Электрическое сопротивление

(Акт второй с появлением призрака.)

10 лет тому назад я гнусно обманул читателей, интересующихся радиотехникой, опубликовав заметку с зазывным заголовком: «Сопротивление в миллион ом», а на самом деле, вовсе не ОБ ЭТОМ сопротивлении.
И, вот, перестрадав от угрызений совести десять лет, я решил всё же искупить вину и теперь эта заметка ДЕЙСТВИТЕЛЬНО для желающих понять, что такое электрическое сопротивление и чем оно вызвано. Правда,  здесь я тоже схитрил, и вместо официального и общепринятого объяснения, (которого не нашёл ни в одном справочнике, ВУЗовском учебнике или физической энциклопедии) предлагаю свою гипотезу.
Да падёт читательский гнев и возмущение на мою голову, которая всё же, надеюсь,  -- не самое слабое моё место...

Эта заметка является логическим продолжением гипотезы, посвящённой сверхпроводимости
(См. «Нуль-луч и сверхпроводимость»). В ней я уже провожу вполне определённо мысль, которую пытаюсь более детально высказать в этой заметке.)
 
Однн весьма конкретный пример и очень простой.
Почему тонкий провод обладает бОльшим электрическим сопротивлением, чем толстый из того же в точности материала? Электронам в нём, что, тесно, вот и сопротивляются передвижению?
Плотность электронов в металле примерно лесять в двадцать второй степени частиц в одном кубическом сантиметре.
Почему провода нагреваются электрическим током?
И, главное, что ЭТО такое? Электрическое сопротивление?

Объединились атомы металла в некую кристаллическую решётку. За счёт, скажем, обобщения их же электронов из наружних слоёв электронных оболочек. То есть возник некий конгломерат из упорядочно связанных друг с другом положительных ионов металла в узлах кристаллической решётки и множеством свободно двигающихся меж ними отрицательных электронов, уже общих, не связанных с тем или иным атомом. Но это не простая свалка, куча-мала, из ионов и электронов. Это некая регулярная структура, и обусловлена она как  раз тем, что ионы и электронный газ (или жидкость) взаимодействуют друг с другом.
Ключевое слово «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ».
Но это слишком общо. По-конкретней надо бы.
Допустим, что из-за разных электрических зарядов ионы притягиваются к электронам, а те притягиваются к ионам.  Сразу возникла некая аналогия в умах физиков: де, электроны как бы «цементируют» металл, его кирпичики -- ионы. То есть, ежели мы каким-нибудь чудесным образом удалим из металла все электроны, он рассыплется на некую атомную кашицу. Только благодаря связующему действию электронного газа металлы и сохраняют свой «приличный» вид. Но мы только что сказали , что это ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ.  Значит взаимодействие ионов и электронного газа  – это чисто электрическое притяжение? А ЧТО держит одинаково заряженые положительные ионы в связи с другими? Ведь они должны отталкиваться друг от друга! Очевидно есть ещё какие-то силы в кристаллах, которые не дают разлететься ионам. Если это только электронный га, то как существуют кристаллы диэлектриков, в которых никакого свободного электронного газа нет вообще! Алмаз, например. Очень прочные кристаллы, но далеко не все разновидности алмаза электропроводны!
Придумали физики и на этот случай решение: Обменные силы!
Что за обменные и чем они обмениваются? Снова электронами, но уже вроде бы связанными, виртуальными. Прыгает электрон со своей родной орбитали на соседнюю, а там ему: «Пшёл вон! Не знаешь, что ли правил запрета?» В ужасе прыгает этот безграмотный обратно к себе, а тут к нему вдруг гость из соседнего атома пожаловал!  И теперь наш невежда говорит наглецу соседу: «Вон отсюда!» Так вот и держатся атомы или ионы рядышком из-за нахальных и плохо воспитанных электронов, Но, снова напоминаю, уже не НЕсвободных. А связанных с атомами.  И стоят эти ионы в узлах и тихонько колеблются около положения равновесия. Почему колеблются?
Согласно царствующей уже лет сто пятьдесят Молекулярно-Кинетической Теории, теплота – это и есть кинетическое движение частиц вещества –  молекул, атомов, электронов...А температура вещества – это как раз и степень их подвижности, попросту говоря их кинетическая жнергия, скорость. Чем быстрее движутся, тем выше температура, чем медленней – тем ниже. Значит при температуре «Абсолютного нуля»   « - 273 градуса» по Цельсию никакого движение не будет? Застынут атомы и всё прочее?
Нет, оказывается даже при этом «Абсолютном» некоторое, хоть и очень слабенькое, движение остаётся, так называемые «нулевые колебания».
Итак, стоит кристаллическая решётка и в узлах её «дрожа» («дрожь» эта весьма высокой частоты, кстати, может быть, триллион раз в секунду или даже выше) расположились ионы, а в пространстве между ними хаотически летают электроны. Но снова, в чём заключается это пресловутое «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ»?
Зарядовое: Как оно проявляется, если электроны притягиваются всем коллективом ионов, потому и могут двигаться внутри проводника свободно. Иначе бы связывались с ионами или атомами и всё, никакого свободного электронного газа. Значит НИЧТО не мешает этим электронам путешествовать из конца в конец в пределах данного куска металла, допустим, для удобства куска провода. Так ЧТО МЕШАЕТ им передвигаться тогда, когда мы подаём на концы провода какое-то напряжение? И тогда они, свободные электроны, начинают все как один дрейфовать медленно от минуса к плюсу, продолжая беспорядочно летать во всевозможных направлениях. Причём скорость их дрейфа, то есть тока, то есть упорядоченного и направленного движения, вообще несравнима со скоростями их хаотического движения. В хаосе они летают со скоростями 600 -2000 км/сек, а при самом сильном токе, еле ползут со скоростью доли миллиметра в секунду. Но при этом есть сопротивление, есть некое взаимодействие, есть выделение тепла!!! Кроме того, только что мы установили, что не электрические заряды электронов обуславливают их «взаимодействие» с решёткой, ибо они без тока свободно шастают по всему куску проводника без малейших проблем и усилий. А если они «Цемент», а цемент – это снова «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ», то, когда при низких температурах наступает состояние сверхпроводимости, и это означает, что «взаимодействия» электронов (Куперовских пар) с решёткой нет, то почему без этого цемента она не рассыпается???

