Как найти напряжение квантовая физика

Напряжение в квантовой физике

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 5.2.1.

В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение , полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны . При неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока от приложенного напряжения. На рис. 5.2.2 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.

Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. Тщательные измерения показали, что ток насыщения прямо пропорционален интенсивности падающего света. Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает . Если напряжение на аноде меньше, чем –, фототок прекращается. Измеряя , можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

К удивлению ученых, величина оказалась независящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты света (рис. 5.2.3).

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности.

Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта , т. е. наименьшая частота , при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за , прямо пропорционально интенсивности света.

Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света .

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям при взаимодействии с электромагнитной световой волной электрон должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели также было невозможно понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.

Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.

Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой , где – постоянная Планка. Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что свет имеет прерывистую (дискретную) структуру . Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов , впоследствии названных фотонами . При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода , зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта .

С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Общее число фотоэлектронов, покидающих за поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала от частоты (рис. 5.2.3), равен отношению постоянной Планка к заряду электрона :

Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены в 1914 г. Р. Милликеном и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу выхода :

где – скорость света, – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода составляет несколько электрон-вольт (). В квантовой физике электрон-вольт часто используется в качестве энергетической единицы измерения. Значение постоянной Планка, выраженное в электрон–вольтах в секунду, равно

Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные элементы. Например, у натрия , что соответствует красной границе фотоэффекта . Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах , предназначенных для регистрации видимого света.

Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов .

Фотон движется в вакууме со скоростью . Фотон не имеет массы, . Из общего соотношения специальной теории относительности, связывающего энергию, импульс и массу любой частицы,

следует, что фотон обладает импульсом

Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах – корпускулах.

Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма . Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком, и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.

Источник

Квантовая физика — основные понятия, формулы и определения с примерами

Квантовая физика:

Причиной возникновения квантовой физики является то, что в начале XX века в физике возник кризис — появились проблемы. Существующие классические теории, в том числе теория Максвелла, уже не могли решать научные проблемы физики.

Одна из них — это тепловое излучение. Тела, излучающее тепло, должны отдавать свое тепло окружающим телам и среде и прийти к термодинамическому равновесию, т.е. равенству температур. Это является основным принципом термодинамики. Однако при излучении, например Солнца, с температурой 6000 К, не происходит такого явления. Также энергия излучения одинакова во всех длинах волн и подчиняется закону распределения, независимого от конкретной температуры. Это означает, что доля энергии излучения, соответствующая каждой длине волны, оказывается разной. В этой зависимости основная максимальная энергия излучения зависит от температуры и изменяется по закону смещения Вина:

Здесь:

Закон смещения Вина утверждает, что длина волны , на которую приходится максимум энергии, обратно пропорциональна абсолютной температуре Т излучающего тела:
Например, максимальная энергия излучения Солнца приходится на зеленый свет = 470 нм). Это по закону Вина соответствует Т= 6300 К. Энергетическое распределение этого излучения разработал Релей-Жинс на основе закона классической статистической механики, согласно закону термодинамики — равномерного распределения по степени свободы энергии молекул. Он объяснял распределение существующее только на длинных волнах, а для коротких волн это объяснение противоречило результатам эксперимента.

Еще одна из научных проблем, возникших к началу XX века, — это объяснение линейности спектров излучения газов и паров металла. Открытие явления фотоэффекта, наличия давления света, рассеяния световых лучей на электронах и другие научные проблемы, которые классическая физика, в частности электромагнитная теория Максвелла, также не смогла объяснить.

Для решения этих проблем немецкий ученый М. Планк выдвинул новую противоречивую классической физике идею. Он представил себе, что излучения и поглощения нагретого тела не происходят непрерывно, а происходят отдельными порциями (квантами). Квант — это минимальная порция энергии поглощения или излучения телом.

Согласно теории Планка, энергия кванта прямо пропорциональна частоте света:

здесь: h — постоянная Планка, Планк объяснил, что излучение и поглощение света происходит прерывно, создал закон распределения энергии излучения по длине волны, который и решил накопившиеся научные проблемы.

Он также объяснил (на примере Солнца) условия существования излучающих тел и необязательность термодинамического равновесия.

Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект (сокращенно — фотоэффект) был открыт в 1887 году Г. Герцом и экспериментально изучен русским ученым А. Столетовым (независимо от Ф. Ленарда).

Внешний фотоэффект — это выход электронов из вещества под воздействием света.

Схема экспериментальной установки, используемой для изучения явления фотоэффекта, приводится на рис. 6.1.

