Elektryczność - zwykła i "alternatywna"

Nie wiem, czy „Salon” do dobra platforma do prowadzenia popularnego kursu fizyki, ale skoro prezentowany jest na nim kurs „alternatywnej fizyki” - nadzwyczaj płodny Autor doszedł już do 8 części poświęconej prądowi elektrycznemu to chyba warto, aby osoby, które nie mają bliższego kontaktu z fizyką (określaną pogardliwie przez Autora jako „oficjalną”) poznały choćby z grubsza ustalenia kilku pokoleń badaczy.

Pisałem kiedyś, że fizyka wymaga wyobraźni. Szczerze ubawiło mnie takie zdanie z ósmego odcinka tego kursu:

Przewodnik – metal o strukturze krystalicznej. W węzłach siatki – atomy, a reszta przestrzeni pusta. Gdyby było tak, że w tej pustej przestrzeni poruszałyby się swobodne elektrony, to nie byłoby żadnych przeszkód, żeby te elektrony wylatywały przez kanały siatki, czyli przez boczne ścianki przewodnika.

Cudne. I w końcu by wyleciały wszystkie! Przecież każdy zrozumie, że wtedy przewodnik byłby dodatni i ściągnąłby sobie te elektrony z powrotem. Ale taka prosta prawda nie zostaje zauważona, bo przeszkadzałaby „fizyce alternatywnej”. Wyobraźnia Autora aż tak daleko nie sięga – on widzi siateczkę maleńkich atomów umieszczonych w pustej przestrzeni – dziwne, bo Autor jest chemikiem. To jak wobec tego ten metal trzyma się się kupy? Metale bywają dość mocne – czyżby „alternatywna chemia” i „nowe poglądy” na temat wiązania metalicznego?

Po tak „błyskotliwym” zdyskredytowaniu poglądów „oficjalnej fizyki” Autor przystępuje do prezentacji swego ulubionego „elektrina”, które według niego jest esencją wszelkich zjawisk elektrycznych. Cała nauka o elektryczności według Autora to bzdura, a wszystkie elektrownie, radio, TV, komputery itp. działają po prostu przypadkiem! Dopiero „elektrino” wyjaśnia dlaczego urządzenia elektryczne mogą działać!

Problem w tym, że Świat jest bardziej skomplikowany niż różnym „specom” od „alternatywnej fizyki” się wydaje. Prąd elektryczny i związane z nim zjawiska są dość złożone i subtelne, lecz przecież to właśnie ich wykorzystanie zmieniło w dużym stopniu naszą rzeczywistość i (o ironio) umożliwiło Autorowi swobodne publikowanie swoich poglądów.

W oficjalnym kursie szkolnej fizyki dydaktycy mówią o tym, że prąd elektryczny polega na ruchu ładunków, a w metalu mamy do czynienia z przepływem tak zwanych elektronów swobodnych. Dzieci wychodzą więc ze szkoły z obrazem elektronów-kuleczek, które w metalu lecą sobie od „minusa” do „plusa”. A tymczasem:

Już fizyka szkolna pozwala na obliczenie średniej prędkości takich „elektronów-kuleczek”, która zapewni przepływ prądu o rozsądnym natężeniu. W sieci jest wiele rozwiązań tego zadania – nie będę więc Czytelników męczył jego rozwiązywaniem – podam tylko wynik – prędkość ta jest rzędu ułamka milimetra na sekundę! Jak długo „elektron-kuleczka” podróżowałby więc do naszej żarówki, jeśli jego średnia prędkość (zwana prędkością dryfu lub unoszenia) jest rzędu 1m na godzinę? A co z prądem zmiennym, którego kierunek zmienia się w naszej żarówce 50 razy na sekundę? Jak daleko zdoła się „elektron-kuleczka” nim zmieni swój kierunek ruchu?

Niestety, w wielu szkołach o tym cisza (zadanie, o którym piszę powyżej uznano w sieci jako „trudne”), a uczniów wytresowano, aby nie zadawali żadnych pytań, tylko przygotowali się do rozwiązania różnych testów. Trudno więc dziwić się zwolennikom „alternatywnej fizyki”, że mają problemy z wyobraźnią.

Niestety jest jeszcze gorzej. Jeśli dokładniej przyjrzymy się przemyśleniom wielu obdarzonych wyobraźnią fizyków, a w szczególności modelowi Drudego-Sommerfelda okaże się, że elektrony poruszają się w metalu bardzo szybko – z prędkościami rzędu milionów metrów na sekundę. Lecz jest to ruch chaotyczny i jeśli na końcach przewodnika metalicznego nie ma różnicy potencjałów to ich średnia prędkość wynosi zero! Latają więc wewnątrz metalu jak oszalałe „tam i sam” - ale nie wylatują na zewnątrz, ponieważ bo mają jeszcze zbyt małą energię, nawet jeśli kilku się to przypadkiem uda, to metal uzyska ładunek dodatni i ściągnie je z powrotem.

Jeśli jednak pojawi się różnica potencjałów to elektrony zaczynają powoli dryfować i ten bezwładnie poruszający się „tam i sam” tłum zaczyna „napierać” w jednym kierunku. Tak (mniej więcej) „oficjalna fizyka” wyobraża sobie przepływ prądu elektrycznego, a technika i technologia, z których na co dzień korzystamy potwierdzają jej ustalenia.