Чем, всё же, отличается состояние с током от состояния без тока? Электрический ток проявляет себя в нескольких «феноменах»:
Появляется магнитное поле.
Появляется нагрев проводника.
Появляются химические реакции, если ток идёт через водные и другие растворы и расплавы.
Мы сейчас говорим только о твёрдых металлах, так что химию оставим. 
Нагрев – это явно вызвано неким взаимодействием решётки и тока свободных электронов, Магнитное поле – только самим движением. Стоп!
Как же так, ведь мы всё время говорили о хаотическом движении электронов и с огромными скоростями. А тут слабенький еле заметный дрейф … И сразу магнитное поле возникает? Магнитное поле, конечно же, возникает при любом движении электронов и зависит оно от скорости, так что у каждого электрона конечно же возникало в движении его магнитное поле, но все эти бесчисленные поля были хаотически ориентированы и потому весьма трудно обнаруживаемы. Общее магнитное поле было нуль. Взаимокомпенсация. Но стоило электронам начать всем сразу ползти в одном направлении, сразу возникло и упорядоченное магнитное поле, которое можно зарегистрировать приборами.
И тогда невольно возникает вопрос: А не магнитное ли поле связано с электрическим сопротивление проводника току и, соответственно, с нагревом? Но КАК это поле может породить то «загадочное взаимодействие», о котором мы столь долго рассуждаем и ни к чему не пришли?
ПОКА!
А допустим, что возникшее магнитное поле как-то сориентировало ионы (у которых есть свои магнитные поля) и они МАГНИТНО начали «зацеплять» движущиеся электроны, мешая их свободному дрейфу и только дрейфу, вдоль оси провода? Чем тоньше проводник, тем концентрация силовых линий этого магнитного поля больше внутри самого провода. Чем толще провод, тем более «расплывается» магнитное поле тока по сечению проводника. А чем сильнее, сконцентрированней магнитное поле тока, тем сильней сцепления магнитных полей ионов и электронов! Проползающие мимо ионов электроны своими магинитными полями «сцепляются» с ионными, и «дёргают» их, вызывая усиление их колебаний в узлах решётки. А колебания, чем они больше по амплитуде и частоте  – есть ничто иное как возрастание тепловой энергии, рост температуры.! Вот и получили мы картину нагрева проводника за счёт магнитного взаимодействия дрейфующих электронов с ионами кристаллической решётки.

Интересны два известных экспериментальных факта:
Первый: Есть так называемый «Магнитокалорический эффект» То есть НАГРЕВАНИЕ магнитного вещества при намагничивании и его охлаждение при размагничивании. Похоже на только что описанное?
Второй: При сверхпроводимости (то есть состоянии НЕвзаимодействия электронных пар с решёткой) магнитное поле как бы ВЫТАЛКИВАЕТСЯ из тела сверхпроводника! Не есть ли это ещё один многозначительный намёк на то, что наша догадка верна, или, по крайней мере, весьма близка к истине???

Итак, именно возникновение упорядоченного магнитного поля при прохождении тока по проводнику, порождает ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ионов решётки и дрейфующих электронов, которое и проявляет себя в виде электрического сопротивления и, соответственно, нагрева проводника с током.

