магниты, но и отталкивать.

Завершая разговор о постоянных магнитах, можно скромно предположить, на какой ноте "звучит" Магнитное поле Земли. Вероятнее всего это нота "Фа", коль скоро она находится в геометрической середине музыкальной октавы. Это значит, что зная номер октавы, мы смогли бы назвать точную частоту "звучания" планетарного электромагнитного поля и любого элемента восьмой группы.

Электромагнетизм

Для начала краткий обзор представлений современной науки о процессах, происходящих в катушке, к которой подключен электрический ток:

Электромагнетизм - это магнитные явления, вызванные электрическим током.

Электромагнит - устройство, создающее магнитное поле при прохождении через него электрического тока.

Также предлагается много картинок по этой теме. Вот одна из них:

Рис. 55

Очевидно, что отличие двух картинок (рис. 54 и 55) лишь в изображении "тела магнита". В первом случае это параллелепипед, во втором спираль, в остальном картинки идентичны.

Далее попробуем обосновать "функциональную тождественность" магнита и соленоида, для чего нам потребуется следующая картинка:

Рис. 56

Любой проводник, по которому пропущен электрический ток, обязательно вступает во взаимодействие с планетарным электромагнитным полем, что выражается в возникновении вокруг него магнитного Потенциала, расположенного перпендикулярно движению тока. Этот процесс в физике именуется электромагнитной индукцией.

Синяя стрелка с литерой I на картинке выше (рис. 56) указывает направление перемещения электрических зарядов в проводнике от плюсового вывода к минусовому. Красные круговые стрелки с литерой В - это магнитный потенциал, выделенный из планетарного электромагнитного поля как результат взаимодействия с электрическим током.

Поскольку эта картинка (рис. 56) описывает "традиционный взгляд" на магнетизм, её мы поправим следующим образом:

Рис. 57

Теперь существуют все условия, чтобы правило буравчика "заработало", поскольку магнитный потенциал В (рис. 57) приобрёл иную форму. Вроде бы, какая разница - окружность или спираль? Но только во втором случае правило взаимной перпендикулярности двух составляющих электромагнитного поля будет соблюдено в точности, ведь электрический ток состоит из подвижных частиц, а значит, инициируемый им магнитный поток тоже не может стоять на месте.

Опыт Ампера-Эрстеда с двумя близкорасположенными проводниками, по которым пропущен электрический ток, демонстрирует возникновение у взаимодействующих проводников магнетизма, заставляющего их взаимно сближаться или отдаляться. Дополним существующую картинку из учебника таким образом, чтобы механизм возникновения этой силы был более понятным:

Рис. 58

Спираль на картинках (рис. 58) - это магнитный потенциал, выделенный из планетарного электромагнитного поля, вследствие перемещения электрического тока по проводнику. Направление движения потока определяем по правилу буравчика. В первом случае (рис. 58) магнитные потоки В складываются в один, поскольку их направление взаимно-попутное, что приводит к сближению проводников. Во втором варианте они встречные, поэтому проводники отталкиваются.

В этой части размышления может возникнуть вполне закономерный вопрос:

Зачем повторять то, что и так описано во множестве учебников?

Резон есть, поскольку мы заострили внимание на двух важных моментах, которые классическая физика вообще не обсуждает.

А именно:

Вокруг проводника возникает вовсе не магнитное поле, а спиралевидный магнитный поток, движущийся синхронно с током, благодаря которому и реализуется правило буравчика.

Второй важный вывод касается происхождения магнитного потока у проводника с током. Если в классическом варианте он появляется буквально ниоткуда, то согласно предлагаемой концепции, магнетизм возникает в результате взаимодействия Магнитного поля Земли с электрическим током, движущимся по проводнику.

Поскольку планетарное электромагнитное поле содержит в себе два потенциала одновременно - магнитный и электрический, то обратное преобразование представляется чем-то вполне естественным. То есть, выделение из него электрического потенциала вместо магнитного требует лишь смены "геометрической схемы" взаимодействия. Если в первом случае ток движется поступательно, то возникающий при этом магнитный поток приобретает форму спирали. Для обратного преобразования требуется поменять участников взаимодействия местами. То есть, теперь магнитный поток будет прямолинейным, а движение тока спиралевидным. Организуется это довольно просто - на сердечник катушки наматывается провод, а магнит будет двигаться по прямой вдоль центральной оси катушки перпендикулярно к виткам. Таким нехитрым образом мы создаём условия для выделения из электромагнитного поля его второго потенциала - электрического.

Следующий вопрос:

Почему обязательно спираль, а не какая-то другая геометрическая фигура?

В пользу такой формы намотки катушки аргумент единственный, но достаточно веский.

А именно:

Замкнутая спираль является полным физическим аналогом электромагнитного поля, как по структуре строения, так и функционально.

Для иллюстрации столь смелого утверждения смотрим следующий блок картинок:

а)

б)

в)

г)

Рис. 59

Согласно развиваемой в данном размышлении концепции электромагнитное поле всегда представляет собой замкнутую спираль. Это может быть тороид в форме бублика (рис. 59.в), когда концы спирали соединены по окружности, либо тор в виде сферы (рис. 59.г), соединение которого происходит через его центральный ствол. Несмотря на внешние отличия таких фигур, обе они являются торами, поскольку удовлетворяют главному требованию - их ось симметрии представляет собой окружность, проходящей через тело фигуры.

Визуально соленоид (рис. 59.а) мало походит на тор, поскольку к его выводам подключены провода, соединяющие его с источником питания. Тем не менее, из курса физики мы знаем, что главным условием движения тока в проводнике является наличие гальванического соединения электрической цепи. Её замкнуть мы можем как снаружи, так и внутри катушки, к примеру, небольшой батарейкой без применения проводов, как на следующей картинке (рис. 59.б). В этом случае мы получаем фигуру, в которой совмещаются два типа движения - прямолинейное в месте соединения концов катушки и круговое по виткам спирали. Проходя через соленоид, электрический ток будет перемещаться в трёх пространственных координатах одновременно. Таким образом, мы отмечаем определённое "структурное родство" между двумя внешне несхожими физическими объектами - катушкой с проводом (рис. 59.б) и электромагнитным полем (рис. 59.г).

Таким образом, катушка из провода, намотанного по спирали, имеет ту же структуру строения, что и электромагнитное поле. Это позволяет им взаимодействовать друг с другом без каких-либо ограничений. Но есть и второе условие, которое должно соблюдаться, а именно - необходимо чтобы частицы, формирующие электромагнитное поле, по своим пространственным габаритам были близки к электрическим зарядам. Только в этом случае возможно полноценное взаимодействие между ними.

К счастью, основной способ получения электрического тока - выделение его из Магнитного поля Земли посредством электромагнитной индукции. Следовательно, "родство" частиц электромагнитного поля и электрических зарядов не требует каких-то специальных обоснований. Это значит, что все необходимые условия для взаимодействия соленоида с Магнитным полем Земли уже имеются. Дело за малым - создать подходящую "геометрическую схему" для выделения из него магнитной или электрической составляющей путём воздействия на катушку магнитом, либо пропуская по ней электрический ток.

Гравитация и магнетизм

Ранее по тексту мы не обращали внимания на роль третьего Потенциала, необходимого для возникновения электромагнитной индукции. Пришло время дополнить картину электромагнитного взаимодействия третьим персонажем. Его мы назовём - гравитационным потенциалом. Выше по тексту не раз упоминалось главное условие существования магнитного и электрического потенциалов в составе электромагнитного поля - это их взаимная перпендикулярность. Наша Вселенная изначально трёхмерна, поэтому имеется возможность построить третий перпендикуляр к двум уже существующим.

Смотрим следующую картинку:

Рис. 60

Три взаимных перпендикуляра довольно сложно представить, поэтому рассмотрим их расположение на примере заряда (рис. 60). Магнитный потенциал традиционно обозначается литерой Ф и является вектором, перпендикулярным к "телу" заряда. Направление магнитного потока в случае реализации этого потенциала определяется по правилу буравчика. Следующий потенциал - электрический, обозначен литерой В. Согласно изображению на картинке (рис. 60) он представляет собой окружность, расположенную в плоскости "тела" заряда перпендикулярно оси, проходящей через его центр. Два перпендикуляра у нас имеются, осталось лишь определить место и форму для третьего. Как ни удивительно, на эту роль годится лишь точка, расположенная в геометрическом центре заряда. Это и будет гравитационный Потенциал, его мы обозначим литерой G. При его реализации возникает сила притяжения, направленная к геометрическому центру системы, что позволяет атому сохранять свою целостность на длительном промежутке времени. Чем выше плотность атомного ядра, тем значительнее гравитационная сила, удерживающая элементы оболочки от распада.

Следующей интересной особенностью существования гравитационного потенциала является то, что физическая масса любого тела распределена по всему занимаемому им объёму, в то время как гравитационная масса тела всегда сосредоточена в его геометрическом центре. Когда нам говорят, что масса Солнца составляет 99,9% массы Солнечной системы, то это утверждение верно лишь отчасти, поскольку физическая масса Солнца может оказаться даже меньше суммы масс всех планет системы в силу его строения и элементного состава. Что касается гравитационной массы Солнечной системы, то она на все 100% сосредоточена в геометрическом центре Солнца, включая не только его собственную массу, но и всех планет системы, их спутников, а также, комет, астероидов, планетоидов, разнообразных газов и космической пыли.

Продолжим обсуждение природной взаимосвязи магнетизма и гравитации.

Вспомним формулировку эмпирического закона, который по ходу повествования именуется как - Правило трёх перпендикуляров. Эмпирическими законами обычно называются те природные закономерности, существование которых не имеет какого-то определённого научного обоснования, но их действие и неотвратимость регулярно подтверждаются на практике. К примеру, Закон рычага и Закон Ома как раз являются эмпирическими, поскольку их существование очевидно, но в рамках существующих научных теорий они недоказуемы.

Правило трёх перпендикуляров будет звучать следующим образом:

Для преобразования потоков частиц - Магнитного, Гравитационного и Электрического, являющихся по отношению друг к другу родственными, но взаимно перпендикулярными, необходимо их "развернуть" в ту или иную сторону, используя подходящую для этого "геометрическую схему".

Известно, что для возникновения электрического тока магнит обязательно нужно перемещать относительно катушки соленоида. Если бы этого не требовалось, каждый из нас уже давно имел бы в кармане "вечную батарейку" для питания различных электронных устройств. Тем не менее, таких устройств до сих пор не изобретено и они вряд ли появятся в будущем, поскольку в этом случае нарушается Правило трёх перпендикуляров, постулирующее обязательное наличие трёх компонентов для преобразования магнетизма в электричество и обратно. То есть, гравитация необходима для возникновении, как электричества, так и магнетизма.

Следующий важный вопрос:

Каким образом возникает Магнитное поле Земли?

Ответ такой:

Планетарное электромагнитное поле - прямое следствие существования у Земли силы гравитационного притяжения и энергии, идущей от Солнца.

В этом процессе также задействовано Правило трёх перпендикуляров, и он во многом схож с электромагнитной индукцией. Разница лишь в том, что участники поменялись местами.

Когда мы получаем электричество, перемещая магнит относительно соленоида, или наоборот - пропускаем ток через катушку, чтобы получить магнетизм, гравитация нужна лишь для того, чтобы участники взаимодействия обладали некоторым весом. Никакой другой функции гравитация здесь не выполняет. А вот для того, чтобы у Земли возникло собственное электромагнитное поле, направленный поток гравитационного излучения должен перемещаться от периферии к центру планеты. Но для того чтобы Правило трёх перпендикуляров заработало в полной мере, необходим электрический Потенциал, который бы образовывал вокруг планеты окружность, расположенную в плоскости её экватора, то есть, перпендикулярно магнитным полюсам планеты. Эту роль исполняет Солнце.

Смотрим следующую картинку:

Рис. 61

Солнце находится в геометрическом центре Солнечной системы. Поскольку оно является типичным зарядом, его магнитный потенциал Ф перпендикулярен к окружности, являющейся электрическим потенциалом В, и совпадающим с плоскостью эклиптики. То есть, Солнце излучает электричество в виде жёсткого рентгеновского излучения, которое необходимо всем планетам Солнечной системы как раз для того, чтобы задействовать процесс генерации собственного электромагнитного поля. Это и есть главная причина, заставляющая планеты находиться в плоскости эклиптики, ведь им требуется энергия Солнца.

В размышлении, посвящённом гравитации, говорилось, что само Солнце не обладает силой гравитационного притяжения, поэтому оно не может притягивать к себе планеты. Но у него есть нечто "более притягательное" - энергия, которая необходима планетам, и поэтому они сами летят к нему как ночные мотыльки на свет костра. И вращаются планеты вокруг своих осей вовсе не для красоты. Солнечное излучение должно образовать вокруг них окружность, чтобы приобрести форму электрического потенциала В. Соблюдение всех этих условий необходимо для существования у планет собственного электромагнитного поля, а его нормальное функционирование позволяет им поглощать больше гравитационного потока из космического пространства, что, в конечном счёте, приводит к росту массы планеты.

Другими словами, любая планета представляет собой сложный природный механизм, в котором одновременно задействовано несколько процессов - электрических, гравитационных, магнитных. Чтобы такой механизм работал долго и успешно, требуется энергия, которую планеты получают от центральной звезды системы - Солнца.

Часть 7. Свет и Цвет

Следующим важным этапом рассуждения станет привычное буквально для всех понятие - Свет. Казалось бы, что можно сказать нового о явлении, которое за многие столетия должно быть изучено вдоль и поперёк? Увы, мы успешно используем свет в повседневной жизни, до сих пор не имея однозначного ответа на вопрос:

Что это такое - частица, волна или излучение?

Поскольку при объяснении тех или иных эффектов, впрямую связанных со светом, современная наука руководствуется сразу несколькими теориями, так или иначе подходящими под каждый конкретный случай, нет никаких причин отказываться от рассмотрения этого физического явления под каким-то иным углом зрения. Как и прежде, в основе рассуждения сугубо механический подход, целиком основанный на материальности всех взаимодействующих объектов, независимо от их размеров.

Начнём, пожалуй...

Свет

Формулировка из учебника весьма лаконична:

Свет - электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим зрением.

Следует заметить, что информативность данного определения оставляет желать лучшего. Тем не менее, его можно использовать в качестве отправной точки для дальнейших рассуждений.

С тем, что собой представляет электромагнитное поле, мы в общих чертах разобрались, пришло время понять, что физика понимает под электромагнитным излучением. Смотрим:

Электромагнитное излучение - распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля.

Далее следует очень важное дополнение:

Среди электромагнитных полей, порождённых электрическими зарядами и их движением, к излучению относят ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников - движущихся зарядов.

Попробуем систематизировать информацию, приведённую в учебнике физики, чтобы понять действительные мысли автора, его писавшего.

Итак:

Электромагнитное поле возникает благодаря существующему где-то неподалёку электрическому заряду. С этим утверждением согласимся, ведь Заряд и Электромагнитное поле неразделимы, поскольку являются двумя неотъемлемыми друг от друга объектами - материальным (сам заряд) и физическим (поле, Источником которого он является). С движением заряда и поля в пространстве тоже спорить не станем, поскольку поле имеет возможность передвигаться, но только в паре со своим источником. А вот дальше начинаются вопросы:

Что такое переменное электромагнитное поле?

Каким образом оно может распространяться наиболее далеко от своего источника?

Что такое - возмущение электромагнитного поля?

Ранее по тексту мы разобрались, чем отличается переменный ток от постоянного. Но это было вынужденной мерой, поскольку в обычной практике мы пользуемся тем и другим, поэтому такого рода знание просто необходимо. Но с переменным полем учёные явно перестарались, поскольку даже понятию поля не смогли дать физического объяснения, свалив всё на математику, которой действительно без разницы что описывать. К тому же, в реальном мире кроме электромагнитного поля никаких других обнаружить пока не удалось - ни магнитного, ни электрического ни гравитационного.

Распространение поля на какое-то значительное расстояние от источника - тоже вольное допущение, поскольку существует закон обратных квадратов, который чётко определяет степень напряжённости поля по мере удаления от источника как обратно квадратичную прогрессию. То есть, чем дальше от Источника, тем слабее поле. Соответственно, ни о каких расстояниях, называемых "наиболее далёкими" речи не идёт. В отличие от Излучения, поле существует только в непосредственной близости от своего Источника и по мере удаления его напряжённость падает по вполне объективной причине.

Выше по тексту мы сравнивали электромагнитное поле с пчелиным роем, где элементы "младшего" масштабного уровня водят хоровод вокруг источника энергии - заряда либо ядра атома, создавая вокруг него весьма активную подвижную среду, которая охотно вступает в "условно дистанционное" взаимодействие с им подобными физическими объектами - полями, молекулами и атомами. Но сам механизм "возмущения электромагнитного поля" желательно представить в каком-то наглядном варианте, чтобы не только автор учебника, но и благодарные читатели могли понять, что он имел в виду.

Раз нет ни того ни другого, вопрос о существовании "переменных полей" и степени их "возмущённости" оставим, как требующий дополнительного разъяснения авторов подобного рода утверждений.

По совокупности представленных выше аргументов, попытаемся ответить на вопрос:

Что такое свет?

Вне всякого сомнения - это поток (излучение) высокоэнергетических частиц, обладающих собственным электромагнитным полем. Поскольку в природе имеется лишь один материальный объект, отвечающий необходимым требованиям - Заряд - то на роль Источника Света он вполне подойдёт.

Согласно одной из ныне действующих теорий, переносчиком света является фотон - элементарная частица, не имеющая массы покоя. С некоторой долей условности любой заряд также можно считать объектом неопределённой массы, поскольку это система элементов, пребывающих в постоянном движении. Такой объект не имеет определённой плотности и объёма, а значит, стандартные меры массы для него не подходят. В случае выражения массы заряда через количественный состав его элементов возникает другая проблема, их необходимо посчитать, что также является невыполнимой задачей в силу отсутствия необходимого инструментария. Соответственно, световой заряд - это материальный объект, масса которого по тем или иным причинам неопределима. Таким образом, путём несложных логических построений мы выявили некое родство, а возможно, и тождественность таких понятий как - световой заряд и фотон.

Нелишне напомнить также, что разницы в строении между световым зарядом и электрическим нет, отличие лишь в их размерах. Чтобы далее не путать свет, тепло и электричество, предлагается такая формулировка:

Свет - направленный поток зарядов, имеющих размер, доступный для регистрации оптическими приборами, в том числе и органами зрения.

Нетрудно догадаться, каковы будут формулировки для электрического заряда и теплового. Конечно, их принципиальная разница лишь в физических размерах, а значит, для регистрации таких потоков будут использоваться уже другие инструменты и органы чувств. Но, вернёмся к основной теме данного размышления - свету.

Если отдельный заряд достаточно мал для того, чтобы его детально рассмотреть, то плотный поток, состоящий из таких объектов, уже хорошо заметен даже без применения каких-то специальных инструментов. Поскольку светом мы называем поток реально существующих материальных объектов, то его способность к выполнению какой-либо механической работы также под сомнение не ставится. Ближайшая природная аналогия свету - ветер, ведь молекулу газа столь же сложно обнаружить даже самым чувствительным прибором, но в общем потоке они вполне осязаемы, при этом нередко имеют значительную мощность, способную вращать лопасти ветряной мельницы или приводить в движение парусный корабль, вес которого может исчисляться многими тоннами.

Плотный поток зарядов, который мы называем светом, также способен на многое. Солнечный свет нагревает поверхность Земли, воду, атмосферу, запуская множество физических процессов, без которых существование жизни на планете было бы весьма неуютным. Преобразовать свет в электричество не составит особого труда, ведь световой заряд по структуре своего строения идентичен тепловому и электрическому, поэтому получение тепла и электричества из света - вовсе не высшая математика. Об этом чуть позже...

Солнце - источник света?

Вряд ли найдётся хоть один человек на Земле, сомневающийся в том, что источником света является Солнце. Собственно, и в научной среде на этот счёт царит удивительное единодушие. На нынешний момент существует лишь одна общепризнанная теория, согласно которой внутри Солнца происходит термоядерная реакция превращения водорода в гелий, а солнечный свет - побочный продукт этого процесса. Тем не менее, даже в такой, на первый взгляд безукоризненной модели, имеются слабые места.

К примеру, трудно согласиться с тем, что за более чем пять миллиардов лет существования Солнца весь водород внутри него не успел превратиться в гелий. Другая сложность заключается в том, что столь красивая теория до сих пор не подтверждена на практике - однажды начавшись, термоядерная реакция протекает молниеносно, и сразу прекращается. Все попытки как-то замедлить процесс не дали ожидаемого результата.

Возможно два варианта, почему происходит именно так:

- при проведении лабораторных опытов по термоядерному синтезу не учитывается какой-то очень важный фактор, без знания которого все подобные эксперименты обречены на неудачу, либо,

- ныне существующая теория о строении звёзд и процессах, в них происходящих, не соответствует действительности.

Какой из вариантов лучше отражает реальное состояние дел, покажет лишь время.

Но есть и другие причины для сомнений в верности существующей теории. Посмотрим на следующую картинку:

Рис. 62

Такой природный феномен (рис. 62) многие видели собственными глазами, его ещё называют - "сумеречные лучи", и объясняют искажением перспективы. Проще говоря, в действительности лучи по отношению друг к другу параллельны, но собственное зрение нас обманывает. Сторонники Теории Плоской Земли с таким утверждением вряд ли согласятся, поскольку считают Солнце и Луну электрическими лампочками, приколоченными к небесной сфере, расположенной чуть выше орбиты, где летает МКС. А вот всем остальным придётся довольствоваться "официальной версией", хоть и не слишком убедительной, но базирующейся на каком-никаком научном фундаменте.

