Что являлось предметом исследования в опытах рике

Что являлось предметом исследования в опытах рике

Опыт К. Рикке по проверке неатомного характера тока в металлах.

Методы: качественное изучение специально обработанного образца.

Прямота эксперимента: непосредственное наблюдение

Искусственность изучаемых условий: естественные условия (электрический ток в металле).

Исследуемые фундаментальные принципы: электронный характер тока в металлах.

Карл Виктор Эдуард Рикке (1845–1915) убедительно и прямо доказал, что ток в металлах имеет неатомную природу. Сегодня известно, что он связан с переносом электронов, при этом химический состав металла не меняется (последнее свойство, в частности, является необходимым для т.н. проводников первого рода, к которым относятся и металлы). Установка Рикке была достаточно простой: это три бруска, два из меди, один — из алюминия, соединенные, как показано на рисунке, и включенные в цепь постоянного тока. Ток поддерживался в цепи в течение более года, при этом через контакт металлов протек заряд порядка . После этого Рикке тщательно изучил поверхности соприкосновения металлов и не обнаружил следов атомов алюминия в медном бруске и наоборот. Этот факт говорил в пользу электронной теории тока в металлах.

Источник

Лекция 13

Ранее отмечалось, что протекание тока в металлах обусловлено наличием свободных электронов. Существуют экспериментальные доказательства данного утверждения.

1.Опыт Рикке (1911)

Немецкий ученый Рикке поставил следующий эксперимент. Через три последовательно соединенных металлических цилиндра (медь, алюминий, медь) в течение года протекал электрический ток.

За год прошел электрический заряд Q=3,5 МКл.

Не было зарегистрировано изменение массы этих проводников с точностью до 0,03 мг.

Это говорит о том, что ток обусловлен движением частиц, одинаковых для всех металлов.

2.Опыты Папалекси и Мандельштама (1912–1913)

Русские ученые предложили следующую идею: есть проводник, который движется с некоторой скоростью, а потом резко тормозится.

С помощью данного эксперимента можно было установить знак частиц, отвечающих за ток в металлах. Их эксперименты показали, что это отрицательные частицы. Опыт можно было бы выполнить и с количественным результатом, но помешала первая мировая война.

3.Опыты Толмена – Стюарта (1915–1916)

Опыт был поставлен в лаборатории калифорнийского университета США с численным результатом.

С помощью данных экспериментов было подтверждено, что ток обусловлен движением отрицательных частиц и был измерен удельный заряд.

В 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл электрон, для которого удельный заряд равен:

Оказалось, что ток в металлах обусловлен движением электронов.

4.Электроны в металле

Электрон в атоме находится в потенциальной яме.

Когда атомы объединяются в кристаллическую решетку, их потенциальные ямы перекрываются. Энергии электрона может хватить, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Электрон начинает принадлежать не одному атому, а всему кристаллу. Говорят, что электроны обобществляются или коллективизируются и в металлах существует электронный газ.

Электроны абсолютно свободны в металле, т.к. очень малой разности потенциалов хватает для возникновения тока. Электронный газ выполняет связывающую роль для кристаллов.

Несложно оценить концентрацию электронов в металле.

Такой же порядок концентрации дают и другие, в том числе экспериментальные, методы, например, эффект Холла (см. далее).

5.Классическая электронная теория Друде – Лоренца

Считаем, что электронный газ является идеальным и подчиняется статистике Максвелла-Больцмана.

Дрейфовую скорость упорядоченного движения можно оценить

Это скорость каждого отдельного электрона. За возникновение тока отвечает скорость передачи возбуждения по цепи, т.е. скорость света.

Считаем, что электроны между собой не взаимодействуют, а взаимодействие с узлом кристаллической решетки сводится к столкновениям и передачи им энергии электрона. Пусть время между столкновениями τ, тогда скорость равна

То есть, получаем закон Ома в дифференциальной форме.

Получим закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме.

Теория Друде – Лоренца позволяет обосновать законы Ома и Джоуля – Ленца.

6.О нарушениях закона Ома

Закон Ома справедлив, пока электростатическая энергия много меньше тепловой.