«Но в ту же ночь, только осталась одна,
 К ней призрак явился и грозно сказал:
Получишь смертельный удар ты
От третьего, кто пылко страстно любя,
Придёт, чтобы силой узнать от тебя.
Три карты, три карты,  три карты...»
(Ария Томского из оперы «Пиковая дама» П.И.Чайковского)

Вот и ко мне той же ночью явился призрак и сказал, а, точнее, указал на проволочную петлю-удавку, которую держал в руке:
«А, что ты скажешь, Эспри, вот на это? Да, Эспри, это – БИФИЛЯРНАЯ обмотка!
Это же разносит твою идею о магнитном поле в пух и прах!
Если бы ты был прав в своей гипотезе, то эта бифилярная обмотка должна быть СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ! А она – обычная!»
Поясняю для неспециалистов, что такое «Бифилярная»,
Возьмите кусок провода, перегните его точно в середине пополам и сделайте из этого провода двойной, где оба провода находятся в непосредственной близости друг к другу.  Если этот двойной провод намотать на катушку то получится катушка с бифилярной обмоткой.
Для чего она хороша?
Напомню из школьных начал темы «Электричество и магнетизм». Два провода, по которым текут параллельные токи, (то есть токи в одном направлении, притягиваются друг к другу и их совместное поле усиливается. Два провода, по которым текут антипараллельные (разнонаправленные) токи отталкиваются друг от друга и их магнитные поля как бы аннулируют друг друга. Если пустить ток по такой «бифилярной» обмотке, то токи в близко расположенных параллельных проводах текут в разных направлениях и тем самым компенсируют магнитные поля друг друга.
Вот ЧТО имел в виду призрак.

Но тут есть зацепка. Как бы близко не располагались проводники с антипараллельными токами, их магнитные поля НЕ скомпенсируют ПОЛНОСТЬЮ друг друга ВНУТРИ каждого из проводов, а лишь частично. Значит мы пришли невольно (по подсказке призрака) к идее экспериментальной проверки гипотезы: Если измерить очень точно некое сопротивление провода в не сложенном бифилярно состоянии, а потом, сложив, снова измерить, то бифилярное сопротивление должно быть чуть меньше, чем того же провода в несложенном состоянии. (По другой идее, из-за сгиба и тем самым искривления кристаллической решётки металла провода, должно быть наоборот: В сложенном бифилярном положении сопротивление из-за сгиба должно увеличится!)
Итак, призрак исчез и я проснулся, чуть более успокоенный.

27 XI 2019

P.S. Цитата из статьи в ФЭСе (Физическом Энциклопедическом Словаре). Т. 5, стр. 449-450.
Электрическое сопротивление.
«В случае металлов (наиболее важном для практики) электрическое сопротивление связано с тем, что кристаллическая решётка металлов искажена тепловыми колебаниями и структурными неоднородностями (примесные атомы, структурные дефекты решётки), на которых происходит рассеяние электронов.»

Мои замечания.

Первое: «Рассеяние» бывает разным, например абсолютно упругое рассеяние, когда частицы не теряют своей кинетической энергии. Обычно это происходит, когда лёгкая быстродвижущаяся частица «рассеивается» на гораздо более массивной (электроны в тысячи и десятки тысяч раз легче, чем ионы кристаллической решётки), да ещё и сами ионы тоже связаны силами взаимного сцепления в решётку, так что масса каждого (так называемая «приведённая масса») может считаться бесконечной по сравнению с массой «рассеиваемого» отдельного  электрона.

Второе:  Если тепловые колебания «искажают» решётку, то почему она в достаточно короткий срок не рассыпается в атомную кашицу? Ведь любое «искажение»  – это нарушение конструкции решётки. И по закону возрастания энтропии (Второе Начало Термодинамики), то есть беспорядка, в замкнутой системе, эта система из аккуратно-кристаллической должна рассыпаться в хаос!

Третье: Почему далеко не все металлы становятся сверхпроводящими при низких температурах?
Ведь у всех у них должны прекращаться эти самые искажения решётки тепловыми колебаниями и ВСЕ, как один, обязаны становиться сверхпроводниками?

Четвёртое: Почему при состоянии сверхпроводимости металлы, загрязнённые упомянутыми примесями и НЕтепловыми дефектами решётки, вдруг полностью перестают «рассеивать» электроны и сопротивление падает до нуля?

Пятое: Что значит термин «рассеивание электронов»? Скорости их хаотического движения, не зависящие от температуры до 10.000 градусов, имеют порядок 600-2000 км/сек. А скорость их дрейфа под действием приложенного электрического поля, то есть ток, составляет тысячные, сотые и десятые доли миллиметра  в секунду. Значит такое «ползание» почему-то «рассеивается», и вызывает сильный нагрев, а быстрое движение с упомянутыми скоростями не вызывает «рассеяния» на тепловых искажениях решётки и на её дефектах???
Слишком много неясностей, остающихся без внятного и логически связанного ответа.