Тем не менее, существует более адекватное объяснение этому феномену, ничуть не противоречащее ныне действующей системе знаний. Суть его заключается в следующем:

Общеизвестно, что частички пыли или пар очень хорошо выявляют солнечные лучи в затемнённом помещении. Неплотная облачность позволяет повторить этот эффект с присущим природе размахом - при высокой влажности солнечный свет попадает в плотную атмосферную среду, образуя более яркое пятно, которое выступает в роли вторичного излучателя, лучи от которого движутся согласно тем же правилам оптики, но совсем не так, как в случае ясной погоды. Наличие в воздухе огромного количества микроскопических капель воды, образующих облака, усиливает этот эффект, в результате чего и возникают "сумеречные лучи".

Если в первом случае мы нашли адекватное объяснение, не вступающее в явное противоречие с логикой и школьным курсом физики, то для следующего оптического феномена наука пока не имеет чёткого и однозначного ответа. Он заключается в том, что Солнце на рассвете и закате визуально крупнее, нежели то, что мы видим днём. С Луной ситуация схожая.

Рис. 63

В этом случае нас обманывают уже не собственные глаза, а оптические свойства атмосферы, ведь и так ясно, что дистанция между Солнцем и Землёй на протяжении дня не может измениться на сколь-нибудь заметную величину. Сотни и даже тысячи километров сезонных отклонений орбиты Земли всё равно несоизмеримы с миллионами, разделяющими два космических объекта. Тем не менее, цвет Солнца меняется значительно - от ярко красного утром и вечером, до ослепительно белого в полдень. Наука этот феномен объясняет тем, что красный цвет по отношению к другим имеет наибольшую длину волны, и ему проще двигаться сквозь атмосферу, нежели синей части спектра - более коротковолновой. Отчасти такое объяснение согласуется с практикой, ведь в воздушной среде дальность прохождения инфракрасного излучения заметно выше, нежели ультрафиолетового. Тем не менее, красная и инфракрасная часть спектра заметно тормозится в газовой среде, которая у поверхности Земли достаточно плотная, в то время как для ультрафиолета и близкой к ним синей части спектра, водяной пар практически прозрачен. Получается, что при учёте всех факторов, шансы достичь поверхности Земли у любой части спектра практически одинаковые.

Следует признать, что собственное зрение нас действительно часто обманывает, но есть ещё один малоизвестный научный факт, о котором столкнувшиеся с ним люди предпочитают сохранять молчание. Речь о том, как выглядит космос с околоземной орбиты.

Высоты, на которых проходят пилотируемые полёты, достаточно низкие - всего 300-400 км от поверхности планеты. То есть, примерно столько же, сколько от Москвы до Смоленска по автостраде. При этом атмосфера Земли по своим размерам во много раз больше. По разным оценкам она заканчивается на высотах от 1500 до 2000 километров, что составляет примерно четверть радиуса планеты и соизмеримо с расстоянием от Москвы до Берлина.

В отличие от спутников связи, обитаемая космическая станция находится в непосредственной близости от поверхности планеты, и пределов атмосферы не покидает никогда, так как это смертельно опасно для экипажа. Уже на высоте примерно 500 километров от Земли радиация столь значительна, что никакие существующие средства защиты от неё не спасают. Существует и другая проблема - материалы, из которых состоит наружная оболочка космической станции. На высоте 400 километров они активно испаряются вследствие низкого атмосферного давления и высокой электризации окружающих газов. Именно по этой причине разработчики МКС приняли решение о более низкой орбите, нежели та, на которой находилась станция "МИР". То есть, на 100 километров ниже, где атмосферное давление ещё сравнительно высокое.

Но даже с высоты в 330 километров космонавты могут видеть лишь Землю, так как с противоположной стороны станции сплошная мгла - ни звёзд, ни планет, ни туманностей. По утверждению британского астронавта Тима Пика, посетившего МКС впервые: "космос чернее чёрного". Подобные заявления изредка просачивались и в советской прессе 80-х годов, но очень быстро исчезали из печатных источников, будто их никогда и не было. Столь странный оптический эффект сложно списать на плохое самочувствие космонавтов или их склонность к галлюцинациям, поэтому упоминания о нём тщательно скрываются дабы не волновать общественность. По той же причине все изображения космоса обычно имеют вполне земное происхождение, и лишь те немногие, что сделаны с помощью радиотелескопов, находящихся за пределами атмосферы, специальным образом редактируются, так как радиоизлучение человеческий глаз не воспринимает.

Теперь вспомним, что Солнце не только освещает, но и греет. По мнению современной науки температура на его поверхности 5500-6000 градусов Цельсия. Расстояние от Солнца до Земли примерно 150 миллионов километров, которое заполняет космический вакуум, а он считается изолятором, как для электрического тока, так и для тепла. Это означает, что тепловая энергия Солнца не имеет никаких шансов достичь Земли.

И вот почему:

Существует два основных способа теплопередачи - конвекция и излучение. В первом случае используется достаточно плотная среда, состоящая из газа или жидкости, а теплообмен осуществляется контактным способом. Во втором случае плотность среды уже является помехой, в значительной степени сокращая дистанцию распространения тепла. Все остальные варианты - комбинация двух основных.

Очевидно, что в космическом пространстве нет подходящих условий для контактного обмена тепловой энергией вследствие низкой плотности газов, поэтому единственно возможный вариант её перемещения - излучение. Проблема лишь в том, что независимо от плотности среды и мощности источника, длинноволновое - тепловое излучение, преодолеет меньшее расстояние, нежели коротковолновое. Если же речь идёт о конкретной дистанции в 150 миллионов километров, то можно утверждать с полной уверенностью, что у тепловой энергии нет ни единого шанса достичь поверхности Земли, независимо от того, какую длину волны имеет такое излучение, и это в полной мере согласуется с законами термодинамики.

В наиболее простой интерпретации "проблема" выглядит следующим образом:

Чем выше "теплота" излучения, тем больше разница его температуры с окружающей средой, состоящей из условно "более холодных" элементов. Не важно, говорим мы об атмосфере или о космическом пространстве, ведь абсолютной пустоты в нашей Вселенной нет нигде. По мере продвижения излучения в Пространстве все встречающиеся на его пути элементы, большие и маленькие, будут стремиться забрать "излишек" тепловой энергии по мере продвижения излучения, тем самым повысив собственный энергетический потенциал. В этом и состоит второе начало термодинамики, согласно которому энергия всегда переходит в направлении от более нагретого тела к менее нагретому. Обратный сценарий природой не предусмотрен.

Соответственно, чем ниже "теплота" излучения, тем больше у него шансов пройти большее расстояние с минимальными потерями. Когда мы говорим о расстояниях в сотни и тысячи километров, мощность условно "тёплого" излучения и так требуется довольно большая, а на дистанции в миллион километров она приближается к бесконечности, что абсолютно исключает возможность передачи тепла от Солнца к Земле. Если мы всем существующим излучениям присвоим некоторый "температурный индекс" согласно длине их волны, то рентгеновское будет наиболее "холодным", видимый свет от фиолетового до красного - "тёплым", а инфракрасное - "очень горячим". Нетрудно догадаться, у какого излучения больше шансов пройти расстояние в 150 миллионов километров от Солнца до Земли, не растратив по дороге всей своей энергии.

Отсюда вывод:

Независимо от того, в каком спектре излучает Солнце, только рентгеновское излучение способно преодолеть столь значительное расстояние.

Смотрим следующую картинку из учебника:

Рис. 64

Несмотря на то, что современная наука имеет довольно странное представление о длинах волн различных типов излучения, почему-то поставив свет между электричеством и ультрафиолетом, всё равно ясно, что рентгеновское излучение по отношению ко всем остальным имеет наиболее короткую длину волны, а значит, оно самое "холодное" из них. Именно поэтому его шансы добраться хотя бы до атмосферного слоя Земли самые высокие.

Подведём предварительный итог размышления:

Как и прежде, причастность Солнца к возникновению тепла и света на Земле под сомнение не ставится. Тем не менее, даже если в результате каких-то реакций на Солнце и возникают излучения оптического диапазона, их перемещение сквозь космическое пространство всё равно представляется маловероятным.

Атмосфера и Свет

Теперь вновь вернёмся к странным оптическим эффектам, традиционная трактовка которых вызывает опредедлённые вопросы.

Объяснение такому природному феномену как "сумеречные лучи" может быть довольно простым - видимый свет, к которому мы так привыкли, формируется вовсе не на Солнце, а в непосредственной близости от поверхности планеты. То есть, чем дальше мы будем удаляться от Земли, тем меньше света будет вокруг нас, несмотря на то, что дистанция до Солнца при этом сокращается.

Вовсе не исключено, что поднявшись всего на каких-то 100 км от Земли, мы не сможем разглядеть на ночном небе ни единой звезды, а вместо космоса пред нами предстанет кромешная мгла, тем самым подтвердив утверждения очевидцев, побывавших на околоземной орбите. Возможность наблюдения Солнца и Луны за пределами земной атмосферы также маловероятна, несмотря на наши привычные представления о природе.

Распределение тепла в атмосфере - дополнительный аргумент. Значительное понижение температуры с ростом высоты свидетельствует в пользу формирования светового излучения лишь в очень плотных слоях атмосферы, а тепла - и того ниже, ведь в противном случае мы наблюдали бы обратный процесс - высоко в горах было бы заметно теплее, чем в долинах у их подножия. Тем не менее, даже в самое жаркое лето снег на вершинах гор не тает, поэтому альпинисты надевают на себя очень тёплое снаряжение, чтобы покорить очередную вершину.

Следует также отметить, что планетарная атмосфера - не такое простое природное образование, как могло бы показаться на первый взгляд. Это обширное пространство со своими физическими, химическими, электрическими и оптическими свойствами.

Картинка из учебника:

Рис. 65

Нас интересуют процессы, происходящие в так называемой - Ионосфере, которая начинается на высоте примерно 50-60 километров от поверхности Земли, ведь именно там и происходят интересующие нас события.

Итак, нижняя граница Ионосферы, где она переходит в стратосферу, располагается примерно в 50 километрах от Земли, а за условно "верхнюю" мы примем высоту в 120 километров, называемую также - Плотные слои атмосферы.

Но для начала следует обсудить рентгеновское излучение, так как выше по тексту мы предположили, что только оно способно преодолеть расстояние от Солнца до Земли. Начнём издалека, ведь история открытия Х-лучей имеет непосредственное отношение к теме данного размышления.

Рентгеновское излучение

Существует минимум две версии открытия, сделанного Вильгельмом Рентгеном.

Та из них, где в качестве детектора рентгеновского излучения фигурирует лист картона, покрытый тонким слоем тетрацианоплатината бария, вошла в учебники как основная и единственно верная. Несмотря на популярность именно этой версии, в ней присутствуют сомнительные моменты. Во-первых, как и сейчас, соли синильной кислоты в те далёкие времена вряд ли продавались в обычной аптеке. Во-вторых, существует множество совершенно безопасных веществ, светящихся в ультрафиолете, к примеру, крахмал или глюкоза. Почему в опытах с катодной трубкой Рентгену в качестве детектора излучения понадобилось именно это вещество, притом чрезвычайно ядовитое, можно лишь догадываться.

Рассмотрим и другую, менее известную версию. Согласно ей, имея фабричную катодно-лучевую трубку, Рентген пытался изготовить собственную с некоторыми изменениями и дополнениями, но по понятным причинам не смог создать в ней глубокого вакуума. Поэтому "самоделка" лежала где-то неподалёку, и именно в ней возникали неясные тени при работе фабричной катодно-лучевой трубки. Случайно или нарочно, прикрывая рукой колбу, Рентген определил, что неизвестное излучение просвечивает человеческое тело насквозь. Собственно, в этом и заключается работа рентгеновского аппарата, а вовсе не в свечении различных предметов в ультрафиолете.

Вторая версия выглядит более выигрышно, так как в её основе реальный природный процесс, происходящий в атмосфере Земли.

Ионосфера - электрооптический преобразователь

Известно, что атмосферный воздух примерно на три четверти состоит из азота. Ранее уже упоминалось о незаурядных способностях этого газа, но лишь вскользь. Пришло время максимально раскрыть природные возможности азота, особенно некоторые его таланты по отношению к различным излучениям.

О том, что без азота невозможен процесс фотосинтеза в растениях, знают или догадываются многие, и вполне обоснованно связывают его с хромофорными свойствами двухатомной молекулы азота N₂(-N=N-). При этом механизм превращения света в зелёную массу почему-то считается природным таинством, недоступным пониманию. Это ничуть неудивительно, ведь для большинства людей формула эквивалентности Массы-Энергии М=Е, знакомая чуть ли не с детства, представляется скорее красивой научной метафорой, нежели реально действующим природным взаимодействием. Тем не менее, превращение массы в энергию и обратно мы наблюдаем вокруг себя повседневно, не считая это чем-то удивительным. Солнечный свет является главным условием роста деревьев и набора ими массы. В этом процессе участвуют также другие атмосферные газы и водяные пары. Дерево срубается, сушится и идёт на дрова. Энергия, полученная растением от Солнца, превращается в древесину, имеющую вполне конкретную массу, а при сгорании в печи она возвращается в своё исходное состояние - в свет, тепло и атмосферные газы. Пожалуй, это наиболее простой сценарий трансформации Энергии в Массу и обратно, но в качестве примера он вполне годится.

Прежде чем перейти непосредственно к механизму превращения одного типа излучения в другой, вспомним, что Ионосферу мы назначили главным местом, где вероятнее всего солнечная радиация превращается в видимый свет.

Почему именно здесь?

Причина кроется в особых электрохимических свойствах этого участка околоземного пространства. Ниже 50-ти километровой отметки атмосферный воздух достаточно плотен и по своим свойствам мало отличается от того, которым мы дышим. Другими словами - это обычный диэлектрик, который хорошо аккумулирует в своей физической массе электрические и тепловые заряды, но проводником для электрического тока не является. Как раз благодаря этому свойству все ионизирующие излучения, без особого труда преодолевающие огромные расстояния в космическом пространстве, оказываются бессильными перед тонкой полоской атмосферного воздуха, максимально близко прилегающей к поверхности планеты.

Следующая картинка иллюстрирует толщину слоя, защищающего планету от жёсткого рентгеновского излучения Солнца:

Рис. 66

Тонкая синяя полоска на картинке (рис. 66), практически сливающаяся с линией горизонта - это и есть тот самый диэлектрический слой толщиной всего каких-то 50 километров. Выше него располагается Ионосфера, которая уже не является в полной мере изолятором для электрического тока, что логично следует из её названия, ведь ионы - основа любого электролита, в электропроводности которого вряд ли кто-то усомнится.

Поток рентгеновского излучения, почти без потерь преодолевший расстояние от Солнца до планетарной атмосферы, уже на высоте в 600 километров от Земли встречает заметное сопротивление своему движению. Во-первых, ему препятствуют молекулы атмосферных газов, плотность которых по мере приближения к поверхности Земли растёт в геометрической прогрессии. Во-вторых, на высотах ниже 100-120 километров планетарная атмосфера начинает вести себя как типичный полупроводник. Соответственно, частичные диэлектрические свойства как бы сами собой подразумевают наличие здесь большого количества свободных электрических зарядов, которые ранее уже пытались штурмовать этот сложный участок, но потеряли кинетическую энергию, и теперь покоятся, насыщая газовую среду статическим электричеством.

Вполне естественно, что максимальная плотность электрических зарядов - подвижных и покоящихся, располагается как раз в этой части атмосферы. Толщина слоя, максимально насыщенного электрическими зарядами, составляет не более 10 километров, но именно здесь возникают необходимые условия для природного шоу, называемого - Возникновение видимого света.

Согласно логике данного размышления - ультрафиолетовое излучение и электричество - понятия во многом близкие. Отличие лишь в их "агрегатном состоянии", ведь любое ионизирующее излучение уже само по себе является электричеством, как минимум, статическим. Именно поэтому физические принципы "первой ступени преобразования" солнечного излучения в видимый свет представляются наиболее понятными, ведь простейший сенсор рентгеновского излучения в электричество - это практически любой полевой транзистор. Специалисты в электронике знают, что в основе работы такого компонента - восстанавливаемый электрический пробой тонкого слоя диэлектрика. Управляет таким транзистором напряжение, приложенное к затвору. Нечто подобное происходит и в атмосфере, так как её ионизированный слой представляет собой идеальную среду для возникновения бесчисленное количество таких "транзисторов", для которых кислородно-азотная газовая смесь выступает в роли полупроводящей среды.

Вторая стадия преобразования - ультрафиолет в видимый свет - типичный пример электролюминесценции. Если в первом случае мы имели дело с электрическим пробоем диэлектрика, то возникновение света происходит уже на атомном уровне, и атмосферный азот здесь выходит на первый план.

Почему именно азот?

Из всех простых газов только двухатомный азот N₂ - типичный хромофор, способный принимать, накапливать и излучать свет. Здесь следует также добавить, что именно благодаря азоту окружающий нас воздух может нагреваться под действием солнечного света, так как для него нет особой разницы, какие заряды накапливать - условно "электрические", "световые" или "тепловые". Несмотря на то, что наука этот газ считает "простым", а потому, не заслуживающим пристального внимания, жизнь на Земле без азота была бы попросту невозможной. Но, об этом как-нибудь в другой раз...

Схожими "энергетическими" свойствами обладают углерод, все металлы-полупроводники и неметаллы, относящиеся к пятой группе элементов химической таблицы, но они по понятным причинам не могут находиться в атмосфере в достаточном количестве, поэтому их мы не рассматриваем. Кислород О₂хромофором не является, а значит, для всего спектра излучений он прозрачен. То есть, в энергообменных процессах он участвовать не может, не столько в силу невысокой концентрации в воздухе, а по причине отсутствия необходимых для этого свойств. Содержание других газов в атмосфере ещё более низкое, поэтому, даже обладая какими-то электрохимическими свойствами, они всё равно не смогли бы существенно повлиять на глобальные процессы, в самом обобщённом смысле называемые энергетическими. Что называется - каждому овощу - своё место.

Продолжаем...

В условиях высокого атмосферного давления проблем с избытком энергии внутри молекулы азота не возникает, так как постоянное перемещение потоков воздуха в атмосфере обеспечивает ему качественный теплообмен. К тому же, концентрация ультрафиолета в непосредственной близости от поверхности Земли незначительна.

Физические свойства среды в Ионосфере качественно иные. Во-первых, атмосферное давление в тысячу раз ниже, чем у поверхности Земли. Во-вторых, значительная концентрация ультрафиолета и высокая электризация газовой среды. Все эти факторы заставляют азот проявить незаурядный талант, ведь для ультрафиолета он непрозрачен, при этом избыток энергии нужно куда-то девать, но условий для простого конвективного теплообмена в этих слоях атмосферы нет, поскольку плотность атмосферных газов здесь невысока. Присоединять к себе третью молекулу, как это делает кислород, оказавшись в наэлектризованной среде, азот не умеет. Единственный способ существования азота в таких "экстремальных условиях" - научиться избавляться от излишка энергии путём преобразования ультрафиолета в свет, излучая его, и тем самым избавляя себя от перегрева. Механика процесса такова:

Так как ультрафиолет располагается на границе ионизирующего излучения и видимого спектра, азоту требуется лишь немного изменить размер частиц, излучаемых Солнцем. Поскольку все излучения состоят из зарядов, имеющих однотипное строение, но отличающихся по размерам, требуется один тип заряда преобразовать в другой таким образом, чтобы их количество уменьшилось, а размер увеличился. В науке такой процесс называется рекомбинацией, то есть - перестройкой, изменением того или иного параметра.

Можно сказать ещё проще - азот умеет преобразовывать маленький электрический заряд в большой "световой". Это явление довольно часто можно наблюдать при работе высоковольтного трансформатора, когда вблизи него появляется голубоватое свечение. То есть, увидеть электричество собственными глазами мы можем как раз благодаря азоту, который в наэлектризованной среде начинает светиться как бы сам по себе.

По схожему сценарию светодиод преобразует электричество в видимый свет, но там роль хромофора на себя берёт мышьяк, относящийся пятой группе химических элементов, что и азот. Соответственно, остальные её участники, такие как фосфор, сурьма и висмут, также обладают необходимыми свойствами для изменения размера зарядов - рекомбинации.

Полярное сияние, разряд молнии и сварочная дуга, своим возникновением также обязаны наличию азота в атмосфере.

Рис. 67

Многие видели игрушку, называемую "плазменный шар". Его работа вполне годится для иллюстрации процесса возникновения света внутри атома азота.

Эксперимент Рентгена

Теперь, когда в общих чертах понятны основные моменты, связанные с возникновением света, можно вернуться к опыту Рентгена, названного нами "версия номер два", и попытаться объяснить явление, которое привело к открытию Х-лучей.

Нужно сразу отметить, что подобное могло произойти лишь по чистой случайности, поскольку используемая учёным катодно-лучевая трубка не является в полной мере источником рентгеновского излучения. Скорее всего, обе версии - плод фантазии популяризаторов науки, тем не менее, физический принцип двухступенчатого электрооптического преобразования ионизирующего излучения в видимый свет в каждой из них прослеживается довольно чётко.

Запаянная стеклянная колба, из которой частично откачан воздух - модель той части атмосферы Земли, которую мы называем Ионосферой. Поскольку главным компонентом газовой среды наверняка была кислородно-азотная смесь, а не какие-то другие газы, сомнений в насыщении электрическими зарядами внутреннего пространства колбы также не возникает. Причём, напряжение, которое принято называть статическим, могло накапливаться в колбе постепенно и достигнуть необходимого уровня через день, два и даже неделю, ведь воздух неплохо справляется с ролью конденсатора, аккумулируя в своём "диэлектрическом теле" большое количество электрических зарядов.