Для газов:

Данное значение напряженности для газов достаточно скромное, поэтому в газах закон Ома не выполняется.

Для металлов:

Для металла такие напряженности невозможны, т.к. нагревание столь велико, что металл испаряется, следовательно, для металлов закон Ома выполняется практически всегда.

Закон Ома нарушается, если характерное время процесса меньше или равно времени пробега.

Закон Ома не выполняется для нелинейных элементов (диод, триод и т.д.), для полупроводников и для контактов металл-полупроводник и полупроводник-полупроводник. Это хорошо, т.к. иначе не существовало бы электроники.

7.Закон Видемана – Франца

Отношение коэффициента теплопроводности к удельной проводимости пропорционально температуре.

Качественно этот закон легко объясним, т.к. за перенос тепла и за перенос заряда отвечают одни и те же частицы (электроны).

Теория Друде – Лоренца позволяет рассчитать коэффициент β, который более или менее удовлетворительно сходится с экспериментальным.

8.Недостатки теории Друде – Лоренца

Теплоемкость электронного газа . Теплоемкость кристаллической решетки – 3R, следовательно, теплоемкость кристалла должна быть – 4,5R. Закон Дюлонга и Пти утверждает, что теплоемкость кристалла –3R.

Не объясняется явление сверхпроводимости.

Вычисленное по экспериментальным данным время пробега оказывается слишком большим, т.е. при таком времени электрон мог бы проходить сотни постоянных решёток.

Данные недостатки объясняются тем, что электронный газ – газ квантовый и подчиняется не статистике Максвелла-Больцмана, а статистике Ферми – Дирака. Классическая теория Друде – Лоренца качественно хорошо объясняет известные закономерности, а количественные – удовлетворительно.

Источник

Что являлось предметом исследования в опытах рике

Кристаллы в природе

В 1912 году советские физики Л.И.Мандельштам и Н.Д.Папалекси на опыте по наблюдению инерционного движения заряжённых частиц в металлическом проводнике подтвердили, что в металле имеются такие частицы, которые слабо связаны с кристаллической решёткой.

В 1916 году американские физики Толмен и Стюарт, применив чувствительный гальванометр вместо телефона, показали, что частицы, образующие инерционный ток при торможении катушки, имеют отрицательный электрический заряд, а также вычислили удельный заряд этих частиц e/m. Они получили 4,8*1017ед., что оказалось близким к значению удельного заряда электрона, вычисленному в опытах по отклонению пучка электронов в электрических и магнитных полях. Таким образом, в работах Толмена и Стюарта электронная теория проводимости металлов получила строгое экспериментальное обоснование.

Молярная теплоёмкость металла, вычисленная на основе электронной теории, должна быть равна 37,5дж/(моль*град), а та же теплоёмкость, полученная экспериментально,- 25 дж/моль*град. Такой же результат можно получить и теоретически, если предположить, что электронный газ не обладает теплоёмкостью. Подобное предположение выглядит очень странным, так как согласно электронной теории температура металла определяется не только энергией колебания атомов в решётке. Но и энергией движения электронов.

В 1880 г. французские учёные-физики Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект заключается в следующем. Если из кристалла кварца (кварц-диэлектрик) вырезать определённым образом пластинку и поместить её между двумя электродами, то при сжатии кварцевой пластинки на электродах появятся равные по величине, но различные по знаку заряды.

Если изменить направление силы, действующей на пластинку (вместо того чтоб сдавить кварц его будут растягивать), то изменяются и знаки зарядов на электродах: на том электроде, где при сжатии возникал положительный заряд, при растяжении появится отрицательный. При этом, чем больше сила, сжимающая или растягивающая пластинку, тем больше и величина зарядов, возникающая на электродах.

В середине XIX в. были также обнаружены диэлектрики, которые подобно остаточной поляризацией. Такие диэлектрики по аналогии с термином «магнит» назвали электретами.

Объяснить этот обширный экспериментальный материал об электрических свойствах диэлектриков стало возможным тогда, когда появилась теория, объясняющая строение твёрдых тел, связи между их структурными частицами.