Основа устройства состоит из стеклянного баллона с «окошком», изготовленного из кварца, имеющего два электрода: анод и катод. Внутри стеклянного баллона создастся вакуум, так как в вакууме электроны и другие частицы могут совершать прямолинейные движения.

Чтобы подавать напряжение (от 0 до U) электродам через потенциометр, источник тока соединен через удвоенный ключ К. Удвоенный ключ дает возможность изменять полюс источника тока и замыкать цепь.

Один из электродов — катод (в основном, катод из цезия) через кварцевое «окно» освещается монохроматическими волнами. При постоянной длине волны и постоянном световом потоке измеряется зависимость силы фототока от напряжения, приложенного к аноду.

На рис. 6.2 приводится типичный график зависимости силы фототока от напряжения. График 2 соответствует большему световому потоку, чем график 1. Здесь: — ток насыщения, — задерживающее напряжение, т.е. при подаче такого отрицательного напряжения фотоэлектроны с начальными скоростями не доходят до анода.

Из графика на рис. 6.2 видно, что при больших положительных значениях напряжения сила тока достигает насыщения. Т.е. все электроны, которые покидают катод, доходят до анода. Когда напряжение доходит до значения , фототок равняется нулю. Измеряя для данного катода значение задерживающего напряжения, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

Ф. Ленард на своих опытах показал, что задерживающий потенциал не зависит от интенсивности (светового потока) падающей волны, а линейно зависит от частоты падающего света (рис. 6.3).

На основе опытов открыли законы фотоэффекта:

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от светового потока (интенсивности) и линейно зависит от частоты v падающего света (с увеличением v линейно увеличится ).
2. Для каждого вещества существует минимальная частота , при которой происходит фотоэффект. Это называется красной границей фотоэффекта.
3. Количество фотоэлектронов, вылетающих из катода за единицу времени, прямо пропорционально падающему на катод световому потоку (интенсивности) и не зависит от частоты.

Явление фотоэффекта — это явление без инерции, в момент приостановки светового потока тут же исчезает фототок, с поступлением света фототок появляется.

Теория фотоэффекта

Теория фотоэффекта обоснована в 1905 году А. Эйнштейном. Он, пользуясь гипотезами М. Планка, пришел к выводу, что электромагнитные волны тоже состоят из отдельных порций -квантов. Они позже начали называться фотонами.

По идее Эйнштейна, при взаимодействии фотона с веществом он свою энергию полностью отдает электрону. По закону сохранения энергии, часть этой энергии расходуется на выход электрона из вещества и остальная часть превращается в кинетическую энергию электрона:

Это называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

Здесь А — выполненная работа для выхода электрона из вещества. Если учесть, что максимальная кинетическая энергия электрона равна
уравнение Эйнштейна для фотоэффекта можно записать в следующем виде:

Данное уравнение для фотоэффекта выражает закон сохранения энергии для явления фотоэффекта. Этот закон объясняет факты, касающиеся фотоэффекта:

1. максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты и не зависит от интенсивности (светового потока) падающего луча;
2. существование красной границы фотоэффекта, т.е.
3. фотоэффект происходит без инерции. По уравнению Эйнштейна, количество фотоэлектронов, вылетающих из катода за 1 с, пропорционально количеству фотонов, падающих на эту площадь.

На основании уравнения Эйнштейна следует, что tga угла наклона графика зависимости задерживающего потенциала от частоты равен отношению постоянной Планка на заряд электрона (рис 6.3), т.е.

Это отношение даст возможность определять постоянную Планка экспериментальным путем. Такой эксперимент проведен в 1914 году Р. Милликеном, который определил постоянную Планка. Этот эксперимент позволил найти работу выхода фотоэлектрона:

Здесь: с — скорость света, — длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта.

Для катодов работа выхода измеряется в электрон-вольтах (эВ) Поэтому используется значение постоянной Планка, выраженное в эВ:

Среди щелочных металлов Na, К, Cs, Rb имеют малую работу выхода. Поэтому на практике для покрытия поверхности катода используются оксиды этих металлов и другие соединения. Например: работа выхода катода цезиевым оксидом А = 1,2 эВ, красная граница фотоэффекта, соответствующая этому Это широко используется для регистрации желтого — видимого света.

Внутренний фотоэффект

При облучении полупроводников световым излучением слабо связанные электроны поглощают фотоны и превращаются в свободные электроны. При этом в полупроводниках увеличивается концентрация свободных носителей заряда и электропроводимость полупроводника.

Появление свободных носителей заряда в полупроводниках в результате воздействия излучения называется внутренним фотоэффектом.