Также не следует исключать варианта, при котором Рентген подключал электричество к трубке собственного изготовления хотя бы один раз, даже понимая, что её работоспособность сомнительна. В любом случае он обнаружил бы там свечение газа, но не как действие рентгеновского излучения, а как результат электролюминесценции. Если предположить, что эксперименты с "фабричной" трубкой Рентген проводил достаточно часто, то все необходимые условия для возникновения свечения воздуха внутри колбы собственного изготовления уже существовали.

Даже если бы сам Рентген не заметил такого эффекта, это открытие обязательно сделал бы кто-то другой, поскольку в те времена эксперименты с электровакуумными приборами проводили буквально все физические лаборатории, а катодно-лучевые трубки производились в достаточном количестве с применением самых передовых технологий. Известно, что Герц и Ленард занимаясь той же тематикой, получили близкие результаты, но Рентген опубликовал материалы своих исследований раньше, поэтому все лавры достались ему.

Оптические эффекты в атмосфере

Теперь вспомним о странном феномене, когда Солнце в разное время суток значительно меняет свой цвет и размер. Картинка была такая:

Рис. 68

Нет никаких сомнений в том, что подобный эффект существует вследствие особых свойств атмосферы, но каков механизм его возникновения, учебник не поясняет. Попробуем самостоятельно разобраться в сути наблюдаемого процесса.

Ранее мы предположили, что солнечный свет в привычном для нас виде формируется лишь на высоте порядка 50-60 километров от Земли. Это значит, что нам необходимо чётко разграничить такие понятия, как - мнимый и реальный "образ Солнца". Согласно мнению отдельных людей, которые имели возможность наблюдать это лично, и аргументам, представленным выше по тексту - без участия земной атмосферы Солнце недоступно наблюдению, ведь излучения оптического диапазона не имеют физической возможности преодолеть столь значительное расстояние в космосе, даже при условии, что видимый свет возникает на Солнце в результате какой-то термоядерной реакции. Если наши выводы верны, то солнечный свет - это результат электрооптического преобразования рентгеновского излучения в видимый диапазон частот, происходящий в ионосфере Земли.

Вначале обсудим изменение размера Солнца в разное время суток.

Рис. 69

На этой картинке (рис. 69) пропорции размеров Земли по отношению к её атмосфере несколько изменены для наглядности.

Когда Солнце располагается по касательной к наблюдателю, стоящему на поверхности Земли (зелёная линия), он видит большой красный диск, который проецируется широким пятном на ту часть атмосферы (чёрный пунктир), где ионосфера переходит в стратосферу. По мере вращения Земли относительно Солнца, угол падения солнечного излучения меняется, вследствие чего "пятно" уменьшается в диаметре. К вечеру процесс повторяется в обратной последовательности. Если бы солнечные лучи шли напрямую к Земле, минуя "проекцию на атмосферу", то "солнечный диск" в любое время суток имел бы одинаковый размер, диаметр которого на схеме обозначен литерой Н.

Следующий вопрос:

Почему в разное время суток меняется цвет Солнца?

На той же картинке (рис. 69) обозначены расстояния, указывающие, какой путь (L1 и L2) из стратосферы проходит свет в разное время суток пока не достигнет поверхности Земли. Очевидно, что на рассвете и закате это расстояние заметно больше, чем в полдень. Даже без скрупулёзных вычислений ясно - разница минимум двукратная.

Поскольку свет состоит из частиц, отличающихся друг от друга физическими размерами, то крупные световые заряды, согласно традиционной терминологии - длинноволновое излучение, соответствующее красной части спектра, имеют больше шансов преодолеть это расстояние без особых потерь, поскольку их масса выше, нежели маленькие коротковолновые, соответствующие синему цвету.

Такое объяснение вполне могло бы сгодиться, будь атмосфера Земли плотнее раз в сто или того больше. То есть, в качестве версии - неплохо, но явно недостаточно. Просто потому, что 50 км более высокой газовой концентрации по отношению даже к сотне тысяч километров - что острие булавки в сравнении с футбольным мечём. Конечно, при условии, что атмосфера Земли обладает лишь оптическими свойствами, тем или иным образом влияющими на длину волны того или иного излучения.

Теперь от обычной оптики перейдём к электрооптике, то есть, к тем опытам, которыми занимался Рентген.

При условии, что на высоте в несколько десятков километров происходит некое электрооптическое преобразование одного излучения в другое - ультрафиолета (рентгеновского излучения) в видимый свет, даже десять километров - вполне приличная дистанция для того, чтобы излучение изменило свой спектральный рисунок. Тот самый случай, когда на обычную лампочку мы подаём разное напряжение, и она изменяет не только яркость свечения, но и цвет - от едва заметного тускло-бардового, далее в область красного, а когда напряжение превысит номинал, то в область ослепительно яркого синего, практически белого. И если расстояние L1, когда Солнце светит по касательной к поверхности Земли, мы примем за минимальную "мощность", то на дистанции L2 в полдень значительное количество ультрафиолета уже не встретит серьёзного сопротивления, что сместит спектр в синюю область, а интенсивность свечения заставит надеть солнцезащитные очки.

Но такое возможно лишь в одном случае - солнечный свет возникает в непосредственной близости от поверхности Земли - десятки или сотни километров, а вовсе не миллионы.

Свойства светового заряда

Современная наука относится к свету двояко, что во всех учебникам именуется Дуализмом. Такое странное положение дел возникло по причине свойств света - волновых и корпускулярных. Говоря языком аналогий - в одних случаях светом называется камень, брошенный в реку - материальный объект, в других - круги на воде - физический объект - волны. Объединить два объекта - физический и материальный - в некую "частичку света" наука не смогла, до сих пор считая свет, в одних случаях - фотоном, в других - волной.

Предлагаемая в данном размышлении попытка объединения двух противоречивых по отношению друг к другу концепций, явным образом вытекает в существование некоего материального объекта, называемого - Световым Зарядом. Если об электромагнитных волнах и фотоне можно прочитать в учебнике физики, то информацию о свойствах светового заряда взять негде, так как в классической терминологической среде такой элемент отсутствует.

Попробуем этот пробел исправить самостоятельно. Итак...

Как уже отмечено ранее, световой заряд не имеет принципиальных отличий от электрического, так как строение у них общее. Основа существования любого заряда - солидарное движение материальных частиц по сложным траекториям, совмещающим в себе два взаимно перпендикулярных направления вращения - продольное и поперечное. Собственно, ими и диктуется форма заряда - тороидальная, ведь только в такой геометрической фигуре возможно совместить столь необычный характер перемещения элементов.

И всё же, общее строение вовсе не говорит о полной идентичности электрического и светового заряда, поскольку это нарушало бы один из главенствующих законов природы - принцип разнообразия. Это значит, что кроме признаков Подобия, обязательно имеются и Различия, о которых следует упомянуть:

Размер

Световой заряд заметно крупнее электрического, поэтому световой поток мы отлично видим, в отличие от электрического тока, который может иметь очень высокие характеристики по плотности и скорости перемещения, но он всё равно останется скрытым процессом. Конечно, высокая электризация ощущается другими органами чувств, но мы рассматриваем видимый диапазон, поэтому в первую очередь говорим о зрении.

Магнитные свойства

Как известно, свет крайне слабо взаимодействует с магнитным потоком, а наблюдение отдельных магнитооптических эффектов возможно лишь при наличии специального оборудования. Возникает резонный вопрос:

Почему световой заряд при однотипном строении с электрическим не имеет ярко выраженных магнитных свойств?

Как уже неоднократно отмечалось, любой заряд представляет собой тороид, но и у такой формы имеются разновидности. Смотрим следующий блок картинок:

а)

б)

Рис. 70

Нижняя картинка (рис. 70. б) - электрический заряд, форма которого сама по себе подразумевает наличие ярко выраженных магнитных полюсов, строго заданных направлением движения частиц, его формирующих - продольного и телесного. Верхняя картинка (рис. 70. а) - родственная пространственная структура - тороид, но уже сферической формы, где явное проявление магнитного потенциала вряд ли возможно. Собственно, и с электрическим потенциалом те же трудности, ведь применить эмпирическое Правило трёх потенциалов в этом случае невероятно трудно, так как совершенно непонятно, где голова, а где ноги у сферы.

Именно поэтому световой заряд так плохо взаимодействует с магнитами и получить из него электричество с помощью провода, намотанного на железный сердечник, также не получится.

Следует также добавить и другой немаловажный момент - в условной Глобальной Периодической Таблице Элементов - световой заряд скорее соответствует Водороду, который также не проявляет никаких электрических и магнитных свойств. А вот с тепловой энергетикой этот элемент мы можем смело связать не только на уровне аналогий, но и практически.

Скорость света

Несмотря на то, что эта физическая величина считается фундаментальной для современной физики, возникает вопрос целесообразности применения понятия "скорость света" для описания множества явлений, в которых оно используется в силу сложившейся научной традиции. Как мы выяснили ранее по тексту, существуют объективные причины, препятствующие распространению видимого диапазона излучений в космическом пространстве. Главным образом это законы термодинамики, описывающие теплообмен между взаимодействующими телами строго в направлении от условно "тёплых " к "холодным". Поскольку количество теплоты у газов, заполняющих космическое пространство, довольно низкое, то любое излучение, обладающее более высоким тепловым потенциалом, обязано расходовать свою энергию на их разогрев по мере своего продвижения в Пространстве, вследствие чего возникают естественные энергозатраты, препятствующие распространению света на протяжённых дистанциях. Отсюда следует вывод о том, что лишь "условно холодные" излучения имеют реальную возможность преодоления значительных расстояний. К ним можно отнести все излучения, длина волны которых короче рентгеновского.

Следующий спорный момент - скорость распространения различных излучений в космическом пространстве. Для Солнечной системы единственным мощным источником микроволновых излучений является Солнце. В силу значительной удалённости других звёзд, идущие от них потоки частиц, вряд ли как-то участвуют в общем "энергобалансе" Солнечной системы. Таким образом, скорость распространения микроволнового излучения внутри рассматриваемой системы целиком зависит от физических параметров конкретного космического объекта - Солнца. Очевидно, что другие звёзды имеют какие-то иные пространственные и энергетические характеристики, а значит, и скорости частиц, составляющих такие излучения, также будут иными. К тому же, вопрос возникновения излучений оптического диапазона в недрах звёзд или на их поверхности требует основательной ревизии, а возможно, и кардинального пересмотра.

Вряд ли можно серьёзно говорить о какой-то единой "скорости света", если во всей Вселенной нет даже пары идентичных по отношению друг к другу материальных объектов. Этому препятствует Принцип разнообразия, являющийся одним из главных законов природы. К тому же, свет в привычном для нас виде является частным оптическим эффектом, происходящим на отдельно взятой планете при существовании на ней определённых условий, а именно - наличия в атмосфере азота. То есть, планеты, не обладающие атмосферой, вообще не имеют никаких физических условий для возникновения света на их поверхности. Узость оптического диапазона - дополнительный аргумент, указывающий на определённые ограничения в распространённости такого явления в масштабах Вселенной.

В астрономии довольно часто используется такая величина, как - световой год. По определению - это дистанция, которую свет проходит за один год. С учётом аргументов, изложенных выше по тексту, польза от применения этой величины в дальнейших рассуждениях представляется сомнительной.

Цвет

Кроме функции освещения, свет умеет окрашивать предметы в различные цвета. Эта способность зависит от трёх важнейших факторов. Во-первых, от способности источника освещения обеспечивать необходимый спектральный состав частиц, отвечающих за передачу отдельных цветов. Второй фактор - способность предмета отражать одни цвета и поглощать другие. Последнее условие - индивидуальные особенности восприятия цветов органами зрения. Все эти темы подробно изучены наукой и вряд ли в рамках данного размышления можно сообщить что-то новое и оригинальное. Единственный вопрос, на который учебник отвечает достаточно уклончиво:

Что такое цвет?

На него мы и попытаемся ответить далее по тексту.

Источник белого света обеспечивает наиболее полную передачу цветов, поскольку в нём присутствуют световые заряды всех необходимых размеров, от самого маленького - фиолетового, до самого большого - красного. Заряды, которые по своим массово-габаритным размерам выпадают из этого диапазона, отнесём к другой категории - электрическим или тепловым.

Надо сказать, что различие физических размеров зарядов, отвечающих за передачу того или иного цвета, совсем незначительно, так как сам оптический диапазон в общей линейке электромагнитных излучений довольно узок. Тем не менее, свойства этих зарядов достаточно разнообразны. К примеру, ультрафиолет ещё во многом сохраняет свойства электрического тока и способен насыщать воздух электрическими зарядами, а инфракрасный диапазон, даже если он уже невидим, достаточно хорошо греет, что мы ощущаем кожей. Именно поэтому цвет часто классифицируют по цветовой температуре, обычно измеряемой в градусах Кельвина.

Классический опыт разложения белого света призмой

Пришло время поговорить о способах разделения света на отдельные цветовые составляющие.

Картинка в учебнике обычно предлагается такая:

Рис. 71

Нужно сразу сказать, что свет внутри призмы проходит путь вовсе не такой, как изображено на картинке выше (рис. 71), и любой, кто проводил подобные эксперименты, об этом хорошо знает.

В чём недостаток такого способа отображения?

Дело в том, что треугольная призма всегда переворачивает изображение, о чём наглядно свидетельствуют иллюстрации из других учебников:

а)

б)

Рис. 72

Соответственно, луч света проходит призму не напрямую, а по более сложной траектории, отразившись от нижней грани. Это возражение назовём непринципиальным, поскольку количество отражений внутри призмы может быть каким угодно и на дисперсию света оно влияет лишь косвенно.

Следующее возражение более серьёзное, поскольку оно впрямую касается заявленной темы.

Смотрим следующую картинку:

Рис. 73

Проведём опыт с уже известной нам призмой (рис. 71), приложив к её противоположной грани два листа чёрной бумаги - сверху и снизу (рис. 73). Если верхний листок, обозначенный цифрой 1, мы будем сдвигать вниз, то согласно действующей теории, мы удалим из спектра сначала красный луч, затем жёлтый, потом зелёный, пока не дойдём до синего. Двигая нижний листок вверх, обозначенный цифрой 2, мы сделаем то же самое, но уже в обратной "цветовой последовательности".

Именно так и должно произойти согласно существующим представлениям о движении света внутри призмы, но практика приготовила нам минимум три сюрприза:

Во-первых, избавиться от того или иного цвета столь простым способом не получится. Закрывая часть светового потока, мы лишь ослабим яркость радуги, и несколько сузим её, но порядок цветов останется прежним.

Второй важный момент - выход отдельных цветов из призмы. Картинка (рис. 70) изображает его совсем не так, как это существует в действительности. Радужные цвета возникают лишь на определённом удалении от призмы, а вовсе не у её грани. Убедиться в этом достаточно просто, поднося листок белой бумаги ближе к призме и удаляя. Таким нехитрым способом мы найдём так называемый "цветовой фокус" призмы, где радужные цвета максимально яркие и хорошо разделяются.

Теперь последний момент, на который хотелось бы обратить внимание.

Можно изготовить аквариум в форме призмы и залить внутрь его воду, для того чтобы собственными глазами проследить траекторию движения светового луча внутри призмы.

Опустив лист бумаги на две трети высоты, картинка на выходе не изменится, и лишь двигая его ещё ниже, мы увидим, что радуга поблекнет, после чего пропадёт совсем. Но в данном опыте нас интересует совсем другой момент.

А именно:

Никаких радужных разводов на листе бумаги внутри аквариума мы не увидим, только белый свет.

Из проделанных опытов сделаем вывод, что существующая теория не подтверждается даже очень простыми экспериментами, а значит, ответы на возникшие вопросы придётся искать самостоятельно.

Этим сейчас и займёмся:

Аберрация

Для начала рассмотрим, как ведут себя отдельные цвета при преломлении белого света в обычной двояковыпуклой линзе.

Следующий блок картинок:

а)

б)

Рис. 74

Первая картинка (рис. 74. а) из учебника физики, вторая (рис. 74. б) - результат опытов, проведённых самостоятельно с первой попавшейся под руку линзой. Различие лишь в расположении цветов, во всём остальном - явное отклонение каждого из трёх основных лучей при прохождении сквозь обычную стеклянную линзу. Другими словами, нет никакой нужды искать в магазине специальную призму, чтобы увидеть разложение белого света на основные цвета. Это явление в оптике называют цветовой или хроматической аберрацией. То есть, мы имеем дело с оптическим искажением, которое обычно устраняется путём применения в оптической системе нескольких линз, изготовленных из стекла с разным элементным составом.

Происхождение хроматической аберрации учебник объясняет достаточно просто - она возникает вследствие дисперсии света, тем самым, отсылая нас к смежному разделу оптики. Последуем совету, и сделаем следующий шаг в нужном направлении...

Дисперсия цвета

Поскольку о несоответствии корпускулярной и волновой теории реалиям уже упоминалось выше по тексту, мы не будем вновь подробно обсуждать факторы, которые к дисперсии не имеют никакого отношения. А именно - длину волны того или иного излучения и его частоту, так как эти параметры в оптике не играют существенной роли. Перейдём сразу к делу:

Главными факторами, которые влияют на коэффициент преломления лучей того или иного цвета, являются физический размер и масса светового заряда. Естественно, под массой мы понимаем лишь количественный состав, а не плотность элементов и не объём ими занимаемый, поскольку эти параметры у заряда неопределимы в силу его специфического строения.

Для наглядности проведения следующего "мысленного эксперимента" будем использовать "баранкообразую" форму, свойственную электрическому заряду, а не "сфероподобную", помня о том, что обе эти геометрические фигуры - тороид.

Рис. 75

Здесь мы видим световой заряд как бы сбоку, входящий в более плотную среду, вследствие чего нарушается движение его элементов по замкнутым орбитам. Сначала деформируется "нижняя" часть "бублика", что вызывает его первоначальный наклон по отношению к углу падения, потом "верхняя" его часть, и угол снова наклоняется, что и вызывает столь заметное изменение траектории движения заряда.

Теперь вспомним, что световой заряд, формирующий фиолетовую часть спектра, самый маленький по своим размерам, а значит, его масса по отношению к остальным зарядам, составляющим оптический спектр, будет наименьшей. Следовательно, ему проще всего войти в плотную среду. При этом отклонение его от продольной оси будет иметь минимальный угол. Красная часть спектра состоит из наиболее крупных световых зарядов, значит, их инерция будет самой высокой при столкновении с преградой. Таким образом, условно "красный заряд" испытает наибольшее преломление при входе в физически более твёрдую среду, нежели "фиолетовый".

Теперь, когда с теорией в общих чертах разобрались, вспомним о парадоксальных результатах опыта (рис. 73), в котором мы прикрывали противоположную грань призмы листком чёрной бумаги. Посмотрим, по какому пути проходит каждый из лучей в действительности:

Рис. 76

Здесь мы видим, что белый свет (жёлтые линии), состоящий из потока световых зарядов разной массы, входит в оптически более плотную среду, и происходит изменение направления движения каждого из цветовых лучей в строгом соответствии с массой зарядов, их формирующих. Красный луч преломляется сильнее, зелёный меньше, а у синего самый малый угол преломления. Выход из призмы происходит по всем правилам оптики - входящий и выходящий угол равны по своим абсолютным значениям. То есть, преломление возникает лишь на "входе" в более плотную оптическую среду, а на "выходе" никакого сопротивления среды заряды не испытывают.

Синий пунктир, расположенный на некотором расстоянии от призмы указывает на расположение её "цветового фокуса", за которым лучи каждого цвета уже не пересекаются с другими и поэтому имеют только им свойственный оттенок. По мере удаления лучей от области "цветового фокуса" цвета поблёкнут, а их яркость ослабнет. Также следует отметить, что до достижения этой границы свет ещё можно делить на спектр, но после выделения конкретного цвета дальнейшая дисперсия невозможна.

На следующей картинке особо выделен фрагмент, показывающий выход цветовых лучей из призмы:

Рис. 77

Здесь хорошо видно, что искать радугу у поверхности призмы бесполезно, как и прикрывать её сверху или снизу листом чёрной бумаги, поскольку её "цветовой фокус" находится там, где лучи каждого из цветов уже не пересекаются друг с другом. Нет никакой разницы, куда сдвигать лист бумаги - вверх или вниз, так как в каждой "точке выхода" из призмы присутствуют все лучи спектра. Такой манипуляцией мы лишь ослабим световой поток, но на его цвет никак не повлияем.

Теперь выделим другой фрагмент всё той же картинки:

Рис. 78

Опыт с аквариумом в форме призмы также подтверждает "реальный путь" света внутри него, поскольку лучи идут не напрямую, а отражаются от нижней её грани. Соответственно, две трети призмы в движении лучей не участвует. Увидеть луч конкретного цвета на листе бумаге, помещённого внутрь аквариума, тоже не получится, ведь все они перемешаны друг с другом и способны нарисовать на листе бумаги лишь "цветовую сумму", то есть - белый свет.

Движемся дальше...

Часть 8. Электротехника и электроника

В повседневной жизни мы используем множество электротехнических устройств самого разнообразного назначения. Все они состоят из компонентов, тем или иным образом взаимодействующих с электрическим током. Рассмотрим их работу, но не так, как учили в школе, а с несколько иных позиций, используя инструментарий, хорошо зарекомендовавший себя ранее.

Что такое проводник, полупроводник и диэлектрик, знают все. Подробного рассмотрения этот вопрос не требует, достаточно лишь отметить, что в природе нет ничего идеального. То есть, даже самый лучший проводник всегда оказывает какое-то сопротивление движению тока, а любой диэлектрик не является абсолютной преградой для электрических зарядов. Полупроводники мы рассмотрим отдельно, когда речь зайдёт о диодах и транзисторах. На этом обзор материаловедения можно закончить и перейти к наиболее простым компонентам радиоэлектронных схем, но в то же время, наиболее часто применяемым в различном электротехническом оборудовании.