Есть такие твёрдые тела, у которых центры положительных и отрицательных зарядов отдельных атомов или молекул совпадают.

Если такие вещества поместить в электрическое поле, то возникает «электрическая деформация» структурных частиц, т.е. электрическое поле смещает электрические заряды, входящие в состав диэлектрика, от тех положений, которые они занимали в отсутствие поля. Так, например, если диэлектрик состоит из нейтральных атомов, то в присутствии поля их электронные оболочки смещаются относительно положительно заряжённых ядер. Если кристаллическая решётка твёрдого тела состоит из положительно и отрицательно заряжённых ионов, например, решетка NaCl, то в электрическом поле ионы равных знаков смещаются относительно друг друга. В результате упругого смещения каждой пары зарядов образуется система, обладающая некоторым дополнительным моментом p=ql, а весь диэлектрик поляризуется.

Поляризация диэлектрика численно характеризуется дипольным моментом единицы объёма Р, который равен произведению числа элементарных диполей N, содержащих в единице объёма вещества, на величину момента элементарного диполя.Что дипольный момент единицы объёма диэлектрика пропорционален напряжённости электрического поля внутри диэлектрика.

Помимо неполярных диэлектриков, существует большой класс диэлектриков, молекула которых и при отсутствии внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Постоянный дипольный момент могут иметь многие молекулы, у которых центры симметрии составляющих их положительных и отрицательных зарядов не совпадают друг с другом. Типичными представителями полярного твёрдого диэлектрика служат лед, твердая соляная кислота, органическое стекло и др.

При помещении полярного диэлектрика в электрическое поле происходит ориентация полярных молекул так, чтобы их оси совпадали с направлением линий напряжённости электрического поля. Однако тепловое движение частиц вещества препятствует такой ориентации. В результате действия поля и теплового движения устанавливается равновесное состояние, при котором полярные молекулы приобретают в среднем некоторую направленную ориентацию, а весь диэлектрик благодаря этому приобретает дипольный момент в направлении поля, т.е. поляризуется.

Рассмотренный вид поляризации называют ориентационной или дипольной. В этом виде поляризации, в отличие от поляризации смещения, существенную роль играет температура диэлектрика.

Источник

§ 3.2. Электронная проводимость металлов

Начнем с металлических проводников. Волът-амперная характеристика этих проводников нам известна (см. § 2.4), но пока не было дано ее объяснение с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

Свободные электроны в металлах

Ионы кристаллической решетки металла в твердом состоянии не принимают участия в создании тока. Их перемещение при прохождении тока означало бы перенос вещества вдоль проводника. Опыты же по пропусканию тока в течение многих месяцев показали, что ничего подобного не происходит.

Опыт Рикке (1901)

Э. Рикке составил цепь, в которую входили три прижатых друг к другу цилиндра, из которых два крайних были медные, а средний — алюминиевый (рис. 3.1). В течение года через эти цилиндры протекал ток порядка 0,1 А, так что общий заряд, прошедший через цилиндры, превысил 3, 5 • 10 6 Кл.

По окончании опыта цилиндры были разъединены, и обнаружились лишь следы взаимного проникновения, не превышающие результатов обычной диффузии атомов в твердых телах.

Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах

Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси в 1912 г. (результаты не были опубликованы), а также Т. Стюарта и Р. Толмена в 1916 г. Идея этих опытов такова. Если резко затормозить движущийся кусок металла, то находящиеся в нем свободные заряды, двигаясь по инерции, будут скапливаться у переднего его конца, и между концами проводника возникнет разность потенциалов.

Существование подобных электроинерционных эффектов и было установлено академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси с помощью следующего опыта. Катушка, соединенная с телефоном, приводилась в колебательное движение вокруг своей оси (рис. 3.2). Благодаря инерции свободных зарядов на концах катушки возникала переменная разность потенциалов, и телефон издавал звук. Однако это были лишь качественные опыты. Никакие измерения и количественные расчеты в этих опытах не были произведены.

Опыт с количественными результатами был осуществлен спустя четыре года Т. Стюартом и Р. Толменом.

