Przepływ prądu elektrycznego również budzi wiele emocji. Wydawałoby się, że efekty, z których każdy z nas korzysta na co dzień nie staną się areną sztuczek „alternatywnych fizyk” (bo zaczyna być ich coraz więcej!), a jednak „obalacze” znaleźli sobie również tutaj pole do głoszenia fantastycznych (choć cząstkowych) hipotez.
Prąd elektryczny to chyba drugi cel na liście "obalaczy" po teoriach Einsteina - choć oczywiście nie tak nośny "medialnie",
Właśnie na tą „cząstkowość” podejścia "obalaczy" warto zwrócić uwagę, ponieważ przepływ prądu elektrycznego to zjawisko powiązane z szeregiem innych efektów – choćby nagrzewaniem się przewodnika (choć w niektórych przypadkach także jego ochładzaniem), występowaniem oporu elektrycznego, a znów określonych warunkach z jego zanikiem (nadprzewodnictwo). A jeśli zaczniemy rozpatrywać przepływ prądu zmiennego (zwłaszcza o większej częstotliwości) to sprawa się jeszcze bardziej skomplikuje.
Osobiście uważam, że szkolne (a nawet politechniczne) kursy fizyki wprowadzają więcej zamieszania niż zrozumienia. Większość nawet wykształconych ludzi wyobraża sobie, że przepływ prądu przez przewodnik metaliczny to „uporządkowany ruch swobodnych elektronów” od minusa do plusa, które poruszają się jak dobrze zdyscyplinowane wojsko. Jest to efekt „pokawałkowania” kursów fizyki i nie brania pod uwagę efektów termodynamicznych. A tymczasem nawet w temperaturze pokojowej elektrony poruszają się z bardzo dużymi prędkościami – rzędu milionów metrów na sekundę. Dość łatwo tą prędkość oszacować – w sieci można znaleźć wiele szczegółowych obliczeń.
A więc elektrony swobodne w metalu rzeczywiście zachowują się jak gaz zamknięty w naczyniu – stąd zresztą nazwa „gaz elektronów swobodnych”. Nie opuszczają metalu, ponieważ ich energia jest jednak zbyt mała. Możemy jednak tą energię zwiększyć – np. podgrzewając metal i zaobserwujemy efekt termoemisji elektronowej (jest on podstawą działania lamp elektronowych z kineskopem włącznie) lub oświetlając metal światłem o wystarczającej energii (efekt fotoelektryczny).
Jeśli na końcach przewodnika pojawi się różnica potencjału na nośniki prądu (elektrony) zacznie działać siła. Problem w tym, że ruch ten jest bardzo powolny i nakłada się na szybki ruch cieplny, o którym napisałem powyżej. A jak powolny też łatwo obliczyć. Dla typowych przypadków jest to kilka milimetrów na sekundę! Ruch elektronów w metalu można więc porównać do chaotycznie biegającego się tam i sam, ale jednak przesuwającego się (w przypadku prądu stałego) w jednym kierunku. Nie można jednak wyobrażać sobie, że pojedynczy, wybrany elektron przesunie się w końcu „od minusa do plusa” (elektrony poza tym są nierozróżnialne). W przypadku „przepływu” prądu zmiennego jest jeszcze „gorzej” bo średnia prędkość nośników dalej jest równa zero, nośniki wykonują jedynie kolektywnie drgania o bardzo niewielkiej amplitudzie.
Dużo złego narobiło stosowane przez niektórych dydaktyków porównanie przepływu prądu do przepływu wody. Nie jest ono bezsensowne, ale trzeba bardzo uważać, bo przepływ prądu elektrycznego nie jest pojęciem tożsamym z „przepływem” jego nośników – a tak jest w przypadku laminarnego przepływu wody. Nieprzygotowana wyobraźnia po prostu nas w tym przypadku zawodzi, a analogie mogą okazać się bardzo mylące.
Przepływ prądu można uważać za tożsamy z przepływem elektronów chyba jedynie w lampie kineskopowej, w której elektrony po opuszczeniu „działa elektronowego” (a dokładniej cylindra Wehnelta) tworzą rzeczywiście wiązkę, czyli coś podobnego do strumieni wody wypływającej z prądownicy węża wodnego. Poruszają się one jednak w tym przypadku w wysokiej próżni i nie oddziaływują w praktyce z innymi cząstkami.
Pisałem już w innym miejscu o tym, że model przewodnictwa fizycy tworzyli etapami. Zaczęło się od modelu Drudego, potem wprowadzono rozkład Fermiego-Diraca, a następnie wpływ istnienia potencjału periodycznego sieci krystalicznej (model Kroniga-Penneya), funkcje Blocha itp. Obliczenia stawały się coraz bardziej złożone, wprowadzono więc pojęcie quasiczątek oraz masy efektywnej. „Pojawiła” się też dziura, która tak boli „obalaczy”. W przecież prościej jest obliczać ruch jednej quasicząstki niż ogromnej liczby elektronów z uwzględnieniem ich oddziaływania z siecią krystaliczną itp. Model quasicząstek jest po prostu wygodny. To właśnie dla tej wygody wprowadzono również inne quasicząstki – fonony, którymi posługujemy się do opisu drgań sieci krystalicznej i zjawiska oporu elektrycznego, ale to już temat na inne opowiadanie, które postaram się w najbliższym czasie przygotować.
Ale nawet i potem pozostanie jeszcze sporo spraw – pasma energetyczne, efekty Seebecka, Halla, linie długie, falowody (i fascynująca graniczna „linia Goubau”), linie przesyłowe prądu zmiennego i stałego (tak, są takie stosowane także w Polsce!) no i prądy w plaźmie (tokamaki i synteza jądrowa). W dodatku jeszcze to wszystko działa w praktyce!
„Obalacze” po prostu nie zdają sobie sprawy, jak złożony jest to gmach i jak wiele różnych obszarów obejmują równania Maxwella.
Nazywam się Tomasz Barbaszewski. Na Świat przyszedłem 77 lat temu wraz z nadejściem wiosny - była to wtedy niedziela. Potem było 25 lat z fizyką (doktorat z teoretycznej), a później drugie tyle z Xeniksem, Uniksem i Linuksem. Dziś jestem emerytem oraz bardzo dużym wdowcem! Nigdy nie korzystałem z MS Windows (tylko popróbowałem) - poważnie!
Poza tym - czwórka dzieci, już szóstka! wnucząt, dwa koty (schroniskowe dachowce), mnóstwo wspaniałych wspomnień i dużo czasu na czytanie i myślenie.
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Technologie