Резистор

Резистор по праву считается самым часто применяемым элементом в радиотехнике, независимо от того, в каком устройстве он стоит - миниатюрном или очень большом. Его основная задача - уменьшения тока и напряжения на различных участках схемы путём противодействия движению электрических зарядов в цепи. Главный параметр любого резистора - его сопротивление, все прочие назовём третьестепенными.

Взаимоотношения тока, напряжения и сопротивления в электрических схемах администрирует закон Ома. Его наиболее простая интерпретация I=U/R, что на словах выглядит так:

Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.

Собственно, это краткий пересказ информации из школьного учебника. Он нам потребовался лишь для того, чтобы обратить внимание на закон Ома, поскольку он по праву может носить звание "Самый Главный Закон Электротехники". Его ещё именуют эмпирическим, то есть - многократно подтверждённым на практике, но не имеющем академического объяснения. По каким причинам современная наука не уделила должного внимания этому вопросу, остаётся лишь догадываться, ведь очевидно, что закон Ома является частным случаем закона сохранения Энергии/Массы, который считается фундаментальным для физики.

Историки утверждают, что в трудах Аристотеля встречается упоминание "закона сохранения Материи", согласно которому Масса и Энергия - это "две половинки одного ореха - Материи", и её количество неизменно при преобразовании Массы в Энергию и обратно. Но, вернёмся в современность...

Следует отметить, что правило Бернулли в гидравлике и закон рычага в механике действуют аналогично с законом Ома, поскольку они также являются частными случаями закона сохранения Массы/Энергии. То есть, движение электрического тока в проводнике может рассматриваться по аналогии с действием жидкости в гидравлической системе, а также на различных механических моделях.

Для того чтобы сравнить между собой непохожие друг на друга, но действующие по общему Сценарию процессы, смотрим следующий блок картинок:

а)

б)

Рис. 79

На картинке выше два типа подключения резисторов - параллельное (рис. 79.а), при котором неизменной величиной является напряжение, и последовательное (рис. 79.б), здесь уже ток проявляет своё постоянство. Для сравнения процессов, происходящих в электрической цепи, с гидравликой и механикой, несколько изменим первое изображение и получим следующее:

а)

б)

Рис. 80

Согласно правилу Бернулли при сужении трубы возрастает скорость течения жидкости в ней и при этом падает давление. При увеличении сечения происходит обратный процесс. То есть, при неизменном количестве жидкости, проходящим через трубу определённого сечения, давление и скорость потока - взаимно обратные величины по отношению друг к другу. Обратим внимание, что ток и напряжение в цепи при неизменной мощности пребывают в той же обратно пропорциональной зависимости - растёт ток, уменьшается напряжение и наоборот.

От формулы Бернулли с множеством несущественных для нашего случая величин оставим лишь наиболее важные параметры системы - давление P и скорость потока V. Через них выразим массовую долю воды, проходящую по разным участкам трубопровода за определённый период времени M/t в виде произведения давления на скорость потока PV, поскольку эти величины отражают один и тот же процесс, но через разные величины. Очевидно, что на входе и выходе системы массовая доля жидкости будет неизменной, независимо от сложности строения трубопровода и существования участков, на которых скорость потока и давление могут сильно отличаться друг от друга. Собственно, в этом и состоит смысл закона сохранения Массы/Энергии.

Следующая картинка также иллюстрирует параллельное соединение, но теперь на механической модели (рис. 2б). Сила, необходимая для приведения в движение трёх тележек какой угодно массы, будет суммой сил, требующихся для перемещения каждой из тележек. Конечно, на этой схеме нет ничего похожего на рычаг, но нам требовалась модель, которая была бы наиболее близка к процессам, изображённым на картинках рис. 79. а и рис. 80. а. Что касается самого закона рычага, то там тоже присутствует обратно пропорциональная зависимость силы от длины плеча. Древние греки его формулировали так:

Выигрываем в силе, проигрываем в расстоянии.

Картинка из учебника может быть такая:

Рис. 81

Подведём следующий итог размышления:

Независимо от того, в цепи переменного или постоянного тока используется резистор, он служит для ограничения количества электрических зарядов, движущихся по участку схемы. В различных вариантах построения схемы, он является регулятором тока или напряжения, но только в сторону уменьшения.

Поскольку механическим аналогом электрическому сопротивлению является трение, то в процессе своей работы резистор нагревается, и чем больше тока проходит через него, тем горячее будет резистор. Это свойство довольно часто используется в бытовой технике, когда требуется небольшой по размеру и мощности нагреватель. Существуют и более специфические варианты использования резисторов, но их мы оставим за рамками данного размышления, и перейдём к следующему по частоте использования компоненту.

Конденсатор

Если принцип работы резистора в учебнике физики описан адекватно, в полной мере отвечая реалиям, то с конденсатором ситуация обстоит диаметрально противоположным образом. То есть, современная наука описывает работу конденсатора совсем не так, как это происходит в действительности. Для этого используются вымышленные сущности, ничуть не проясняющие ситуацию, а наоборот, запутывающие суть происходящих процессов.

В рамках данного размышления постараемся исправить ошибки, допущенные традиционной наукой в отношении второго по частоте применения в электротехнике элемента - конденсатора.

Согласно информации из учебника заряды в конденсаторе хранятся на металлических пластинах, а расположенный между ними диэлектрик нужен лишь для изоляции. При этом хорошо известно, что количество запасаемого конденсатором электричества зависит не только от площади обкладок, но и от материала диэлектрика. Если мы вместо диэлектрика используем электролит, то ёмкость конденсатора при неизменной площади обкладок возрастёт во много раз. Электролитический конденсатор мы обсудим чуть позже, а сейчас продолжим рассмотрение обычных конденсаторов, "диэлектрическое тело" которых состоит из веществ, для электрического тока являющихся изолятором.

Заметим также, что все попытки зарядить металлическую пластину, независимо от её размера и формы обречены на неудачу - металлы почему-то наотрез отказываются удерживать на своей поверхности заряды любой полярности. Тем не менее, наличие диэлектрика между двумя пластинами позволяет свершиться чуду - металл обретает нетипичное для него свойство. Даже в случае, когда между двумя пластинами нет никакого диэлектрика, это всё равно будет полноценный конденсатор, поскольку воздух также обладает диэлектрическими свойствами.

Для объяснения такого странного эффекта, когда на двух близко расположенных пластинах металла возникает электрическое напряжение, традиционной науке пришлось пойти на хитрость - ввести понятие электрическое поле. Просто потому, что другого объяснения на тот момент никто не догадался предложить. Примерно так же появились термины - магнитное и гравитационное поле. Здесь сработало традиционное академическое правило - если существующих знаний не хватает, то используется "волшебный термин" - Поле. Если он так удачно сработал в случае с электромагнитными явлениями, почему бы его не использовать и для всего остального. Но, довольно лирики...

Существуют так называемые "вакуумные конденсаторы", у которых пластины находятся внутри запаянной стеклянной колбы. Но даже в этом случае мы имеем внутри газовую среду, пускай и очень разряжённую, поскольку для создания "настоящего вакуума" потребовалось бы нарушить один из основных законов природы, который гласит:

Природа не терпит пустоты.

Отсюда делаем вывод, что конденсатор - это не только его металлические обкладки, но и диэлектрик, находящийся между ними.

Движемся далее...

Считается, что конденсатор проводит переменный ток, и даже постоянный, но только в тот краткий момент, когда он заряжается. Получается, что диэлектрик, который находится между обкладками, вовсе не изолятор. Такого рода утверждения - момент для науки явно неловкий, ведь очевидно, что проводник - проводит ток, а изолятор - изолирует. Если существуют какие-то исключения из правил, то названия Проводник и Изолятор нужно срочно менять на что-то более адекватное реалиям.

Но, не будем торопиться, и попытаемся разобраться, что имел в виду автор, допускающий подобные утверждения.

Для начала ответим на вопрос:

Зачем вообще нужен диэлектрик в конденсаторе?

Ответ такой:

Конденсатор хранит электрические заряды в диэлектрике, а металлические обкладки исполняют роль транспорта для них.

Конечно, подобное утверждение противоречит тому, что мы изучали в школе, но оно легко доказуемо на практике.

Проведём несколько простых "экспериментов выходного дня", для которых понадобятся листы любого металла - меди, алюминия или даже оцинкованного железа, а в качестве диэлектрика можно использовать бумагу, картон, пластик или какую-нибудь плотную ткань. Главное условие, чтобы они были сухими и чистыми. Ещё нужен вольтметр и блок питания с широким диапазоном напряжений. Сила тока у него может быть любой, на ход эксперимента эта величина практически не влияет.

Для того чтобы опыт давал более наглядные результаты листы материала для обкладок нашего импровизированного конденсатора и самого "диэлектрического тела" должны иметь достаточную площадь, поскольку плотного прилегания добиться вряд ли получится, а значит и результаты не будут слишком впечатляющими. Тем не менее, при удачном ходе эксперимента даже в таком "конденсаторе" можно запасти энергию для заметной глазу электрической искры.

Начинаем:

Опыт N1 "Определение места хранения электрических зарядов в конденсаторе"

1. На большом столе собираем два "конденсатора" - пару листов металла, а между ними лист пластика или картона.

2. Заряжаем один из "конденсаторов" от источника питания, после чего отсоединяем провода.

3. Отмечаем возникновение постоянного напряжения на одном "конденсаторе" отсутствие на другом, к которому мы не подключали блок питания.

4. Аккуратно снимаем верхний лист металла с обоих "конденсаторов", после чего меняем местами листы диэлектрика - с заряженного "конденсатора" на тот, где зарядка не производилась.

5. Кладём верхние листы металла обратно туда, откуда их ранее сняли.

6. Измеряем напряжение на первом "конденсаторе", который был заряжен и на втором "пустом".

В результате этого опыта мы обнаружим, что электричество переместилось из заряженного "конденсатора" вместе с листом диэлектрика в тот "конденсатор", которого мы не заряжали.

Опыт N2 "Смена полярности конденсатора"

1. Собираем на столе "конденсатор" - сверху и снизу листы металла, внутри лист диэлектрика.

2. Заряжаем этот "конденсатор" от источника постоянного тока, после чего отсоединяем провода.

3. Измеряем напряжение на обкладках и определяем расположение "плюса" и "минуса" вольтметром.

4. Снимаем верхний лист металла, после чего переворачиваем лист диэлектрика так, чтобы у него поменялись верх с низом.

5. Возвращаем лист металла обратно и меряем напряжение.

Результатом будет смена полярности - "плюс" и "минус" поменяются местами.

Опыт N3 "Изменение ёмкости конденсатора"

1. Один из "конденсаторов" заряжаем от источника постоянного тока.

2. Снимаем с него лист металла, после чего сдвигаем лист пластика в сторону примерно на треть или половину площади.

3. На освободившееся место кладём другой лист диэлектрика, который должен быть незаряженным. Он нам требуется для того, чтобы предотвратить замыкание металлических пластин.

4. Возвращаем лист металла, снятый ранее, точно на то место, где он лежал прежде, то есть, напротив нижнего листа. Между ними у нас теперь два листа диэлектрика - "заряженный" и "пустой".

5. Измеряем напряжение на "конденсаторе" и отмечаем, что прежние значения напряжения заметно уменьшились.

6. Сдвигаем "заряженный" лист диэлектрика обратно и снова измеряем напряжение. Отмечаем, что напряжение вернулось к первоначальным значениям.

Опыт N4.

1. Заряжаем "конденсатор" от блока питания или даже от бытовой электрической розетки, после чего отключаем провода.

2. Замыкаем обкладки конденсатора проводом.

Если площадь конденсатора достаточно большая, мы увидим искру.

Подведём итог по результатам проведённых экспериментов:

Конденсатор хранит электрические заряды в диэлектрике, а вовсе не на металлических обкладках.

Это значит, что о существовании в конденсаторе электрического поля, диффузных токов, векторов индукции и других "высоконаучных сущностей" можно далее не упоминать, ведь очевидно, что внутри него происходят обычные механические процессы - металлические обкладки в конденсаторе исполняют функцию транспортировки зарядов по двум направлениям - в "тело диэлектрика" и обратно в электрическую цепь. Соответственно, чем выше площадь контакта проводника и диэлектрика, тем больше электрических зарядов можно упаковать в диэлектрик, который непременно будет противодействовать такому принуждению. Этот параметр именуется диэлектрическим сопротивлением. Ему можно противодействовать только повышением напряжения питания - увеличением "давления электрических зарядов", но и здесь имеется ограничение, так называемое - Напряжение Пробоя, когда изолятор превращается в проводник.

Теперь, когда мы уже достаточно знаем о функции металлических обкладок и диэлектрика, расположенного между ними, обсудим основные свойства этого радиоэлектронного компонента.

Утверждение в учебнике физики о том, что исправный конденсатор может проводить постоянный или переменный ток - не соответствует действительности, поскольку любой диэлектрик для электрического тока всегда является изолятором. Естественно, речь идёт об использовании конденсатора в рабочем диапазоне напряжений, не способных вызвать его электрический пробой.

Сейчас чуть подробнее о наблюдаемом эффекте.

В момент зарядки конденсатора постоянным напряжением мы регистрируем возникновение тока в электрической цепи, но не в самом конденсаторе. Когда электрические заряды насыщают "пустой" диэлектрик, они действительно устремляются по соединительным проводам внутрь конденсатора, и стрелка амперметра при этом отклоняется, но только до того момента, пока диэлектрик не заполнится зарядами. Момент окончания зарядки произойдёт тогда, когда напряжения источника питания и самого конденсатора сравняются. Амперметр при этом покажет нулевое значение - отсутствие тока в цепи.

Следует заметить, что любой аккумулятор ведёт себя так же - когда он пустой, зарядный ток максимальный, а когда полный, показания амперметра находятся вблизи нуля. Дальнейший заряд конденсатора и аккумулятора возможен только при увеличении напряжения на источнике питания, но это с высокой вероятностью испортит аккумулятор, а в конденсаторе возможен электрический пробой диэлектрика и даже термический, после которого конденсатор можно смело выбрасывать.

Для того чтобы поставить жирную точку в вопросе проводимости конденсатором постоянного тока в момент его зарядки, достаточно установить в электрическую цепь два амперметра, которые бы находились по разные стороны от выводов конденсатора. Сравнив их показания, мы будем точно знать, проводит конденсатор электрический ток или нет. Опыт совсем простой и не требует применения дорогостоящих приборов.

Механическим аналогом конденсатору будет пружина, которая запасает энергию в момент сжатия и высвобождает, когда распрямляется. Сжатие пружины требует приложения определённой силы, а конденсатору для зарядки нужны электрические заряды, "давление" которых в электрических цепях мы называем напряжением. Движение зарядов по проводнику - это уже электрический ток. Когда конденсатор зарядится, ток исчезнет, останется только напряжение. Процесс чем-то напоминает накачку насосом велосипедного колеса. Мы затрачиваем силы, сжатый воздух движется по шлангу внутрь колеса и там накапливается. Если камера изготовлена из качественной резины и в ней нет дырок, давление внутри неё может сохраняться очень долго, даже если велосипед не используется. Та же картина и с конденсатором - изготовление его из химически чистых материалов и соблюдение рекомендуемых производителем режимов использования - залог долгой службы без потери ёмкости.

Переменный ток состоит из тех же электрических зарядов, что и постоянный, и конденсатор для него тоже изолятор. При этом амперметр обязательно покажет движение тока в цепи, разделённой конденсатором на два независимых друг от друга участка. Возникает парадоксальная ситуация - приборы регистрируют движение тока сквозь конденсатор, который его проводить не может, поскольку по своей сути является изолятором.

В чём подвох?

На самом деле, амперметр в режиме измерения переменного тока его предварительно выпрямляет, иначе прибор покажет лишь "вибрацию тока" без каких-то понятных значений. Соответственно, в режиме измерения переменного тока мы видим не само значение тока, а так называемую реактивную мощность, либо реактивную составляющую тока, проходящую через прибор. То есть, речь идёт о передаче Мощности через конденсатор, а не о потоке электрических зарядов.

Рассмотрим на механических моделях, как такое возможно:

а)

б)

Рис.82

На первой картинке (рис. 82. а) камера с перегородкой, способной передвигаться в ограниченном пространстве. Также она должна обеспечивать хорошую изоляцию между двумя частями единого объёма. Если такой цилиндр с поршнем поместить в разрыв гидравлической системы, то вибрация жидкости с одной стороны будет передаваться на другую сторону. При использовании такого рода устройств можно передавать Мощность из одной части системы в другую без необходимости физического перемещения массы.

Следующее изображение (рис. 82. б) - это уже полноценна система передачи мощности с поршнями, тягами и шатунами, которая может быть как гидравлической, так и пневматической. Очевидно, что при работе такой установки энергия может передаваться в любом направлении даже при отсутствии какого-либо механического соединения между левой и правой частью.

В электротехнике такой тип подключения конденсатора называют гальванической развязкой, а затрачиваемая и потребляемая мощность будет называться реактивной, поскольку физического расходования электрических зарядов при такой схеме подключения не происходит.

Для большинства случаев использования конденсатора будет актуальна такая механическая модель:

а)

б)

в)

Рис. 83

На верхней картинке (рис. 83. а) мы имеем неполярный конденсатор, который можно заряжать с любой стороны, соответственно и отдавать заряды он будет в том направлении, откуда они поступили изначально. Следующая (рис. 83. б) иллюстрирует зарядку, нижняя (рис. 83. в) разрядку.

Как и прежде, электрические заряды не проходят сквозь конденсатор, а лишь накапливаются в "теле диэлектрика" настолько плотно, насколько позволяет молекулярная структура применяемого диэлектрика. Если напряжение в цепи будет слишком высокое, произойдёт термический пробой диэлектрика и тогда конденсатор придётся выбросить. Пружина тоже может сломаться, если нагрузка на неё будет критическая. То есть, независимо от выбранной модели, действующие по одному Сценарию процессы, даже при неблагоприятном развитии событий сохраняют схожесть в поведении.

Как и резисторы, конденсаторы тоже можно соединять между собой параллельно и последовательно. Смотрим картинку:

Рис. 84

При параллельном соединении конденсаторов их ёмкость суммируется, поскольку площадь обкладок у них увеличивается, а рабочее напряжение остаётся неизменным. Такое свойство очень удобно для диагностики неисправностей в электрооборудовании при отсутствии специальных измерительных приборов. На работающем аппарате нужно подсоединить заведомо исправный конденсатор к "сомнительному" и будет ясно, причина в нём или где-то в другом месте. Естественно, соблюдая меры безопасности.

При последовательном соединении конденсатор ведёт себя иначе - его рабочее напряжение увеличивается, а ёмкость уменьшается.

Почему так происходит?

При последовательном соединении нескольких конденсаторов их рабочее напряжение вырастет, так как увеличится суммарная толщина диэлектрика, а общая ёмкость наоборот понизится вследствие увеличения их суммарного диэлектрического сопротивления. Объяснение такого эффекта довольно простое:

Главный параметр, обеспечивающий "накачку диэлектрика" электрическими зарядами - это напряжение, ведь ток через изолятор не течёт по определению. Поскольку мы имеем уже два (и более) элементов, подключенных последовательно, на противоположных выводах каждого из конденсаторов напряжение тоже упадёт. Следовательно, сила противодействия, то самое - диэлектрическое сопротивление - не позволит зарядам проникнуть в диэлектрик в нужном количестве. А раз ёмкость конденсатора характеризуется исключительно количеством зарядов, оказавшихся внутри диэлектрика, то меньшее их количество укажет на неполное заполнение ими конденсатора в сравнении с обычным подключением.

Для наглядности предлагается механическая аналогия с обычной стальной пружиной. Дело в том, что последовательное и параллельное соединение для пружин и конденсаторов описываются аналогичными формулами, с той лишь разницей, что главный параметр конденсатора - ёмкость, а для пружины - упругость. Работу пружины описывает закон Гука, согласно которому возникающая в теле деформация пропорциональна приложенной к нему силе. Воспользуемся лишь следствием этого закона, а именно, коэффициентом упругости k для различных способов соединения пружин.

Для параллельного соединения формула такая:

k (общ)= k1+ k2

Для последовательного:

1/ k (общ) = 1/k1+ 1/k2

На примере пружины такое поведение поясняет следующая картинка:

Рис. 85

При внешнем воздействии F пружина длиной L сжимается и становится короче на величину S, которая отражает степень деформации данного тела вследствие приложенной к нему силы. Если мы подсоединим последовательно ещё одну пружину той же жёсткости и длины, то суммарная длина двух пружин станет 2L. Но мы должны учитывать, что сила F осталась прежней, поэтому независимо от количества подсоединённых последовательно пружин 2L, 3L, 4L и более, система станет короче лишь на величину S. Получается, что общая упругость пружины в соотношении с её длиной будет уменьшаться. Тем не менее, свойства каждой отдельной пружины останутся неизменными.

Мы рассматривали соединение двух пружин, имеющих одинаковые длину и упругость. Если взять разные по механическим свойствам пружины, то первой сжиматься будет менее жёсткая из них. Нечто подобное происходит и с конденсаторами - общая ёмкость такого "составного конденсатора" будет определяться тем из них, ёмкость которого наименьшая. Причина такого поведения кроется в площади обкладок, поскольку именно благодаря им электрические заряды проникают внутрь диэлектрика и выходят обратно в электрическую цепь.

Представим, что нам нужно перетащить громоздкий шкаф из одной комнаты в другую, минуя коридор с несколькими дверьми. Первое, что нужно сделать, это определить, какого размера двери на всей дистанции. Если хотя бы одна из них окажется меньше шкафа, то придётся ломать дверь, либо разбирать шкаф. Вот и получается - можно взять конденсаторы с очень большой ёмкостью и соединить их последовательно, но если среди них попадётся не очень качественный, то вся "гирлянда" потеряет ёмкость. Последовательное соединение аккумуляторов "страдает той же болезнью" - ёмкость всей батареи измеряется по "самому слабому" из них.