В опыте Стюарта и Толмена катушка большого диаметра с намотанным на нее металлическим проводом приводилась в быстрое вращение и затем резко тормозилась (рис. 3,3). При торможении катушки свободные заряды в проводнике продолжали некоторое время двигаться по инерции. Вследствие движения зарядов относительно проводника в катушке возникал кратковременный электрический ток, который регистрировался гальванометром, присоединенным к концам проводника с помощью скользящих контактов. Направление тока свидетельствовало о том, что он обусловлен движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд прямо пропорционален отношению заряда q₀ частиц, создающих ток, к их массе m, т. е. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, удалось определить отношение Оно оказалось равным 1,8 • 10 11 Кл/кг. Это значение совпадает со значением отношения заряда к массе для электрона найденным ранее из других опытов.

Источник

Что являлось предметом исследования в опытах рике

Для того чтобы заниматься физикой, нужна большая фантазия. Это известная шутка, но мало кто догадывается, насколько это правда. Электродинамика сейчас стоит на трёх физических мифах, как плоская Земля стояла на трёх слонах в представлениях древних учёных.

Три мифа электродинамики придуманы для трёх основных величин электродинамики:

1. Электрического тока.

3. Магнитного поля проводника с током.

Достаточно просто можно показать, что существующие теоретические предположения не соответствуют экспериментальны данным.

Явным пробелом теории электродинамики в настоящее время является отсутствие физического механизма электрического тока, соответствующего реально наблюдаемому физическому явлению.

Критерием любого научного исследования должна быть научная честность. Даже самые дорогостоящие эксперименты и самая тяжёлая математика не могут приблизить к истине, если исследователи используют физический эксперимент исключительно для подтверждения своей правоты.

Результаты физических экспериментов, которые, как считается, открыли электрический ток, были с самого начала истолкованы односторонне. Эксперименты проводились с целью доказать, что ток в проводниках переносится свободными электронами. Других вариантов не рассматривалось. Механизм электрического тока представляется физикам потоком электронного газа в границах проводника, как воды в шланге.

Для доказательства этого предположения необходимо было определить знак и величину удельного заряда носителей (отношение заряда носителя к его массе). Идея подобных опытов заключалась в следующем: если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока; по направлению тока можно определить знак носителей тока, а, зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей.

Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой.

, (1)

которая для Т=К равна м/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока.

При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник, кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток. Средняя скорость упорядоченного движения электронов можно оценить согласно формуле для плотности тока.

, (2)

Выбрав максимальную допустимую плотность тока, например для медных проводов , получим, что при концентрации носителей тока средняя скорость упорядоченного движения электронов равна м/с. Следовательно, , т.е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обусловливающих электрический ток, значительно меньше скорости их теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость можно заменять скоростью теплового движения ». [3]

В результате опыта К. Рикке можно было сделать два предположения: что ток переносится электронами и стационарным электрическим полем проводника, но было сделано только одно.

Второй эксперимент, давший начало современному представлению об электрическом токе, был поставлен физически не корректно. При резком торможении катушки с проводом электроны действительно смещаются, и возникает ток, возбуждаемый силами инерции, но этот эксперимент не доказал, что носителями электрического тока являются именно электроны, ведь в этом эксперименте магнитное поле также было.

При выводе механизма электрического тока описании также не был учтён другой важнейший фактор – скорость электрического тока. Именно скорость не позволяет электронам быть носителем электрического тока. Внешнее электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света, и только оно может быть переносчиком электрического тока. Это очевидно, и в некоторых исследованиях это признаётся.

Почти полное уничтожение электрических эффектов и позволило физикам изучить релятивистские эффекты (т.е. магнетизм), и открыть правильные уравнения (с точностью до ), даже не зная, что в них происходит ». [1]

Это признание не только того, что физики не понимают природу физических процессов, ответственных за магнетизм, но и того, что их не интересует познание самих физических процессов.

Число (10.000.000.000.000.000.000.000.000) показывает несоответствие реальной и требуемой скорости электронов. Предполагать, что такое расхождение теории и эксперимента допустимо, могут только люди с очень большой фантазией.