Если параллельное соединение конденсаторов в реальных электронных схемах используется довольно часто, так как позволяет более рационально использовать существующий объём корпуса прибора, то последовательное применяется только в случаях крайней необходимости. Во-первых, за выигрыш в рабочем напряжении приходится платить ёмкостью всей "гирлянды". Следующий недостаток - повышенные требования к качественным характеристикам конденсаторов. При пробое одного из них резко ухудшается режим работы для всех остальных в цепочке. То есть, даже незначительная авария при такой "архитектуре" может стать причиной нарастающего лавинообразного процесса, выводящего из строя один элемент за другим. Если "тяжёлые условия" работы резистора определяются обычным термометром, то у конденсатора они внешне никак не проявляются, поэтому приходится полагаться на честность производителя. В случае с электролитическими конденсаторами ситуация усугубляется их конструктивными особенностями, поскольку "тело диэлектрика" у них состоит из жидкого электролита, который может вскипеть, а образующиеся при этом газы разорвут алюминиевый корпус.

Поскольку речь зашла об электролитических конденсаторах, то стоит отметить, что они - промежуточное звено между "классическими конденсаторами" и аккумуляторами. Дело в том, что по своей сути они конденсаторами не являются, поскольку их работа состоит не в накоплении электрических зарядов в межмолекулярном пространстве неметалла, а на обратимой химической реакции с участием кислоты или щёлочи. Под действием внешнего напряжения происходит преобразование одного вещества в другое, сопровождающееся увеличением плотности электролита, а в момент разряда происходит обратный процесс, в результате которого заряды возвращаются обратно в электрическую цепь. То есть, в полной мере работает тождество М=Е, подтверждая взаимозависимость Массы и Энергии - главных характеристик Материи.

Переходим к следующему участнику электрических схем.

Современная физика различные катушки и трансформаторы также причисляет к пассивным элементам, и это притом, что они способны генерировать и преобразовывать токи такой мощности, которые полупроводниковым компонентам и не снились. Поскольку работа обычной катушки достаточно подробно рассмотрена в размышлении, посвящённом электромагнетизму, перейдём сразу к трансформатору. Далее рассмотрим его работу исходя из механических принципов взаимодействия материальных объектов. Итак...

Трансформатор

Формулировка из учебника в наиболее упрощённом виде будет такая:

Трансформатор - устройство, состоящее из нескольких катушек, намотанных на магнитопроводе, предназначенное для преобразования переменного тока посредством электромагнитной индукции.

Далее следуют два базовых принципа:

1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле.

2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке.

Предлагается такая картинка:

Рис. 86

Если к самой формулировке вопросов нет, поскольку она лишь описывает работу реального трансформатора, то базовые принципы, согласно которым это происходит, изложены неудачно.

Во-первых, переменный ток отличается от постоянного только циклическим изменением напряжения. Во-вторых, электрический ток может быть причиной возникновения магнитного потока, но не поля.

И последнее замечание:

Циклическое изменение напряжённости магнитного потока в магнитопроводе создаёт во вторичной цепи самый обычный электрический ток, а вовсе не ЭДС.

Теперь, когда представления современной науки о трансформаторе и принципе его работы в общих чертах ясны, можно перейти к конкретике. А именно, каковы природные механизмы, приводящие к возникновению во вторичной обмотке электрического тока.

Для начала вспомним, как работает самый простой электрический генератор. Смотрим картинки ниже:

а)

б)

в)

Рис. 87

На первой картинке (рис.87. а) рамка из проводника вращается между двумя неподвижными магнитами, вследствие чего в цепи возникает переменный ток. Второе изображение (рис. 87. б) иллюстрирует тот же процесс, но здесь вращается магнит, а катушки прочно зафиксированы на статоре. Собственно, что относительно чего двигать, значения особого не имеет, поскольку для возникновения электрического тока необходимо соблюсти всего два главных условия:

1. Расположение магнита и витков катушки должно быть взаимно перпендикулярным.

2. Катушка и магнит по отношению друг к другу должны перемещаться.

Добавим к этому ещё один пункт, который несколько расширяет рамки рассматриваемого явления, выводя их за границы отдельно взятой планеты:

3. Наличие планетарного электромагнитного поля, которое и является главным источником электрического тока, поскольку магниты сами по себе источниками электричества и магнетизма не являются.

Для жителей Земли этот фактор значения не имеет, и на данном этапе размышления о нём следует лишь упомянуть. Также можно пропустить несколько полезных уточнений, которые лишь повысят эффективность работы такой конструкции, но главный принцип останется неизменным - электричество и магнетизм можно получить из планетарного электромагнитного поля, называемого также Магнитным полем Земли, путём использования подходящей геометрической схемы взаимодействия. Для этого используем эмпирическое правило, в существующей терминологической среде называемое - Правило трёх перпендикуляров.

Последняя картинка из блока (рис. 87. в) как раз показывает, что электричество в катушке возникнет в момент движения магнита вдоль оси, перпендикулярной плоскости расположения витков катушки, а если мы вместо измерительного прибора подключим источник тока, то при одной полярности катушка будет притягивать магнит, при другой отталкивать. Также можно перемещать катушку относительно неподвижного магнита, качество результатов от этого не изменится.

Тем не менее, нам нужно знать, как работает трансформатор, а вовсе не катушки с магнитами, поэтому возьмём последнюю картинку в качестве образца и используем её для следующего построения:

Рис. 88

Катушку Т2 оставим как и прежде подключенной к какому-то измерительному прибору - вольтметру или амперметру, а вместо магнита используем точно такую же катушку Т1, соединённую с источником питания G через кнопку К. Поскольку магнитный поток мы можем получать разными способами, то замена обычного магнита электромагнитом принципиально на ход эксперимента не повлияет.

Замкнём кнопку К и таким образом соединим катушку Т1 с источником питания G. Теперь у нас есть электромагнит, потоком которого мы будем воздействовать на катушку Т2. Результат близкий к тому, что на предыдущей картинке (рис. 87. в) - стрелка прибора отклоняется то в одну, то в другую сторону синхронно с движением катушек относительно друг друга.

Теперь соединим катушки железным стержнем так, чтобы они прочно на нём сидели и не могли двигаться. Такая механическая конструкция (рис. 88) это уже полноценный трансформатор. Катушка Т1 будет первичной обмоткой, а Т2 вторичной. Поскольку у нас есть кнопка К, позволяющая включать и выключать источник питания G, то нет необходимости механического перемещения катушек относительно друг друга.

Работа трансформатора будет выглядеть таким образом:

1. Пока кнопка К не замкнута, в сердечнике нет магнитного потока и во вторичной цепи тока не будет.

2. Соединение катушки Т1 с источником тока G приведёт к возникновению в сердечнике магнитного потока и к появлению в катушке Т2 электрического тока. Стрелка прибора V качнётся и вернётся к нулевому значению.

3. Отсоединим источник питания от катушки Т1 путём размыкания кнопки. Магнитный поток в сердечнике прекратится и в этот момент в катушке Т2 снова возникнет электрический ток. Стрелка прибора V качнётся, но уже в обратную сторону после чего опять вернётся к нулевому значению.

В результате мы видим довольно странную закономерность:

Ток во вторичной цепи возникает лишь в моменты замыкания и размыкания кнопки, в остальное время тока нет.

Почему так происходит?

Вспомним, что в предыдущем варианте, когда у нас была катушка и магнит, требовалось их двигать относительно друг друга. Катушку, по которой пропущен электрический ток мы тоже приближали и отдаляли от второй катушки и ток опять появлялся. Теперь у нас обе катушки прочно закреплены на металлическом сердечнике и нет никакой возможности их двигать, а ток всё равно возникает, но лишь в момент включения и выключения кнопки. Это значит, что какое-то движение существует, но мы его не видим.

Разгадка такого эффекта достаточно проста:

В момент подключения тока к первичной катушке она создаёт магнитный поток, который сдвигает атомы железа внутри сердечника.

Смотрим следующую картинку:

Рис. 89

Когда магнит или электромагнит отсутствует, все атомы железа покоятся внутри кристаллической решётки в равновесном состоянии. Возникновение магнитного потока, проходящего через сердечник, поляризует атом железа, который становится маленьким магнитом той же полярности, что и магнитный поток, что заставит атом сдвинуться на некоторое расстояние внутри кластера. Но поскольку ядерная связь между ними достаточно крепка, движение сразу прекратится. Все атомы, на которые действует магнетизм "зависнут" в новом состоянии, и будут находиться там, пока магнитный поток не изменит направление. Следующий цикл будет действовать аналогично, но в обратную сторону. Это движение вновь приведёт к возникновению тока, но уже в обратном направлении..

Вспомним предыдущее размышление о магнетизме и о роли гравитации в преобразовании электричества в магнетизм и обратно. Наличие движения необходимо для реализации того или другого потенциала электромагнитного поля. Первичная обмотка, воздействуя электрическим током, реализует магнитный потенциал, который вызывает силу, сдвигающую атом железа в сердечнике, реализуя его гравитационный (массовый) потенциал. Он же для вторичной обмотки является силой, которая уже посредством магнетизма реализует в ней электрический потенциал. В этом случае атом железа выступает в роли маленького магнита, двигающегося через катушку из провода. То есть, в трансформаторе одновременно происходит два смежных процесса - Электричество-Магнетизм-Движение - в первичной обмотке, и Движение-Магнетизм-Электричество - во вторичной.

Теперь то же самое, но чуть более бытовым языком.

Роль первичной обмотки состоит в создании достаточно мощного магнитного потока, способного сдвинуть как можно большее количество атомов железа, из которого состоит сердечник трансформатора, с их привычного места в пределах кристаллической решётки. Чтобы это движение приняло колебательный характер, магнитный поток должен прерываться либо менять своё направление. В этом случае запустится процесс преобразования Магнитного поля Земли в электричество во вторичной обмотке.

Очевидно, что электрические заряды с первичной обмотки трансформатора физически не могут переместиться на вторичную, поскольку между ними имеется достаточно качественная изоляция. Тем не менее, трансформатор позволяет задействовать механизм преобразования планетарного электромагнитного поля в движение электрических зарядов во вторичной цепи.

Все знают, что трансформатор в процессе своей работы всегда немного гудит. Вибрация возникает вследствие колебания атомов железа внутри сердечника, но именно благодаря ей трансформатор выполняет свою основную функцию - передачу мощности с первичной обмотки на вторичную.

Следующий важный момент - прямая зависимость мощности трансформатора от веса его магнитопровода. То есть, чем больше масса сердечника, тем больше атомов железа смогут участвовать в преобразовании планетарного электромагнитного поля в электрический ток.

Однофазный и трёхфазный трансформатор

Теперь буквально несколько слов о разновидностях трансформаторов, а именно, о трёхфазном варианте, ведь именно он опровергает утверждение о том, что в магнитопроводе существует переменное магнитное поле.

Смотрим на картинки ниже:

а)

б)

в)

Рис. 90

Самое верхнее изображение (рис. 90. а) - картинка из учебника физики, рассказывающая о том, как переменный магнитный поток Ф переносит по железному магнитопроводу электричество с первичной обмотки на вторичную. Вроде бы всё выглядит правдоподобно, ведь именно так нас учили в школе, а учителя не могут ошибаться. Единственный вопрос, который немного смущает:

Зачем нужно менять полярность тока, если магнитный поток и так движется по кольцу без каких-либо препятствий?

И действительно, согласно существующей теории, подавая переменный ток на первичную обмотку мы получим его "копию" на вторичной. Именно так и происходит в реальности. В таком случае, подавая постоянный ток на первичную обмотку, мы получим тот же магнитный поток в сердечнике, а следовательно - постоянный ток на вторичной обмотке. Вроде бы так...

Увы, постоянного тока на вторичной обмотке не возникнет. Всё потому, что внутри магнитопровода не существует никакого магнитного потока Ф, как это нарисовано на верхней картинке (рис. 90. а). То есть, теория не верна. Но это не повод для уныния, ведь если бы в магнитопроводе трёхфазного трансформатора (рис. 90. в) действительно существовало какое-то переменное магнитное поле, то он попросту не смог бы работать - три магнитных потока взаимно уничтожили бы друг друга. Таким образом, для изготовления трёхфазного трансформатора нет никакой необходимости использовать три отдельных магнитопровода (рис. 90. в), вполне можно обойтись одним (рис. 90. в).

По той же причине первичная и вторичная обмотка наматываются как можно ближе друг к другу, чаще - одна поверх другой, ведь максимальная амплитуда перемещения атомов железа в магнитопроводе (рис. 89) возникает как раз там, где катушка наиболее близка к металлу. Соответственно, и обратное преобразование произойдёт там же с наибольшей эффективностью.

Таким образом, сам факт существования трёхфазного трансформатора (рис. 90. в), катушки которого намотаны на единый железный сердечник, неопровержимо отрицает существование какого угодно магнитного поля или потока в магнитопроводе, переносящего электричество с одной обмотки на другую. Есть лишь колебание атомов железа и два смежных процесса - реализация магнитного Потенциала электромагнитного поля Земли в силовое воздействие, которое в свою очередь задействует электрический Потенциал того же поля, вызывающий возникновение электричества на вторичной обмотке. Трансформатор - это преобразователь одного вида электромагнитной энергии в другой, но никакой энергии он сам не производит.

И последнее, что следует отметить в части использования устройств, в составе которых присутствуют магниты и другие электротехнические компоненты, в своей работе использующие эффект электромагнитной индукции:

Трансформатор может работать только в условиях планетарной гравитации, ведь только благодаря существованию планетарного электромагнитного поля он способен перекачивать энергию с первичной обмотки во вторичную. А поскольку гравитация и планетарное электромагнитное поле являются взаимозависимыми природными процессами, то в условиях естественной невесомости трансформатор утратит работоспособность. Та же "печальная участь" касается "силы" обычного магнита - она в значительной степени ослабнет и даже исчезнет вовсе. Катушка электромагнита, называемая соленоидом, в отсутствии глобального электромагнитного поля едва ли сможет создать собственное, способное притянуть к себе даже небольшой кусочек железа.

В некоторой степени это ограничение препятствует покорению ближайшего космического пространства, находящегося за пределами орбит Земли и Луны, но само понимание границ возможного позволяет предвидеть подобного рода трудности и избежать явных ошибок в проектировании устройств, предназначенных для исследования среды своего обитания в более глобальном масштабе, нежели ближайшее околоземное пространство.

Пожалуй, наиболее элегантным методом преодоления очевидных природных ограничений может стать космический объект, обладающий собственным электромагнитным полем, и как следствие, гравитацией. Как ни странно это прозвучит, но Луна - это идеальный космический корабль, способный обеспечить все необходимые условия для исследования Солнечной системы. Уже сейчас она способна обеспечить не только работоспособность различных механизмов, приборов и устройств, использующих электромагнитную индукцию, но и защитит от космической радиации - главной проблемы для человечества, давно и не вполне успешно стремящегося выйти за пределы атмосферы Земли.

Активные компоненты

Пришло время рассмотреть группу компонентов, которую по сложившейся традиции почему-то именуют активными элементами. Это полупроводниковые диоды и транзисторы, а также их многочисленные разновидности. Можно долго спорить о том, какие радиокомпоненты считать активными, а какие пассивными, но есть отличительная черта, свойственная только диодам и транзисторам - наличие у них так называемого p-n-перехода. Естественно, речь идёт о полупроводниковых приборах, ведь существуют также ламповые диоды и триоды, принцип работы которых несколько иной. Их мы тоже обсудим.

Прежде чем перейти к основной части повествования, освежим в памяти основные положения теории о строении вещества, которая современной наукой отвергается, но ещё чуть более ста лет назад она считалась единственно возможной и адекватной реалиям. А именно:

Модель "твёрдого атома"

Поскольку в предлагаемой концепции роль "первоэлемента" мы поручили Заряду, вспомним, что это такое с позиций "твёрдого атома":

Заряд - физический объект, образованный множеством элементов, перемещающихся по некоторым замкнутым траекториям.

Заряд является основным носителем и переносчиком энергии в природе. Современная наука разделяет статическое электричество и электрический ток на отдельные дисциплины, в которых существует своя собственная терминология и методика расчётов. Такой подход представляется ошибочным, ведь отличие статических зарядов от подвижных, которые в конечном счёте и формируют различные энергетические потоки - электрический ток, тепловое, рентгеновское, радио- и другие типы излучений, состоит лишь в наличии у них кинетической энергии для поступательного движения. Степень подвижности заряда целиком зависит от внешних факторов, в то время как его внутреннее строение и основные свойства остаются прежними. Именно поэтому разделение электродинамики и электростатики вряд ли оправдано.

Но у заряда в природе имеется и другая важная миссия - он связывает воедино физику и химию, поскольку заряд и ядро атома по своему строению и элементному составу являются однотипными физическими объектами. Это значит, что следующим элементом в "иерархии форм" после Заряда будет Атом.

Атом представляет собой твёрдое сферическое тело, внутри которого находятся элементы, пребывающие в постоянном движении. В окружающем нас мире каждый атом уникален и нет второго такого, который можно было бы назвать точной его копией. Тем не менее, сходство по различным специфическим признакам - пространственным размерам ядра и оболочки, их плотности и другим, все атомы можно классифицировать тем или иным образом. Наиболее простой способ "идентификации" атома - принадлежность его к определённой "ячейке" в периодической таблице элементов. Зная размеры конкретного атома, его массу, плотность, электрические и магнитные свойства, мы безошибочно определим его "имя". Атом водорода сложно спутать с атомом железа или меди. Но рассматривать каждый табличный элемент по отдельности не всегда удобно, в разы проще их группировать по "роду и племени", то есть, совокупности признаков, условно разделяя, к примеру, на две большие группы - металлы и неметаллы, но и такой подход не всегда универсален.

Поскольку далее мы будем рассматривать электрические процессы, то наиболее удобным способом классификации элементов периодической таблицы будет их принадлежность к трём основным группам по степени электропроводности - проводники, полупроводники и диэлектрики. То есть, по их способности проводить ток или препятствовать его движению.

Следующий блок картинок:

а)

б)

в)

Рис. 91

На верхней картинке (рис. 91. а) атом металла, у которого активная зона ядра находится снаружи оболочки. Это значит, что электромагнитная активность такого атома довольно высока, а значит, он охотно взаимодействует не только с другими атомами, участниками данного кластера, но и со сторонними объектами, обладающими электромагнитными свойствами, к примеру, с электрическими зарядами. Вспомним, что атомы металлов одноатомны. Это значит, что кластер, состоящий из атомов металлов, имеет довольно высокую плотность заполнения объёма вещества. То есть, вследствие взаимного притяжения атомов, между ними остаётся мало свободного места, которое могли бы занять электрические заряды. Прибавим к этому обширное электромагнитное поле атома металла, которое находится в постоянном движении, что также подталкивает электрические заряды к тому, чтобы они не задерживались и покинули эту среду как можно быстрее.

Диэлектрики (рис. 91. б) ведут себя иначе. Плотность их ядер заметно ниже, а значит, активная зона (красный пунктир) не столь обширна. Такие атомы и молекулы проявляют слабые магнитные свойства, поэтому располагаются достаточно далеко друг от друга, а значит, и плотность такого вещества ниже. Соответственно, свободного пространства внутри такого кластера достаточно, поэтому диэлектрики для зарядов являются "дружественной средой", в отличие от кластера, состоящего исключительно из атомов металлов. Несмотря на отсутствие явных преград для движения, электрические заряды вовсе не стремятся куда-либо перемещаться сквозь такое вещество, чтобы поскорее покинуть его, ведь ядро любого атома - источник энергии, рядом с которым тепло и комфортно. Существует лишь одна проблема - быстрый рост внутреннего сопротивления диэлектрика даже при незначительном уровне его электризации. Другими словами - только незначительная часть электрических зарядов способна проникнуть внутрь диэлектрика, так как с ростом электризации возрастает его собственное электромагнитное поле, которое препятствует проникновению электрических зарядов внутрь такого кластера. Это явление называется поляризацией диэлектрика, прямое следствие которой - диэлектрическое сопротивление.

Конечно, повысив напряжение в электрической цепи, плотность зарядов в диэлектрике можно ещё увеличить, что заставит их проникнуть глубже в диэлектрик, но такое воздействие может стать причиной электрического пробоя. В момент, когда заряды заполнят диэлектрик целиком, он полностью утратит свои изоляционные свойства, так как в этом случае сами заряды соединят собой два участка электрической цепи, создав электропроводящую среду, в которой ток сможет беспрепятственно двигаться. В этом случае возникает так называемый электрический пробой диэлектрика. Для большинства диэлектриков он не является фатальным событием, и после отключения внешнего напряжения, изоляционные свойства диэлектрика обычно восстанавливаются. Если же электрический пробой привёл к значительному повышению температуры, то может произойти тепловой пробой диэлектрика, который значительно изменяет химический состав вещества в кластере. Это может стать причиной частичной или полной утраты изоляционных свойств диэлектрика на том участке, где произошёл пробой.

Самая нижняя картинка (рис. 91. в) - полупроводник.

Активная зона таких химических элементов находится в непосредственной близости от оболочки и для наглядности изображена на схеме двумя окружностями, тем самым отмечая, что атомы полупроводниковых элементов даже при незначительном внешнем воздействии способны изменять свои свойства электропроводности на противоположные. Также нужно учитывать и то, что внутри полупроводника всегда имеется некоторое количество электрических зарядов, ведь обладая даже частично свойствами диэлектрика, полупроводник тоже умеет накапливать и сохранять заряды в зонах, имеющих высокое диэлектрическое сопротивление. Следовательно, проводимость разных участков полупроводника будет отличаться, порой, довольно значительно.