Не корректное физическое определение постоянного электрического тока

Неправильные выводы из экспериментов по открытию электрического тока привели к физическому определению, которое ничего не определяет.

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов ». [3]

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоянного тока

,

Физическое определение определяет ток, как направленное движение электронов. Направленное движение в физике описывается векторами, а величина электрического тока определяется скалярной величиной. Это очевидное противоречие связано с непониманием природы электрического тока. Но и это ещё не всё.

Всем известно, что есть переменный электрический ток, но он существует без своего физического определения.

Если мы попытаемся применить единственное существующее физическое определение к переменному электрическому току, то увидим, что определения переменного тока нет.

Единственное существующее физическое определение электрического тока (определяющее его как направленное движение зарядов) в применении к цепям переменного тока даёт «ноль» при достаточно большом времени измерения, и случайный результат по величине и направлению при малом времени измерения.

Такой пробел в точной науке, которой должна быть физика, не допустим. Можно конечно, воспользоваться не совсем корректным методом определения электрического тока через его тепловое воздействие, но этот метод годится только для обмана студентов. Физического механизма электрического тока классическая электродинамика предложить не может, а квантовой теории электрического тока в ней нет.

Вторая основная величина электродинамики сила Ампера также не достаточно определена. В настоящее время закон Ампера не полный. В электродинамике есть три вида электрических цепей: полная цепь, участок цепи – источник тока, участок цепи – потребитель тока. Закон Ампера в настоящее время существует только для участка цепи – потребителя тока. Явной ошибкой электродинамики является то, что для полной цепи и участка цепи – источника тока закон Ампера не сформулирован.

Возможно, это происходит потому, что сила Ампера, действующая на проводник с током, при переходе проводника из участка цепи – источника тока на участок цепи – потребитель тока (например, при переходе генератора в режим двигателя), меняет знак, а формула закона Ампера смены знака не предусматривает. Физикам нечем объяснить этот феномен, поскольку (по правилу буравчика) при смене направления силы Ампера, направление электрического тока остаётся неизменным, направление собственного магнитного поля проводника тоже.

Магнитное поле проводника с током

Отсутствие правильного описания электрического тока в электродинамике приводит к противоречию двух законов, определяющих магнитное поле проводника с током: эмпирического правила буравчика и теоретического закона Био – Савара – Лапласа.

«Головка винта, ввинчиваемого по направлению электрического тока, вращается в направлении линий магнитной индукции».[3]

Для определения величины магнитного поля правила буравчика недостаточно, и здесь начинаются проблемы теории. Неправильное представление об электрическом токе не позволило физикам вывести корректную формулу для количественного определения магнитного поля проводника с током. При выводе основной формулы закона Био – Савара – Лапласа использовался метод подгонки теоретического результата под известный из эксперимента ответ с помощи большого количества эмпирических коэффициентов. Однако и это не позволило угадать направление магнитного поля.

Направление магнитного поля, получаемого из закона Био – Савара – Лапласа, не совпадает с направлением магнитного поля, получаемого из правила буравчика.

, (4)

Направление перпендикулярно и , т.е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной». [3]

Вспомним из векторной алгебры несколько условий векторного произведения векторов.

1. Вектор ортогонален векторам и .

2. Если и не коллинеарны, то векторы , и образуют правую тройку векторов.

В законе Био – Савара – Лапласа специально не называются физические величины, которые могли бы привести к вопросам, на которые у теории нет ответов.

1. Вместо электрического тока ввели вектор , “по модулю равного длине элемента проводника и совпадающего по направлению с током”.

Тройку векторов, получаемых из закона Био – Савара – Лапласа (рис. 2) можно сравнить с тройкой векторов , и , наблюдаемой в реальном физическом эксперименте (рис. 3).

Рис. 3. Тройка векторов, наблюдаемая в физическом эксперименте.

Если при чтении возникает проблема с открытием формул и рисунков, три мифа электродинамики опубликованиы на http://sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9500.html

ЛИТЕРАТУРА

1. Фейнмановские лекции по физике. М., Изд. Мир, 1976.

3. Трофимова Т. И. Курс Физики. «Высшая школа». М.,1997.

Источник