Здесь действуют следующий механизм:

Атомы, активная зона которых выступает за пределы оболочки, отталкивают от себя заряды, тем самым создавая зону электропроводности. Заряды к таким атомам не могут приблизиться достаточно близко, и "проскальзывают" в те области полупроводника, где атомы менее активны и располагаются на некотором удалении друг от друга. Там заряды могут задержаться, препятствуя движению других зарядов через эту область кластера. Таким образом, электрический ток при перемещении сквозь полупроводник будет встречать на своём пути, как зоны проводимости, так и зоны, оказывающие значительное сопротивление для движения.

Рост температуры или повышение давления в веществе полупроводника активизирует движение ядер "менее активных" атомов, вследствие чего их собственное электромагнитное поле возрастает настолько, что активная зона ядра оказывается вне оболочки, что в значительной степени улучшает электропроводность всего кластера. Именно по этой причине при нагревании полупроводника его сопротивление электрическому току уменьшается.

Теперь то же самое, но языком привычных образов:

Полупроводник чем-то похож на город с жилыми домами, магазинами и складами. Там есть широкие проспекты, по которым куда-то движутся автомобили, а также узкие улочки и дворы, где их перемещение затруднено. Ночью город спит, но с первыми лучами солнца движение возобновляется с прежней силой. В полупроводнике возникает аналогичный эффект - при нагреве его проводимость заметно улучшается, а при охлаждении наоборот, усиливаются изоляционные свойства. Полупроводник можно также сравнить с сыром, внутри которого есть внутренние полости. По этой аналогии кисломолочная среда, составляющая основную массу сыра, будет соответствовать проводнику, а пузырьки с воздухом - это диэлектрик. Соответственно, чем менее пористая структура у сыра, тем лучше он проводит электрический ток, а когда в нём больше воздушных полостей, вполне естественно, что его сопротивление току будет выше, так как все газы - диэлектрики. Последнее утверждение верно лишь отчасти, но об этом чуть позже.

В периодической таблице элементы-полупроводники располагаются следующим образом:

Рис. 92

Все эти элементы (рис. 92) являются полупроводниками, независимо от того, металлы они, полуметаллы или неметаллы. То есть, при определённых условиях они могут быть - проводниками для электрического тока, диэлектриками, либо обладать теми и другими свойствами одновременно. К примеру, в зависимости от строения атомов в кластере, углерод проявляет совершенно противоположные свойства электропроводности. Так алмаз - диэлектрик, а графит - уже полупроводник.

Может показаться, что олово в эту группу попало случайно, ведь все знают, что оловянным припоем соединяют радиокомпоненты, а значит - это априори хороший проводник для электрического тока. Тем не менее, белое олово - проводник, серое олово - полупроводник, а олово, кристаллическая решётка которого выстроена по подобию алмаза - отличный изолятор.

Известно, что атмосферный воздух более чем на 70% состоит из азота, а значит он, как и все другие простые газы - диэлектрик. Тем не менее, не будем исключать азот из этой группы элементов, поскольку полупроводниковые свойства у него проявляются при низком атмосферном давлении. Об этом чуть подробнее далее по тексту, а сейчас продолжим о "типичных" полупроводниках.

В настоящий момент наиболее часто применяемые в радиопромышленности полупроводники - германий и кремний. Образцы этих металлов особой химической чистоты изначально имеют довольно высокое удельное сопротивление электрическому току. При комнатной температуре они, скорее изоляторы для тока, нежели проводники, но их проводимость заметно улучшается при росте температуры или наличии примесей.

Для создания p-n-перехода требуется пара полупроводников с отличными друг от друга свойствами проводимости. Ни германий, ни кремний нельзя причислить к полупроводникам с каким-то конкретным типом проводимости, поскольку это свойство зависит от концентрации той или иной примеси. К примеру, незначительное количество атомов алюминия в структуре кристаллического кремния формирует множество областей с низким сопротивлением электрическому току - это будет полупроводник P-типа. Сера и фосфор наоборот, насыщают кристаллическую структуру кремния областями с высоким диэлектрическим сопротивлением, что является основой для создания полупроводника N-типа. Тип проводимости германия изменяют путём добавления в него атомов индия или мышьяка. Соответственно, классификация полупроводника по типу проводимости актуальна лишь для конкретного p-n-перехода. В тех случаях, когда для производства какого-либо компонента используется более двух полупроводников с разной степенью легирования, используются дополнительные обозначения, такие как N+, N-, P+, P-, отражающие более высокое или низкое диэлектрическое сопротивление определённой зоны по отношению к другим.

Практически все соединения, в которые входит хотя бы один элемент-полупроводник, также обладают полупроводниковыми свойствами.

В зависимости от элементного состава вещества и конкретных условий окружающей среды электрическая проводимость полупроводника может быть, как низкой, так и высокой. И если удельное сопротивление проводника или диэлектрика при росте/падении температуры меняется незначительно, то термическое, электрическое, световое или электромагнитное воздействие на полупроводниковые материалы способно в значительной степени влиять на их электропроводность.

Теперь, когда с химическими свойствами проводников, полупроводников и диэлектриков по большей части внесена ясность, можно перейти к конкретным радиоэлектронным компонентам.

Полупроводниковый диод

Начнём издалека, используя наиболее близкие аналогии, и постепенно выйдем на сам физический принцип действия диода. Итак:

Любой диод работает аналогично механическому клапану в гидравлике или пневматике. Для визуализации этого утверждения воспользуемся следующей механической моделью:

Рис. 93

Здесь мы видим типичный обратный клапан (рис. 93), пропускающий поток жидкости или газа только в одном направлении. Поскольку электрический ток тоже состоит из материальных объектов - зарядов, то их поведение в электрической цепи будет аналогично движению жидкости в гидравлической системе.

Чтобы принадлежность этих процессов одному природному Сценарию подчеркнуть более явно, отметим основные признаки сходства:

Для открытия механического клапана требуется определённое усилие, аналогом которому в гидравлике будет давление жидкости. Оно требуется для того, чтобы преодолеть жёсткость пружины, прижимающей иглу или шарик к седлу клапана. Как мы выяснили в предыдущих размышлениях, напряжение в электрической цепи действует аналогично давлению в механике. Соответственно, прежде чем начать проводить ток, любой диод тоже оказывает ему сопротивление, что выражается в падении напряжения на переходе из одного участка электрической цепи в другой. То есть, включив диод в разрыв цепи, мы отметим уменьшение напряжения на его выходе. В зависимости от материалов, используемых при изготовлении диода, падение напряжения на переходе может колебаться в пределах от 0.15 до 1 вольта. Гидравлическая система ведёт себя схожим образом: входящее давление будет отличаться от выходящего и впрямую зависеть от жёсткости пружины, прижимающей иглу либо шарик к седлу клапана. Чем жёстче пружина, тем большее давление требуется для открытия клапана. Это свойство используется в наиболее простых редукторах давления, где используется винт, регулирующий жёсткость пружины, в результате чего изменяется порог срабатывания клапана.

Следующим важным параметром диода считается ёмкость перехода, от которого в значительной степени зависит его быстродействие. В предыдущем размышлении речь шла о конденсаторе, а его ёмкость сравнивалась с упругостью пружины - чем выше этот параметр, тем большее усилие требуется для её сжатия, а значит, изменяется и время процесса, необходимое для перехода из одного состояния в другое. Чтобы заполнить конденсатор без его разрядки новой порцией зарядов, необходимо поднять "давление электричества", роль которого в электрических цепях выполняет Напряжение.

С диодом ситуация в точности повторяется - для преодоления существующей на переходе "упругости", которую создаёт N-тип полупроводника, необходимо определенное "давление" со стороны полупроводника P-типа, которое откроет p-n-переход. Но, как и в механических системах, существование в любом диоде "внутреннего конденсатора", является главной причиной снижения его быстродействия. То есть, чем выше ёмкость перехода, тем медлительнее будет диод, а значит, эффективность его "срабатывания" в высокочастотных цепях будет ниже.

Теперь о типичных неисправностях.

Все знают о "вечной болезни" любых механических клапанов, когда они пропускают некоторое количество жидкости или газа в обратную сторону. В таких случаях говорят, что клапан "травит" или "не держит давление" вследствие механического износа, загрязнения или низкого качества изготовления. Поскольку диод является полным аналогом механическому клапану, то эта "неприятность" и его не обошла стороной. Такого рода дефект называется "током утечки". Всё дело в "половинчатых свойствах" полупроводников, ведь даже препятствуя движению тока, они не являются в полной мере изоляторами. Можно сказать, что "утечка" в диоде - скорее "некоторое неудобство", нежели - "серьёзная проблема". Если этот параметр укладывается в допустимый диапазон значений, на работоспособность схемы он обычно не влияет.

Самая распространённая неисправность любого клапана - пропуск жидкости или газа в любом направлении. То есть, его "клинит" обычно в открытом состоянии. В таких случаях требуется его замена, так как он вообще перестаёт исполнять свою главную функцию. При пробое диод становится обычным проводником, пропускающим ток в обоих направлениях. Притом, обрыв в полупроводниковых приборах - явление довольно редкое. То есть, функционально диод и клапан похожи настолько, что даже неисправности у них общие.

Следующий вопрос:

Почему диод пропускает электрический ток только в одну сторону?

Пришло время обсудить работу p-n-перехода, который образуется при контактном соединении двух полупроводников с разной степенью электропроводимости.

p-n-переход

Для начала заглянем в учебник:

p-n-переход - область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости - дырочной (P-positive - положительная) и электронной (N-negative - отрицательная).

Если особо не придираться к терминологии, то формулировка в общих чертах верна, но ценность её сомнительна.

Реальность существования электрона - вопрос дискуссионный, а вот что такое "дырочная проводимость" - вопрос, для ответа на который требуется навсегда забыть про логику и здравый смысл. Впору вспомнить студенческую шутку, которая звучит примерно так:

Самая большая тайна Вселенной - Куда девается дырка от бублика, когда его ломают?

Назвать "дырку" - вакансией для электрона - полбеды, но признать её материальным объектом со всеми присущими атрибутами - это уже перебор. Поэтому далее будем руководствоваться принципом Оккама, который гласит:

Самое простое объяснение - обычно является и наиболее близким к реальности.

Действительно, при контактном соединении двух полупроводников с разным типом проводимости образуется так называемый p-n-переход, обладающий свойством оказывать высокое сопротивление движению тока в "обратном" направлении, и низкое в "прямом". Но это свойство возникает по вполне объективным причинам, поэтому не нужно придумывать новых богов, пока старые со своими обязанностями ещё вполне справляются...

Суть эффекта односторонней проводимости диода состоит в следующем:

Поскольку любой полупроводник частично обладает свойствами диэлектрика, то области диэлектрического сопротивления, обязательно существующие в нём, имеют собственное электромагнитное поле. Существуя в едином материальном объекте, вместе они составляют - общее электромагнитное поле полупроводника. Конечно, его напряжённость заметно слабее, чем у любого диэлектрика, ведь области диэлектрического сопротивления заполняют вещество частично, соседствуя с областями проводимости, поэтому и проявление такого "суммарного поля" при взаимодействии с другим полем той же природы обнаружить будет непросто. Просто потому, что полупроводник вообще склонен вести себя по-разному при вроде бы одинаковых обстоятельствах. Электрический ток, пропускаемый через полупроводник, может вызвать в нём, как рост проводимости, так и увеличение диэлектрических свойств.

Полупроводники капризны и непредсказуемы, но всё меняется, когда мы соединяем два близких по свойствам полупроводника в единый объект, где возникает так называемый p-n-переходом. То незначительное электромагнитное поле, которое имеется у каждого из них, объединяется, вследствие чего заметно усиливается. Более того - обретает строгую ориентацию в пространстве. Его Южный полюс, условно "плюсовой" теперь располагается со стороны менее плотного полупроводника N-типа, а Северный "минусовой" с противоположной стороны перехода. То есть там, где находится полупроводник P-типа, более плотный и лучше проводящий электрический ток. В момент воздействия на p-n-переход потоком электрических зарядов, его электромагнитное поле, в полном соответствии с принципом электромагнитной индукции, реализует магнитный потенциал, вектор направленности которого всегда располагается в одном направлении - с Севера на Юг, то есть, от полупроводника P-типа к полупроводнику N-типа.

Следующая картинка:

Рис. 94

Здесь мы видим (рис. 94) два полупроводника с различными типами проводимости N и P, в плоскости соединения которых располагается само электромагнитное поле p-n-перехода, изображённое в виде тороида красной пунктирной линией. Его полярность определяется направлением чёрной стрелки - это магнитный потенциал, обычно обозначаемый литерой Ф. Электрический потенциал этого поля, обозначенный литерой В, согласно правилу Трёх перпендикуляров, располагается перпендикулярно к оси магнитного потенциала Ф, то есть, по окружности. Направление его определяем правилом буравчика - по часовой стрелке по отношению к магнитному потенциалу.

Вследствие существования собственного электромагнитного поля у p-n-перехода, электрический ток через него может двигаться только в одном направлении - попутно его магнитному потенциалу, поскольку только в этом случае электрические заряды, условно положительные, не встретят сопротивления. В противном случае два положительных вектора встретятся, что вызовет противодействие друг другу.

Следует заметить также, что электрические заряды при прохождении p-n-перехода встретят сопротивление своему движению в любом направлении, даже в "прямом" - из более плотной среды полупроводника P-типа в менее плотную N-типа. Если магнитный потенциал, условно "попутный", не будет оказывать противодействия, то электрический потенциал - действующий по окружности, перпендикулярно движению электрических зарядов, окажет на него тормозящее действие, стремясь придать вращение прямолинейному потоку. Какая-то часть электрических зарядов будет вовлечена в этот "круговорот", и это станет причиной возникновения дополнительной силы, препятствующей перемещению основного потока. Говоря образным языком, бывшие "соратники", выйдя на "новую орбиту", станут противниками, стремящимися сбить всех остальных с "истинного пути".

Возникающий эффект также можно сравнить с выездом автомобиля из переулка на дорогу с очень плотным трафиком. Конечно, придётся дождаться образования "кармана" между машинами, в который нужно немедленно втиснуться, после чего уже можно перемещаться в общем потоке. Естественно, ни о каком встречном движении не может быть и речи - вы поедете туда, куда и все остальные.

Собственно, это наиболее простое объяснение эффекта односторонней проводимости электрического тока при его движении через p-n-переход с позиций "твёрдого атома".

Таким образом, эффект поляризации диэлектриков, многократно подтверждённый на практике, в равной степени проявляется и у полупроводников в составе p-n-перехода, с той лишь разницей, что электромагнитное поле диэлектрика до начала взаимодействия с электричеством не имеет чёткой ориентации в пространстве. То есть, вектор его магнитного потенциала разворачивается лишь при взаимодействии с электрическим током, а его направление указывает туда, где в данный момент находится наибольшее количество электрических зарядов. Проще говоря, диэлектрик ведёт себя как стрелка компаса, разница лишь в том, что он практически не взаимодействует с магнитным потоком, но зато чувствителен к электромагнитному полю и электричеству.

Полупроводник, наоборот, чувствителен ко всему, и к магнитному потоку в том числе. Всё потому, что в p-n-переходе магнитный и электрический потенциалы его собственного электромагнитного поля уже ориентированы в пространстве и не могут развернуться подобно флюгеру. Свойство "повышенной чувствительности" полупроводников к любым проявлениям электромагнетизма активно используется в различных сенсорах и датчиках, а эффект Холла - яркий тому пример.

Ранее мы обсуждали свойства проводников на уровне веществ в составе кластера, без привязки к какому-то конкретному компоненту. Теперь рассмотрим работу p-n-перехода на примере диода.

Рис. 95

Несмотря на простоту представленного выше рисунка, он довольно информативен и даёт представление о существовании некоторых важных условий, без которых диод вряд ли сможет работать.

Рассмотрим его внимательно:

Во-первых, со стороны Анода, обозначенного знаком "+" находится металл Индий. Это полупроводник P-типа (positive - положительный), который довольно хорошо проводит электрический ток, а значит, он пригоден к использованию в качестве Анода. Катодная часть формируется на основе Германия, который по отношению к Индию является полупроводником N-типа (negative - отрицательный). Его электропроводность довольно низкая, поэтому площадь контакта с металлическим выводом катода должна быть как можно больше.

Второе условие - площадь контакта двух полупроводников в области p-n-перехода. Со стороны Анода она должна быть несколько меньше, чем катодная.

Как уже было отмечено ранее, в "прямом" направлении электрическому току всё равно придётся преодолевать сопротивление p-n-перехода, даже несмотря на то, что такое подключение называется "прямым" и оно попутно магнитному потенциалу p-n-перехода. У электромагнитного поля существует и второй потенциал - электрический, расположенный перпендикулярно магнитному, то есть, по окружности. Представим аттракцион в парке развлечений, где посетителям предлагается пройти внутри широкой трубы. Проблемы никакой нет до тех пор, пока она не начнёт вращаться относительно своей центральной оси. Чтобы успешно продвигаться вперёд, нужно идти немного вбок против направления вращения, иначе "твёрдая опора" будет уходить из под ног, стремясь оказаться над головой. Нечто похожее происходит и с электрическими зарядами, ведь их перемещение прямолинейно, а электромагнитное поле перехода стремится их вовлечь в движение по окружности.

Для противодействия сопротивлению p-n-перехода было найдено решение - сужение площади анода по отношению к катоду в плоскости соединения двух полупроводников. Здесь действует сугубо механическое правило - чем меньше радиус, тем ниже линейная скорость вращения при неизменной угловой. Но мы не можем бесконечно уменьшать поперечное сечение полупроводника анода, так как через него должен протекать электрический ток. К счастью, даже совсем небольшая разница диаметров позволяет проявиться правилу Бернулли, известному нам по гидравлике, которое гласит:

Чем тоньше трубка, тем выше скорость движения жидкости, а значит, и её давление.

Как раз этот сценарий и позволяет успешно преодолевать переход из среды с высокой плотности в низкую, ведь Напряжение является полным физическим аналогом давлению. Если полупроводник Анода в плоскости соприкосновения с полупроводником Катода будет иметь меньший диаметр, то повышенного "давления зарядов", возникающего согласно правилу Бернулли, будет вполне достаточно для преодоления сопротивления p-n-перехода в "прямом" направлении.

Следующая картинка наглядно иллюстрирует изложенные выше доводы:

Рис. 96

Каких-то особых пояснений здесь не требуется (рис. 96). Электромагнитное поле p-n-перехода на рисунке не изображено, но его присутствие подразумевается. Теперь плюс подключаем со стороны катода:

Рис. 97

Естественно, что "обратное" подключение для электрического тока непреодолимо, ведь в этом случае количество "неблагоприятных факторов", таких как - наличие встречного магнитного потенциала p-n-перехода и "поперечного" электрического потенциала - будет уже критически высоким. В качестве дополнительного аргумента добавим сюда и высокую площадь сечения катода в сравнении с анодом.

Переходим к следующему участнику радиоэлектронных схем:

Биполярный транзистор

Вначале заглянем в учебник:

Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор, в своей структуре имеющий два p-n-перехода.

Этой информации для дальнейших рассуждений достаточно.

Следующий блок картинок:

а)

б)

Рис. 98

Здесь представлены два типа биполярных транзисторов, являющихся основными участниками любой электронной схемы. Сверху транзистор структуры p-n-p, снизу n-p-n.

На верхней картинке (рис. 98. а) физическая модель транзистора структуры p-n-p, справа от него схематическое изображение на схеме, ещё правее - эквивалентная схема, позволяющая инструментально определить расположение выводов реального транзистора в том случае, если под рукой нет подходящего справочника.

Картинка ниже (рис. 98. б) показывает устройство и обозначение транзистора с противоположной структурой строения.

Обратим внимание на то, что эмиттер обоих транзисторов на эквивалентной схеме обозначен как стабилитрон. Дело в том, что степень легирования полупроводника эмиттера обычно довольно высока по отношению к коллекторной части транзистора, а значит, и напряжение "обратного пробоя" перехода база-эмиттер сравнительно небольшое - порядка 8-15 вольт. Такое технологическое решение обеспечивает прохождение достаточно большого тока через узкое поперечное сечение полупроводника без значительного его разогрева. Коллектор любого транзистора всегда массивнее эмиттера, и часто соединяется с металлическим корпусом для лучшего охлаждения, так как через него протекает основной ток. Базовый слой по отношению к коллекторной и эмиттерной части наиболее тонкий, а его толщина самым непосредственным образом отвечает за параметры, которые должен обеспечивать конкретный транзистор.

Принцип работы биполярного транзистора, независимо от его структуры, состоит в управлении электропроводностью зоны с наиболее высоким диэлектрическим сопротивлением. Её расположение в транзисторе будет зависеть от типа полупроводника, из которого формируется базовый слой транзистора. Несмотря на то, что физические правила для всех типов биполярных транзисторов общие, работу каждого из них рассмотрим чуть подробнее.

p-n-p транзистор

Начнём с транзистора p-n-p структуры:

Рис. 99

В транзисторе p-n-p структуры полупроводник N-типа располагается посредине, и эта область является "недружественной" для движения электрического тока. Сопротивление её несколько выше, чем коллекторной и эмиттерной части транзистора, так как в этом типе полупроводника изначально преобладают области диэлектрического сопротивления.

Рис. 100

В момент подключения источника питания G, электрические заряды без труда преодолеют эмиттерную часть транзистора и "застрянут" в области базы B, так как высокий потенциал относительно коллекторного вывода вызовет резкий рост диэлектрического сопротивления полупроводника N-типа вследствие его поляризации. С этого момента базовый слой станет изолятором для электрического тока, и транзистор закроется. Изменение электрической проводимости в области базы возможно лишь при движении тока на "минус" через резистор R2 по направлению красной стрелки.

Теперь чуть подробнее о происходящих внутри такого транзистора процессах.

Для простоты визуализации (рис. 100) электрические заряды обозначим знаком +, ведь они поступают в электрическую цепь как раз с плюсового вывода источника питания.

В транзисторе p-n-p структуры переход Эмиттер-База организован по подобию диода - площадь контакта эмиттера с базовым слоем достаточно узкая, соответственно, электрический ток преодолевает p-n-переход без особых проблем, так как напряжение источника питания G однозначно больше 0.6 вольт, необходимого для "прямого пробоя" p-n-перехода. Убедиться в том, что на базе присутствуют электрические заряды, довольно просто - нужно замерить вольтметром напряжение между базой и "минусом".

Коллекторная часть транзистора наиболее массивна и состоит из полупроводника P-типа, проводимость которого довольно хорошая. Но ток к коллектору не поступает, так как база - полупроводник N-типа, в котором преобладают зоны диэлектрического сопротивления, а они в данный момент сильно поляризованы вследствие большой разницы потенциалов между базой и коллектором. До тех пор, пока на базе присутствует высокий потенциал относительно "минуса" питания, переход не откроется. Транзистор заперт, лампочка HL не горит.

Для того чтобы снизить диэлектрическое сопротивление базового слоя, необходимо устранить причину его поляризации - разность потенциалов между выводами базы и коллектора - сейчас она близка к напряжению источника питания G. Теперь заставим лампочку загореться:

Рис. 101

Для этого требуется уменьшить сопротивление резистора R2, что вызовет движение тока Ib, следствием которого станет падение напряжения на базовом выводе относительно "минуса" схемы.

Как только напряжение на базовом выводе упадёт ниже уровня, при котором возможен электрический пробой диэлектрических зон в области базы на дистанции Эмиттер-Коллектор, транзистор откроется и лампочка загорится. Дальнейшее изменение проводимости канала Эмиттер-Коллектор в сторону уменьшения или увеличения тока производится изменением сопротивления резистора R2, включенного между базой и "минусом" питания.

Особо акцентируем внимание на том, что для начального открытия перехода необходимо снизить напряжение на базе, ведь именно оно влияет на величину поляризации зон диэлектрического сопротивления полупроводника, а базовый ток Ib - это уже следующий инструмент, позволяющий регулировать значения тока, проходящего на дистанции Эмиттер-Коллектор.

При выборе номинала резистора R2 следует также учитывать, что переход Эмиттер-База представляет собой "прямой диод" и поэтому ток через него протекает довольно хорошо. Это значит, что для заметного снижения напряжения на базе относительно "минуса" потребуется довольно низкое сопротивление резистора, а значит, ток через него потечёт вполне приличный. В противном случае, напряжение на базе нам снизить не удастся и транзистор не откроется.

Для запирания транзистора действуем по обратному сценарию - увеличиваем сопротивление резистора R2, напряжение на базе возрастает - движение тока на дистанции Эмиттер-Коллектор прекращается. Лампочка HL потухнет.

Существует и механический аналог такого транзистора, который можно взять в руки, разобрать, посмотреть из каких элементов он состоит. Более того, это "устройство" довольно часто можно обнаружить даже у себя в квартире. Для начала чертёж:

Рис. 102

Может показаться, что здесь изображён какой-то пистолет или автомат с коротким стволом, но это обычный гидрозапорный клапан сливного бачка унитаза, и работает он точно так же, как транзистор p-n-p структуры. Чтобы принцип его действия был более понятен, предлагается упрощённая механическая схема такого устройства:

Рис. 103

Здесь мы видим гидравлический механизм, состоящий из корпуса, трёх отверстий для воды, а также двух клапанов - управляющего и главного. Чёрная стрелка указывает направление движения воды внутри устройства, красная стрелка - закрытие клапана, синяя пунктирная - открытие.

Работает такая конструкция следующим образом:

Вода, поступающая из водопровода, попадает в основную камеру и через технологическое отверстие к управляющему клапану, а также во вторую камеру, где находится главный клапан. На картинке (рис. 103) он представляет собой поршень, подпираемый снизу пружиной. В реальном гидрозапорном клапане вместо поршня обычно применяется резиновая мембрана с твёрдым конусом по центру.

Когда управляющий (маленький) клапан закрыт, вода поступает во вторую камеру и давит на главный клапан, перекрывая выход воды. При отсутствии воды в бачке поплавок ослабляет давление на управляющий клапан, и он открывается, выпуская воду тонкой струйкой. Вследствие этого давление во второй камере падает, и главный клапан открывает отверстие для движения основного потока воды, наполняющего сливной бачок. Как только вода в нём достигает необходимого уровня, поплавковый механизм закроет управляющий клапан, давление во второй камере поднимется и главный клапан перекроет подачу воды.

Соответственно, управляющий клапан будет базой В транзистора, подключение к водопроводу - эмиттером Е, а слив - коллектором С.

Теперь, когда у нас имеется "механический аналог" транзистора p-n-p структуры, попробуем ответить на вопрос:

Может ли такой транзистор работать, если мы случайно перепутаем коллектор с эмиттером?

Гидрозапорный клапан сливного бачка унитаза работать не будет точно. Отверстие, через которое наполняется сливной бачок, изначально находится в закрытом состоянии, и потребуется критически высокое давление в системе, чтобы вода смогла течь в обратном направлении. То есть, такой клапан "открыть" с обратной стороны можно только просверлив в нём дыру, иных вариантов нет.

Транзистор при смене выводов коллектора и эмиттера работать тоже откажется, поскольку "архитектура взаимодействия" в нём поменяется так же как и в гидрозапорном клапане. Коллектор по отношению к эмиттеру имеет довольно большее сечение в зоне контакта с базовым слоем (рис. 98. а), а значит, для снижения напряжении на базе потребуется слишком большой ток. Другими словами, базовый слой в транзисторе расплавится раньше, чем откроется переход Коллектор-Эмиттер. В этом случае транзистор непременно откроется, то закрыться уже не сможет никогда.

n-p-n транзистор

Далее о работе транзистора n-p-n структуры:

Рис. 104

Внешне изменения незначительные, но эмиттер с коллектором поменялись местами, а также изменился тип их проводимости. Теперь базовая область обладает хорошими свойствами электропроводимости, эмиттер несколько хуже, так как это полупроводник N-типа, а коллектор имеет наихудшую проводимость по отношению к базе и эмиттеру. Именно здесь возникнет зона высокого сопротивления, которой мы будем управлять.

Как и в случае с транзистором p-n-p структуры, при подключении к источнику питания вначале произойдёт насыщение транзистора электрическими зарядами, но теперь роль "изолятора с переменными свойствами" будет играть не база, а коллектор.

Картинка такая:

Рис. 105

В этом типе транзистора p-n-переход Коллектор-База развёрнут в "обратном" направлении, в то время как переход База-Эмиттер можно назвать "прямым подключением". К тому же, базовый слой состоит из полупроводника P-типа, который изначально не склонен к аккумулированию зарядов, а значит, они будут стремиться его покинуть через резистор R2, либо через область эмиттера на "минус" питания. Эмиттер состоит из полупроводника N-типа, но на нём нет разницы потенциалов, а значит, его сопротивление выше, чем у полупроводника базы P-типа, но движению зарядов он не препятствует.

Таким образом, в транзисторе n-p-n структуры возникает ситуация, при которой значительная разница потенциалов возникает между коллектором, на котором "плюс" питания, и базой, на которой "минус". Поскольку коллектор состоит из полупроводника N-типа, то напряжение источника питания сразу же после подключения приведёт к его поляризации относительно базового слоя, в результате чего эта область станет изолятором для тока.

Следующая картинка:

Рис. 106

Для того чтобы полупроводник N-типа обрёл проводимость, необходимо избавиться от поляризации, которая возникла в результате разности потенциалов между базой и коллектором. Это возможно лишь в случае, если на базе возникнет некоторое положительное напряжение, что устранит причину возникновения поляризации и создаст условия для электрического пробоя зон диэлектрического сопротивления полупроводника в коллекторной части транзистора.

Уменьшаем сопротивление резистора R1, в результате чего напряжение на базе возрастает, и транзистор откроется:

Рис. 107

Как и в случае с p-n-p транзистором, базовый ток будет довольно большим, поскольку p-n-переход База-Эмиттер включен в прямом направлении, а значит, электрические заряды при "давлении" выше 0,6 вольт будут проходить через него без труда. Увеличением количества зарядов, проходящих с "плюса" источника питания на базу, мы сможем управлять величиной проводимости основного канала Коллектор-Эмиттер, преодолевая низкое сопротивление перехода База-Эмиттер.

То есть, главным параметром, влияющим на проводимость транзистора, по-прежнему остаётся величина управляющего напряжение на базе относительно "минуса" питания, но чтобы это произошло, потребуется через резистор R1 пропустить довольно большой базовый ток Ib.

Для того чтобы закрыть транзистор n-p-n, достаточно увеличением сопротивления резистора R1 уменьшить значение Ib - снижение напряжения на базе увеличит диэлектрическое сопротивление в области коллектора и лампочка погаснет.

Близким механическим аналогом транзистору n-p-n структуры можно считать гидроструйный насос, который также называют эжекционным. Внутри него находится сопло, которое подключается к компрессору, подающему жидкость под давлением. Высоконапорный поток, попадая в смесительную камеру, увлекает за собой жидкость, поступающую через входной патрубок, и выталкивает её через выходное отверстие.

Рис. 108

Насосы такого типа незаменимы, когда нужно откачивать жидкость неоднородного состава. К примеру, содержащую смолы, химически активные вещества, песок и различный мусор. Насосы традиционной конструкции с такой работой справляются плохо и быстро приходят в негодность.

Переходим к следующей теме:

Полевой транзистор

Учебник предлагает такое определение:

Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Формулировка вполне адекватна реалиям, поскольку изменение напряжения на затворе действительно влияет на величину электропроводности канала, располагающегося между стоком и истоком транзистора. Единственное уточнение - в полевом транзисторе работает электромагнитное поле, а не электрическое. В остальном всё верно.

В полевом транзисторе, как и в биполярном, напряжение играет ключевую роль в управлении каналом проводимости, но сопротивление между затвором и другими выводами транзистора на любом из режимов полевого транзистора всегда очень высокое, поэтому ток в управлении не участвует. Пожалуй, это главное его отличие от биполярного транзистора.

Разновидностей полевых транзисторов в разы больше, чем биполярных, но их функциональность подчиняется общим для всех правилам, поэтому для обзора базовых принципов работы такого рода приборов выберем лишь два их типа, используемых наиболее часто.

JFET

Первым рассмотрим полевой транзистор с p-n-переходом. В международной практике он имеет название - JFET.

Следует сразу отметить, что наличие p-n-переходов в полевом транзисторе ничуть не сближает его с "биполярными собратьями". Главная функция p-n-перехода в транзисторе этого типа состоит в создании зон высокого диэлектрического сопротивления канала Сток-Исток в момент подачи на затвор "обратного" напряжения. То есть, внутри JFET транзистора с помощью мультиметра мы легко обнаружим минимум два диода - Затвор-Сток и Затвор-Исток, но их подключение такое, что они никогда не работают в "прямом направлении".

Смотрим картинку:

Рис. 109

Здесь мы видим две разновидности JFET транзистора - справа n-канальный, так как канал Сток-Исток у него сформирован полупроводником N-типа, слева - p-канальный. На принципиальной схеме их различают по направлению стрелки, которая также указывает на полярность управляющего напряжения - оно должно быть "встречным", и соответствовать "обратному" подключению диода. То есть, в первом случае относительно истока на затвор нужно подавать "минус", во втором - "плюс". Снизу изображены эквивалентные схемы, по которым можно определить назначение выводов транзисторов, если под рукой вдруг не оказалось справочника. Конечно, никаких диодов внутри транзистора нет, но мультиметр определит наличие двух p-n-переходов - Затвор-Сток и Затвор-Исток.

Изображённый между выводами резистор указывает на то, что нормальное состояние любого JFET транзистора открытое. То есть, резистора внутри полевого транзистора тоже нет, а между Истоком и Стоком существует некоторое сопротивление. Оно совсем небольшое, и поэтому ток через канал протекает без особых трудностей в любом направлении. Для того чтобы сопротивление канала Исток-Сток возросло, на затвор транзистора необходимо подать напряжение определённой полярности.

Попробуем объяснить принцип действия JFET транзистора с каналом N-типа настолько просто, насколько это вообще возможно. Первым делом максимально упростим его "внешний вид", к примеру, таким образом:

Рис. 110

Учитывая, что затворы транзистора этого типа всё равно соединяются вместе, вряд ли принцип работы сильно изменится, если мы оставим лишь один из них.

Итак, на картинке (рис. 110) самый обычный p-n-переход, почти такой же, как у любого диода. Отличие лишь в том, его "анод" теперь называется затвором, а к "катоду" вместо одной пластины подключены две, расположенные на противоположных торцах. Можно также предположить, что и принцип работы такого устройства не намного сложнее, чем это происходит в диоде.

Теперь смотрим, как всё это будет работать в электрической схеме:

Рис. 111

Источник питания G1 мы подключим через лампочку к выводам стока и истока, а между затвором и "минусом" у нас две клеммы, обозначенные как G2.

Если оставить затвор не подключенным, то при подаче питания лампочка загорится, так как ток протекает сквозь полупроводник и p-n-переход в этом процессе никак не участвует. Его электромагнитное поле пребывает в потенциальном состоянии, то есть, при отсутствии внешних "раздражителей" его потенциалы - магнитный и электрический остаются нереализованными, а значит, поле никак себя не проявляет.

Теперь замкнём контакты G2 кнопкой. Лампочка продолжает гореть, ничего не поменялось. Можно сказать, что результат ожидаем, так как p-n-переход включен в "обратном" направлении по отношению к каналу и его высокое сопротивление току ничуть не меняет ситуацию, так как для движения электрических зарядов имеется "альтернативный путь" - полупроводник N-типа, расположенный между выводами стока и истока. Естественно, ток через затвор не течёт. Просто потому, что оба вывода источника питания G1 для него равноценны, а значит, и нет разности потенциалов, на которую он мог бы как-то отреагировать.

Для того чтобы лампочка погасла, необходимо на затвор подать "минус" с какого-то другого источника питания, поскольку ранее мы уже замыкали затвор с истоком, и знаем, что "минус" G1 на величину тока в канале никакого влияния не оказывает.

В тот момент, когда p-n-переход окажется под действием "обратного" подключения, и на его противоположных выводах возникнет разность потенциалов, его электромагнитное поле активируется путём реализации магнитного потенциала. В области перехода Затвор-Сток резко повысится сопротивление полупроводника вследствие его поляризации:

Рис. 112

В качестве "альтернативного" источника питания к контактам G2 подключим обычную пальчиковую батарейку с напряжением 1,5 вольт. Важно соблюсти правильную полярность - "минус" к затвору, "плюс" к истоку. Лампочка погасла, что свидетельствует об увеличении сопротивления канала Сток-Исток.

Следует обратить внимание, что в запертом состоянии канала мы имеем две зоны высокого диэлектрического сопротивления - со стороны стока она шире, на истоке более узкая. Дело в том, что между затвором и истоком сейчас напряжение 1,5 вольт, причём, на истоке "плюс". Для пущей уверенности можно взять вольтметр и убедиться в этом. Очевидно, что между затвором и стоком разница потенциалов значительно выше, ведь в цепи Затвор-Сток у нас сейчас два источника питания G1+G2, включенные последовательно, а значит, напряжение на них суммируется. Именно поэтому максимальное сопротивление в канале сосредоточено в области стока.

Теперь можно отключать батарейку.

Но лампочка не загорится, пока мы не "разрядим" затвор. Дело в том, что поляризованный полупроводник имеет настолько высокое диэлектрическое сопротивление, что до момента, пока на его противоположных выводах сохраняется разница потенциалов, он ведёт себя как конденсатор. То есть, даже после отключения источника питания G2 напряжение на затворе останется, а значит, и электромагнитное поле p-n-перехода не перейдёт в потенциальное состояние, пока конденсатор заряжен. Правда, ёмкость у него совсем небольшая, поэтому для разряда достаточно коснуться затвора щупами вольтметра или просто пальцем. В этот момент поляризация в канале Сток-Исток ослабнет, и лампочка снова загорится.

Схема подключения p-канального JFET транзистора будет точно такой же, но с противоположной полярностью управления затвором, так как для активизации электромагнитного поля p-n-перехода и возникновения вокруг него области высокого диэлектрического сопротивления важна только разность потенциалов на противоположных обкладках "конденсатора", а с какой стороны будет "плюс" и "минус" - особой роли не играет.

При этом следует отметить, что организовать высокое сопротивление в канале Сток-Исток, состоящем из полупроводника P-типа намного сложнее технологически, нежели из полупроводника N-типа, который для этой роли подходит куда как лучше. Тем не менее, промышленность выпускает и p-канальные JFET транзисторы, но цена их заметно выше n-канальных.

В качестве полезного вывода:

Управление транзистором JFET производится всегда в обратном направлении к стрелке, обозначающей затвор.

То есть, если она указывает внутрь транзистора, для запирания канала мы подаём "минус" на затвор и "плюс" на исток. Если стрелка наружу, то на затвор подаётся "плюс".

MOSFET

На очереди полевой транзистор с изолированным затвором, международное название которого - MOSFET.

Формулировку из учебника приводить нет никакой нужды, так как полезной информации она не содержит.

Принцип работы транзистора с изолированным затвором основан на изменении сопротивления канала Сток-Исток посредством воздействия на него электромагнитным полем диэлектрика, расположенного в области затвора. Чуть сложнее это будет выглядеть следующим образом:

В транзисторах с изолированным затвором формируются два источника электромагнитного поля, которые управляют сопротивлением канала Сток-Исток путём их взаимного перемещения в плоскости, перпендикулярной к основному каналу проводимости. Расшифровка будет дана чуть позже, а сейчас посмотрим на механические модели, дающие наглядное представление о работе MOSFET транзисторов:

а)

б)

в)

Рис. 113

На верхней картинке (рис. 113. а) механическая модель нормально закрытого MOSFET транзистора с индуцированным каналом. При отсутствии управляющего напряжения на затворе канал Сток-Исток закрыт, и ток по нему не течёт. Действующий в направлении синей стрелки потенциал (рис. 113. б) вызовет поперечное смещение зоны проводимости в канале управления, что откроет канал Сток-Исток для движения тока. Как и в случае с JFET транзистором, открытое либо запертое состояние в MOSFET транзисторе может сохраняться довольно долго. Во всяком случае, до того момента, пока на затворе не изменится потенциал относительно подложки. Всё дело в высоком сопротивлении диэлектрика, находящемся в области затвора, который представляет собой конденсатор, сохраняющий заряженное состояние сколь угодно долго.

Полярность управляющего напряжения в MOSFET транзисторе зависит от типа проводимости канала, он может быть N-типа или P-типа.

Самая нижняя картинка (рис. 113. в) иллюстрирует состояние транзистора, при котором он открыт лишь наполовину. Такая механическая модель наиболее подходит под описание работы MOSFET транзистора со встроенным каналом, нормальное состояние которого можно характеризовать как "приоткрытое" либо "не полностью закрытое". То есть, напряжение одной полярности на затворе относительно подложки откроет его ещё больше, а противоположной - закроет.

Теперь о принципе, реализованном в транзисторах этого типа.

Как уже неоднократно сообщалось ранее, диэлектрики и полупроводники по своему внутреннему строению являются родственными средами, поскольку в отличие от проводников они обладают собственным электромагнитным полем, вследствие обязательного наличия в веществе диэлектрика электрических зарядов - источников электромагнитного поля. В отличие от диэлектрика, поле полупроводника довольно слабое, но в момент соединения двух полупроводников с разным типом проводимости возникает p-n-переход, в результате чего электромагнитное поле всех находящихся в диэлектрике электрических зарядов упорядочивается по направлению, а значит, усиливается многократно.

Здесь следует ещё раз напомнить, что электромагнитное поле p-n-перехода даже в момент своего возникновения уже имеет чёткую ориентацию в пространстве, в отличие от диэлектриков, поляризация у которых возникает лишь при взаимодействии с электрическими зарядами. P-n переход можно сравнить с обычным магнитом, полюса которого существуют изначально, в отличие от любого полупроводника, заряды внутри которого ещё необходимо развернуть в том или ином направлении. Нечто подобное происходит с атомами железа, которые легко меняют свою поляризацию словно флюгер, поэтому железо всегда притягивается к любому полюсу магнита - северному или южному. Всё потому, что кристаллическая решётка, удерживающая атом железа в составе кластера, не запрещает ему вращаться в любом направлении. Но, вернёмся к основной теме...

Следствием однотипного строения полупроводника и диэлектрика является эффект "диффузии поля", механизм возникновения которого показан на следующих картинках:

Рис. 114

Здесь изображён обычный конденсатор, между металлическими пластинами которого находится диэлектрик. При подаче какого-либо потенциала на внешние контакты его электромагнитное поле обретает чёткий вектор направленности и смещается в область "низкого потенциала", то есть, к условному "минусу". Выйти за пределы "тела" конденсатора электромагнитное поле не способно, так как любой проводник для него - изолятор. Но всё меняется, когда соединяются две "родственные среды" - диэлектрик и полупроводник:

Рис. 115

Очевидно, что при контактном соединении диэлектрика (линии жёлтого цвета) и полупроводника (зелёный цвет) картина не изменится, поскольку суммарное электромагнитное поле такого "бутерброда" продолжит подчиняться прежним правилам - под действием приложенного потенциала будет смещаться к "минусу", сильнее или слабее прижимаясь к металлическим пластинам, за пределы которых выйти не может ни при каких обстоятельствах. То же касается и других "общих свойств" - диэлектрического сопротивления и поляризации.

До тех пор, пока электромагнитное поле диэлектрика не выходит за его пределы, это можно назвать обычным смещением, но особый случай (рис. 115 - средний), при котором электромагнитное поле физически покидает диэлектрик, целиком оказываясь в "теле" полупроводника - это уже полноценная диффузия, то есть - проникновение в родственную для него среду. Благодаря эффекту "диффузии электромагнитного поля" возникает возможность управления поперечным каналом проводимости в полупроводнике.

Теперь чуть усложним конструкцию, добавив третий полупроводник:

Рис. 116

На картинке (рис. 116) диэлектрик, как и прежде изображённый жёлтой линией, но сейчас обозначенный литерой С (от английского - capacitor), имеет непосредственный контакт с p-n-переходом, состоящим из двух полупроводников с разной проводимостью.

Обратим особое внимание на то, что теперь у нас в одном "теле" такого "сложносочинённого конденсатора" уже два поля одной природы - электромагнитное поле диэлектрика и электромагнитное поле p-n-перехода. Поскольку их источники разные, а направления встречные, то объединиться в общее поле они не могут, поэтому обречены "конкурировать" за общее пространство.

Варианты взаимодействия двух конкурирующих полей следующие:

Первый (рис. 116 левый), при котором на выводах "конденсатора" напряжение отсутствует, либо потенциалы совпадают. В этом случае электромагнитное поле диэлектрика целиком находится в его "теле" и не имеет заметной поляризации, поскольку нет разности потенциалов на металлических обкладках. Собственное электромагнитное поле p-n-перехода жёстко привязано к границе соединения двух полупроводников, а так как разницы потенциалов нет, то куда-либо смещаться у него тоже нет никакой необходимости.

Следующие за ним картинки (рис. 116 средний и правый) показывают подключение напряжения к системе "диэлектрик - p-n-переход" и возможную конфигурацию расположения электромагнитных полей внутри такого "бутерброда".

Как уже отмечено ранее, электромагнитное поле внутри системы "диэлектрик-полупроводник" может перемещаться без каких-либо физических ограничений, а в некоторых случаях даже покидать "собственную" диэлектрическую среду - диффундировать, как на предыдущей картинке (рис. 115 средний), поскольку это "комплексное поле", образуемое суммой всех областей диэлектрического сопротивления вещества в системе "диэлектрик-полупроводник".

Так как собственное электромагнитное поле p-n-перехода изначально возникает на границе соединения двух полупроводников, оно может в значительной степени изменять свою форму, при этом оставаясь прочно привязанным к плоскости контакта полупроводников, и покинуть её не может, поскольку формируется самим фактом существования p-n-перехода, являющегося его источником. В диэлектрике источником электромагнитного поля служат все без исключения зоны диэлектрического сопротивления, формируемые свободными зарядами, а их поляризация в том или ином направлении задана полярностью подключения источника питания. Этим и объясняется столь широкая "степень подвижности" электромагнитного поля внутри диэлектрика.

Переходим к практике. За основу возьмём n-канальный MOSFET, как наиболее простой по конструкции:

Рис. 117

На картинке всё тот же "бутерброд" из диэлектрика (жёлтого цвета) и p-n-перехода (зелёный и синий), но теперь имеются дополнительные выводы Сток/Исток, которые подключены к каналу проводимости. В данной конфигурации он будет N-типа. Канал управления Затвор-Подложка по отношению к каналу Сток-Исток располагается перпендикулярно. До того момента, пока ко всей этой конструкции не подключено напряжение, собственные электромагнитные поля диэлектрика и p-n-перехода симметричны, поскольку пребывают в изначальном - потенциальном состоянии.

Подключим эту конструкцию к схеме:

Рис. 118

При подаче напряжения питания G1 на сток пространственная конфигурация электромагнитных полей p-n-перехода и диэлектрика изменится. Магнитный вектор p-n-перехода теперь указывает на сток, где вследствие поляризации полупроводника N-типа образуется зона высокого сопротивления. Обратим внимание, что электромагнитное поле диэлектрика тоже изменило ориентацию в пространстве вследствие "конкуренции" со стороны электромагнитного поля p-n-перехода. Наличие положительного потенциала на стоке никак не влияет на сопротивления диэлектрика, поскольку к контактам G2 пока ничего не подключено.

Можно сразу сказать, что при соединении затвора с истоком лампочка HL не загорится, хотя конфигурация электромагнитного поля в диэлектрике немного изменит форму, вследствие чего сопротивление в области стока станет ещё выше, но на общую ситуацию это не повлияет, так как сопротивление канала Исток-Сток и так довольно высокое.

Для того чтобы лампочка зажглась на затвор нужно подать положительный потенциал. Причём, использовать можно как, уже существующий источник питания G1, так и любой другой. Дабы не усложнять схему излишними построениями, воспользуемся обычной пальчиковой батарейкой и подключим её к контактам G2:

Рис. 119

Под действием положительного потенциала на затворе электромагнитное поле диэлектрика выдавливается в область полупроводника N-типа. В результате "полевой конкуренции" электромагнитное поле p-n-перехода смещается в направлении подложки, что ослабляет поляризацию полупроводника в области стока, тем самым открывая канал проводимости.

Лампочка HL горит.

Отметим также, что электромагнитное поле диэлектрика, частично проникнув в полупроводник N-типа никак не влияет на движение тока в канале Сток-Исток, так как пространство вокруг него не поляризовано вследствие отсутствия разности потенциалов на дистанции Затвор-Сток/Исток. В данном случае поляризация и как следствие, область высокого диэлектрического сопротивления в области Стока может возникнуть только со стороны p-n-перехода, так как его подложка соединяется с минусом источника питания G1. Снижение напряжения на затворе приведёт к обратному смещению электромагнитного поля диэлектрика и как следствие - к перемещению электромагнитного поля p-n-перехода обратно в область канала Сток-Исток, что закроет канал проводимости вследствие поляризации области стока.

Лампочка погаснет.

Как и в случае с JFET транзистором, простое отключение от затвора управляющего напряжения не приведёт к изменению текущего состояния транзистора вследствие высокой собственной ёмкости диэлектрика. Для закрытия канала проводимости необходимо разрядить область диэлектрического сопротивления затвора от оставшихся в диэлектрике электрических зарядов. Установка дополнительного резистора между затвором и истоком вполне справится с такой задачей.

Принцип работы p-канального MOSFET транзистора будет тем же, но полярность управляющего напряжения на затворе изменится. Стрелка на схематическом изображении транзистора, обозначающая подложку, тоже поменяет своё направление. В силу более сложного внутреннего устройства с наличием дополнительных литографических слоёв различной степени проводимости p-канальные MOSFET транзисторы несколько дороже своих n-канальных аналогов, но незначительно.

Теперь вспомним, что в прошлом веке в радиоэлектронных устройствах активно применялись радиолампы. Они исполняли функцию диодов и транзисторов в радиоприёмниках, телевизорах, блоках питания, различных усилителях и даже в компьютерах. Может показаться, что такого рода информация для 21-го века совсем неактуальна, тем не менее, без упоминания радиоламп размышление об электрических свойствах полупроводников будет неполным.

К тому же, объяснение эффекта электронной эмиссии современной наукой целиком строится на движении электронов сквозь вакуум, что с позиций концепции "твёрдого атома" выглядит несколько неловко, ведь в её терминологической среде такие понятия как Вакуум и Электрон попросту отсутствуют. Именно по этой причине далее попытаемся разобраться с работой электровакуумных приборов, но с несколько иных позиций, нежели это описано в учебниках по электронике.

Радиолампа

Учебник нам сообщает следующее:

Электронная лампа, радиолампа - электровакуумный прибор, работающий за счёт управления интенсивностью потока электронов, движущихся в вакууме или разряжённом газе между электродами.

Можно сказать, что в существующем виде формулировка полезной информации не содержит.

Во-первых:

Включенный в электрическую цепь амперметр, однозначно показывает движение тока строго в направлении от плюса источника питания к минусу. Тем не менее, в учебнике ясно написано, что электроны в радиолампе движутся от Катода к Аноду, то есть, от минуса к плюсу. Другими словами, электрический ток состоит из чего угодно, но точно не из электронов. К тому же, несмотря на существование множества картинок и схем, иллюстрирующих поведение электрона в различных "житейских ситуациях", до сих пор не существует прибора, способного обнаружить электрон в электрической цепи и показать направление его движения. В то же время, приборов для обнаружения электрических зарядов существует немало. Электроскоп регистрирует малоподвижные заряды, называемые статическими. Вольтметр определяет разность давлений электрических зарядов на некоторой дистанции в цепи, а амперметр указывает на массовую составляющую потока перемещающихся через него электрических зарядов.

Во-вторых:

Существование Вакуума противоречит закону сохранения Массы/Энергии, который даже современной наукой признаётся одним из главенствующих в окружающем мире. В наиболее простой интерпретации он звучит так:

Природа не терпит Пустоты

То есть, в любой точке Пространства мы обязательно обнаружим какие-то вещества, газы, потоки частиц, излучения и много чего ещё. Пустоты в мире, который целиком заполнен Материей, мы не найдём даже в самом дальнем уголке нашей или какой-то другой галактики. Если где-то что-то убыло, значит, освободившееся пространство тут же будет занято другими материальными объектами. Так устроена природа!

Физические опыты по откачиванию газа из стеклянной колбы, многократно проводимые ещё в конце позапрошлого - начале прошлого века, со всей очевидностью доказали незыблемость основного закона Мироздания. Создать разрежение газа возможно, а вот откачать его весь - не получится, даже если использовать очень мощные насосы и самые прочные материалы для их изготовления.

Современная наука под Вакуумом подразумевает любое давление ниже атмосферного, которое составляет примерно 100 кПа или 760 мм.рт.ст. В промышленности давление в 1.3 кПа или 1 мм.рт.ст. приравнивается к 99.9%-ному вакууму. Конечно, технологии не стоят на месте и существуют системы, которые преодолевают этот "рубеж", но тут следует понимать, что давление в 0,5 или 0,05 Па - это будут всё те же 99,9% вакуума, притом, что приборы покажут какие-то немыслимые значения разрежения среды. Даже после откачки всего газа из колбы, образовавшаяся "вакансия" обязательно будет занята другим элементом периодической таблицы, из которого состоят трубки и герметизирующие элементы самой системы. Сначала начнут испаряться менее прочные вещества - неметаллы, а когда и их удастся откачать, следующими на очереди будут металлы - сначала щелочные и щелочноземельные, потом все остальные. Другими словами, все попытки достичь 100%-ного вакуума изначально обречены на неудачу, и поэтому 99% с любым количеством цифр после запятой - естественный природный предел.

Несмотря на то, что радиолампа называется электровакуумным прибором, внутри колбы всегда имеется какое-то количество азота, который при низком давлении проявляет себя как полупроводник. В работающей радиолампе эти свойства в значительной степени усиливаются атомами металлов, оксидов и карбидов, которые наносятся не только на катод, но и на нагреватель.

В низкотемпературных лампах катод покрывается толстым слоем бария, который равномерно испаряется на протяжении всего срока службы лампы. Постепенное истощение катодного слоя приводит к ухудшению полупроводящих свойств газовой среды внутри лампы, что называется - потерей эмиссии.

В высокотемпературных лампах с вольфрамовым нагревателем испаряется сама нить накала. Поскольку вольфрам - это тугоплавкий металл, то расходуется он намного медленнее бария, а значит, такие лампы служат несколько дольше, пока накальная нить не станет слишком тонкой, чтобы произошёл её обрыв. Если такая лампа не светится, значит, она уже неработоспособна. То есть, эмиссию она сохраняет практически до полного истощения нити нагревателя.

По совокупности предоставленных выше возражений предлагается такое определение:

Электронная лампа, радиолампа - герметичный электронный прибор, газовая среда внутри которого исполняет роль полупроводника для электрического тока.

Теперь о принципе работы радиолампы.

Начнём с наиболее простого по конструкции прибора:

Ламповый диод

Рис. 120

На картинке выше представлена электрическая схема с ламповым диодом, подключенным к источнику постоянного тока G через нагрузку, в качестве которой используется лампочка HL. Внутри стеклянной колбы с газом имеются также - нагреватель в виде вольфрамовой спирали или другого тугоплавкого материала, а также, катод и анод - металлические пластины, чаще всего выполненные в виде цилиндров, надетых один на другой. Катод располагается как можно ближе к нагревателю, анод на некотором расстоянии от них.

Следующая картинка:

Рис. 121

Сначала рассмотрим процессы, происходящие внутри колбы с отключенным нагревателем. Поскольку внутри колбы газовая среда находится в сильно разрежённом состоянии, то электрические заряды, пришедшие с плюсового вывода источника питания на анод, скопятся вокруг него, но дальше не двинутся, поскольку весь объём колбы занимает область высокого диэлектрического сопротивления, перекрывающая доступ зарядов к катоду. Можно сказать, что любая радиолампа с холодным катодом представляет собой конденсатор очень маленькой ёмкости, являющийся изолятором для постоянного тока. Соответственно, лампочка HL не загорится.

Теперь подключим ток к спирали нагревателя:

Рис. 122

По мере нагревания катода область диэлектрического сопротивления (чёрный пунктир) внутри колбы (рис. 34) будет сдвигаться ближе к аноду и заметно уменьшаться в размерах, в то время как область проводимости (красный пунктир) со стороны катода наоборот, заметно расширится. Это произойдёт вследствие общего для диэлектриков и полупроводников свойства - увеличения электропроводимости вещества при нагреве.

Поскольку на аноде у нас имеется значительное количество электрических зарядов, которые к тому же находятся под напряжением (давлением) со стороны плюсового вывода источника питания, то в какой-то момент обязательно наступит электрический пробой газовой среды, состоящей не только из азота, но и большого количества атомов вольфрама, бария и различных карбидов (углеродные соединения), которые изначально являются проводниками для электрического тока, а в нагретом состоянии, тем более.

Лампочка HL загорится.

Электрические заряды в такой ситуации будут вести себя в точности так же, как ночные мотыльки, летящие на свет костра, ведь у них появится чёткий ориентир - куда нужно двигаться, чтобы получить для себя дополнительную Энергию. Здесь реализуется базовый природный сценарий, который условно можно назвать:

Движение материальных объектов к источнику Энергии.

В данном случае, в качестве источника энергии выступит нагретый до красна катод радиолампы, куда и устремятся электрические заряды.

В качестве эксперимента поменяем полярность питания. На анод мы подадим минус, а на катод плюс. Лампочка в анодной цепи не загорится, поскольку все заряды скопятся вокруг горячего катода и откажутся его покидать - электрического тока в цепи не будет. К тому же, диэлектрическое сопротивление внутри колбы между "заряженным" горячим катодом и холодным анодом резко возрастёт в результате поляризации газовой среды, изначально являющейся диэлектриком. Другими словами, зарядам нет никакой нужды покидать раскалённый катод, где им тепло и комфортно, и поэтому холодный анод для них не представляет никакого интереса. Следовательно, в ламповом диоде ток может двигаться лишь в одном направлении - от "холодного" анода к "горячему" катоду, что подтвердит амперметр, включенный в разрыв электрической цепи.

Ламповый триод

Рис. 123

Отличие его от диода только в появлении ещё одного элемента внутри, называемого сеткой. Она располагается между катодом и анодом и используется для регулировки тока. Управление потоком электрических зарядов в радиолампе производится путём подачи на сетку какого-либо напряжения. В зависимости от его полярности изменяется проводимость газовой среды внутри колбы. Соответственно, при подаче переменного напряжения на сетку лампа будет работать в режиме усиления, так как даже совсем небольшая амплитуда управляющего сигнала на сетке управляет достаточно большим током, движущимся от анода к катоду.

Любой сигнал переменного напряжения можно условно разделить на три фазы - положительная полуволна, нулевой уровень и отрицательная полуволна. Смоделируем каждое из этих состояний подключением к клеммам G2 источника постоянного напряжения относительно катода, соединённого с минусом основного источника тока G1.

Рассмотрим первый вариант, при котором на сетку подаётся "плюс".

Рис. 124

С двух источников питания одновременно приходят электрические заряды, которые заполняют собой всю область между сеткой и анодом. Газовая среда внутри колбы - это полупроводник, в котором зоны проводимости чередуются зонами диэлектрического сопротивления. Для того чтобы в лампе возник ток, необходима существенная разность потенциалов между анодом и катодом. Если между ними появляется ещё один источник положительного напряжения - сетка, возникает состояние, которое можно условно назвать дисбалансом напряжений. То есть, на аноде самое высокое напряжение в схеме, на сетке значительно ниже, а на катоде вообще ноль. Такая ситуация чем-то похожа на армию, которая вместо того чтобы сконцентрировать все свои силы для удара по противнику, разбрелась по округе и сражаться не собирается.

Положительное напряжение на сетке создаёт минимум два неблагоприятных фактора для электрического пробоя участка Анод-Катод.

Во-первых, даже очень незначительное количество зарядов на сетке поляризует полупроводник в направлении Катода, а значит, диэлектрическое сопротивление этой области возрастает, даже несмотря на то, что катод горячий, и готов принять на себя поток электрических зарядов.

Во-вторых, малоподвижные электрические заряды от источника питания G2 заполняют сетку целиком, перекрывая собой движение для основной массы зарядов, расположенных в области анода. Естественно, что при таком количестве неблагоприятных факторов ни о каком токе от анода к катоду не может быть и речи.

Традиционная физика при описании работы радиолампы оперирует такими понятиями как притяжение и отталкивание частиц, заряженных положительно или отрицательно. Поскольку в существующей терминологической среде понятие отрицательность используется лишь в качестве "удобной условности", то можно сказать, что электрические заряды, возникшие на сетке, не будут ни притягивать, ни отталкивать другие заряды, но само их наличие создаст физическую преграду, вследствие чего условия для электрического пробоя газа-полупроводника резко ухудшатся.

Имеется, как минимум, два варианта преодоления такой "неблагоприятной" ситуации:

Первый - повысить анодное напряжение.

Второй - снизить напряжение на сетке.

Воспользуемся вторым вариантом, для этого вместо источника питания между клеммами контактов G2 поставим перемычку, как на следующей картинке:

Рис. 125

В результате такой манипуляции мы соединили сетку с катодом (рис. 125), то есть, напряжение источника питания G2 снизили до нуля. Лампочка HL загорелась, что свидетельствует о движении тока между анодом и катодом. Но в ламповом диоде, внутри которого нет сетки, при аналогичных условиях ток между катодом и анодом заметно больше, и поэтому лампочка светит ярче. Объяснение довольно простое - сетка оказывает сопротивление движению тока, но уже не столь значительное, как в предыдущем случае (рис. 124). Часть электрических зарядов, ударившись о сетку, теряет свою кинетическую энергию движения и останавливается, мешая другим участникам движения продолжать свой путь. То есть, на сетке образуется некоторый положительный потенциал, который в предыдущем случае вообще останавливал поток, но сейчас сетка соединена с катодом, и поэтому её положительный потенциал своевременно разряжается, уходя в направлении минусового вывода G1. Так возникает ток сетки, который мы можем измерить, подключив амперметр к клеммам G2.

Резюмируем - ламповый триод открывается при "нулевом напряжении" на сетке, но не полностью. Продолжаем экспериментировать и теперь вместо перемычки вновь подключим источник питания, но в этот раз поменяем полярность - на сетку подадим "минус", а "плюс" подключим к катоду.

Рис. 126

То, что лампочка HL загорелась в полный накал, вполне ожидаемо из результатов двух предыдущих опытов. Несколько неожиданным выглядит лишь то, что анодный ток в триоде при таком подключении сетки заметно выше анодного тока лампового диода при аналогичных условиях. То есть, наличие сетки между анодом и катодом, на который подаётся "минус" с дополнительного источника питания G2 значительно улучшает свойства проводимости в радиолампе.

Попробуем разобраться, почему так происходит.

Для наглядности изменим "топографическое расположение" источника питания G2 на схеме, но все соединения оставим неизменными:

Рис. 127

Теперь хорошо видно, что источники питания G1 и G2 соединяются друг с другом последовательно, а значит, напряжение такой "батареи" суммируется. В результате мы имеем ситуацию, при которой разность потенциалов между анодом и сеткой выше, чем между анодом и катодом. Говоря языком традиционной физики, на сетке напряжение "более отрицательное", нежели на катоде. В данном режиме сетка исполняет роль "ускоряющего электрода", как бы дополнительно подгоняя частицы тока на дистанции Анод-Катод. В результате такого воздействия в нагрузке мы регистрируем максимальный ток, на который рассчитана радиолампа.

Если бы мы использовали традиционное объяснение - притяжение отрицательных и положительных частиц друг к другу, то дальнейшее движение тока от сетки было бы довольно трудно обосновать, ведь разноимённые частицы, соединившись вследствие притяжения, уже не поменяют своей полярности и на их разъединение потребуется потратить дополнительную энергию.

Поскольку в данном размышлении все частицы, участвующие в процессе - однозначно положительны, то нет никаких трудностей с преодолением ими сетки, подача "глубокого минуса" на которую лишь создаёт идеальные условия для движения тока в лампе, не вызывая никаких побочных "магнитных эффектов".

Бачи Алекс : другие произведения.

Как устроен этот мир (Куэм - общий файл)

Оставить комментарий © Copyright Бачи Алекс Размещен: 21/10/2020, изменен: 16/04/2022. 586k. Статистика. Эссе: Естествознание Иллюстрации/приложения: 173 шт. Скачать FB2		Ваша оценка:
Аннотация: Если вам кажется, что окружающий мир устроен намного проще, чем его описывают школьные курсы физики и химии, то вполне вероятно, так оно и есть. Наблюдаем, размышляем, и делаем выводы!