Созданная дополнительная электрическая проводимость в полупроводниках в результате воздействия излучения называется фотопроводимостью. Это применяется при производстве фотосопротивления. Фотосопротивление — это сопротивление, которое изменяется под воздействием света. В радиотехнике его называют фоторезистором.

Фотоны

По квантовой теории света, при поглощении и излучении светового излучения веществом свет проявляет себя как поток частиц. Эта частица света называется фотоном, или световым квантом. Энергия фотона равна: Фотон движется в вакууме со скоростью света с. Фотон не обладает массой покоя, т.е.

Используя формулу из теории относительности можно определить массу фотона при движении:

В большинстве случаев энергия фотона выражается не через

частоту, а через циклическую частоту: При этом используют

выражение: читается как «аш с черточкой». Значение

Рассмотрение света как потока частиц — фотонов считается корпускулярной теорией и это нельзя назвать как возврат в механику Ньютона. Ее законы движения подчиняются законам квантовой механики.

К началу XX века стало известно, что природа света имеет две природы. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), при взаимодействии с веществами проявляются его корпускулярные свойства (частицы) (фотоэффект, давление света и т.д.).

Эти свойства стали называть корпускулярно-волновым дуализмом. Позже науке стало известно, что потоки электронов, протонов, нейтронов тоже имеют волновые свойства.

На этой основе получили объяснение процессы излучения и поглощения света веществом, линейных спектров, явления фотоэффекта, давления света и другие.

Импульс фотона и давление света

Из-за того что фотон всегда находится в движении, он имеет импульс:Если учесть вышеприведенное выражение, то импульс фотона равняется

Учитывая формулу энергию и импульс фотона выражаем через

длину волны:

Если на поверхность тела попадает поток фотонов, тогда эти фотоны передают ей импульс и образуется давление света.

Согласно электромагнитной теории Максвелла, когда свет падает на какую-либо поверхность, на нее действует давление. Однако это давление имеет очень маленькое значение. По расчетам Максвелла, солнечный свет, падающий на Землю, создает силу давления 0,48 мкН на абсолютно черной части площадью 1 . Регистрировать такую маленькую силу на открытом земном участке очень сложно.

Первый раз давление света экспериментально измерил русский ученый П.Н. Лебедев в 1900 году. Для этого он изготовил очень легкое устройство. Одну или несколько пар легких крылышек, одно блестящее, а другое затемненное, прикрепили к веревке. Опыт показывает, что блестящее хорошо отражает свет, а затемненное хорошо поглощает.

Систему поместили в сосуд, из которого выкачали воздух. Она представляла собой чувствительные крутильные весы. Поворот системы наблюдается через зеркало и трубку, прикрепленную к веревке. По углу поворота системы определяется сила давления света, действующая на систему.

Результаты Лебедева подтвердили электромагнитную теорию Максвелла. Измеренное давление света имело разницу на 20% от теоретически вычисленного значения давления света. Позже, в 1923 году, в проведенных опытах Герлаха полученный результат по давлению света от теоретических вычислений отличался на 2%.

Формулу давления, оказывающего на поверхность потоком фотонов, можно вывести следующим образом. Сила действия в результате

столкновения фотона с поверхностью равна : Если ударится

N шт. фотонов, тогда

Здесь: — изменение импульса фотона. Оно будет равно А(тс) = 2тс, если поверхность идеально прозрачная, если абсолютно черная, то будет равно

Тогда давление, оказанное на абсолютно черную поверхность,

Если поверхность блестящая, то

Если в учесть, что

Здесь энергия света (волны), падающая за единицу времени на единицу площади, называется интенсивностью света (волны).

Тогда Эта формула Максвелла по определению давления,

оказываемого на поверхность вещества (абсолютна черная поверхность) электромагнитными волнами.

Из приборов, работающих на основе явления фотоэффекта, самое широко применяемое — это фотосопротивление.

Основу фотосопротивления составляет полупроводник, чувствительный к свету, имеющий относительно большую площадь. Его схема и условное обозначение приводится на рис. 6.4. свет

При комнатной температуре сопротивление полупроводника очень большое и через него протекает очень маленький ток. С падением на него света увеличится концентрации свободных носителей заряда, сопротивление уменьшится. Сила тока растет.

Преимущества фотосопротивления: высокая фоточувствительность, долгосрочная эффективная служба, маленький размер, несложная технология изготовления, возможность изготовления из полупроводниковых материалов, работающих на одинаковых длинах волны.

К недостаткам можно отнести: первое — изменение сопротивления линейно не зависит от светового потока, второе — чувствительность к температуре. В том числе имеет большую инертность, появляется ряд проблем при использовании на высоких частотах.

Фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте

Основанные на внутреннем фотоэффекте полупроводниковые фотоэлементы с переходами применяются для превращения световой энергии в электрическую. Полупроводник — кремниевые фотоэлементы, позволяющие превращать солнечную энергию в электрическую, широко применяются и получили название солнечные батареи.

Основу солнечней батареи составляют кремниевые пластинки «-типа, со всех сторон окруженные тонким слоем (1-2 мкм) кремния р-типа (рис. 6.5).

При падении света на поверхность элемента в слое р-типа появляется элект-ронно-дырочная пара, которая, не успевая рекомбинировать, переходит в область перехода. В области р-п перехода происходит разделение зарядов. Под действием созданного поля электроны движутся в сторону области -типа, а дырки — в сторонутипа. Созданная ЭДС в среднем будет до 0,5 В. Такой элемент с площадью 1 , при подсоединении к потребителю, дает ток до 25 мА.

Чувствительность кремниевых фотоэлементов для зеленых лучей максимальна, т.е. приходится на максимальную часть солнечного света. Поэтому они имеют высокое КПД, обычно 11-12%, а в материалах высокого качества доходит до 21-22%.

Солнечные батареи служат, кроме солнечных электростанций на Земле, на космических кораблях и искусственных спутниках Земли в качестве источника электрической энергии.

Одним из широко применяемых приборов, работа которых основана на внутреннем фотоэффекте, является световой диод (полупроводниковые лазеры). Светодиоды основаны на действии одного или нескольких переходов. Когда через них проходит электрический ток, они излучают свет. В материале этого диода количество и подвижность электронов будет больше, чем дырок. При переходе электронов из области в область р происходит рекомбинация с дырками. Излишки энергии излучаются в виде световой волны.

В зависимости от типа материала полупроводника цвет излучения будет разный.

Академиком АН Узбекистана М. Саидовым созданы около 10 видов светодиодов и разработаны теория и технология изготовления различных светодиодов.

Если раньше фотоприборы использовались только в кинотехнике и фотоэлектронных умножителях, то сегодня они широко применяются в осветителях, робототехнике, автоматике, фотометрии, приборах ночного видения, солнечных электростанциях и научных исследованиях, проводимых с помощью светового излучения.

В целях широкого использования солнечной энергии в Узбекистане в 1993 году организовали научно-производственного объединения «Физика-Солнца» и проводятся широкомасштабные научно-исследовательские и прикладные работы.

Пример решения задачи

Найдите длину волны света, падающего на поверхность, если работа выхода электрона из металла а кинетическая энергия электрона

Дано: Найти:

Формула:

Решение:

Ответ:

Закон смещения Вина: Длина волны на которую приходится максимум излучения тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре — постоянная Вина.

Квант: Минимальная часть энергии излучения или поглощения телом.

Энергия кванта :Энергия кванта прямо пропорциональна частоте света:

Внешний фотоэффект: Выход электронов из вещества под воздействием света.

Задерживающее напряжение :Отрицательное тормозящее напряжение, при котором фотоны не доходят до анода.

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от светового потока (интенсивности) и линейно зависит от частоты v падающего луча.
2. Для каждого вещества существует минимальная частота при которой происходит фотоэффект. Это называется красной границей фотоэффекта.
3. Количество фотоэлектронов, вылетающих из катода за единицу времени, прямо пропорционально падающему на катод световому потоку (интенсивности) и не зависит от частоты.

Максимальная кинетическая энергия электронов :
Формула Эйнштейна для фотоэффекта :
Красная граница фотоэффекта :Красная граница фотоэффекта Здесь — частота и длина волны, соответствующие красной границе фотоэффекта.

Внутренний фотоэффект: Увеличение концентрации свободных носителей заряда в полупроводниках под воздействием света.

Фотон :Квант или частица света. Его масса покоя
Энергия фотона: Энергия фотона скорость движения с, импульс
Давление света : — интенсивность света. с
Фотосопротивление -фоторезистор :Резистор, у которого под воздействием света уменьшается сопротивление.

Солнечные батареи: Полупроводниковый фотоэлемент с переходом основан на внутреннем фотоэффекте, который превращает световую энергию в электрическую.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник

Квантовая физическая модель

 электрического тока.

Решение любой задачи начинается с
её постановки. Для начала процесса решения нужно хотя бы осознание того факта,
что проблема существует. В электродинамике сейчас нет квантового описания электрического тока, нет квантового описания
магнитного поля проводника с током,  нет квантового
описания силы Ампера.

В этой работе предложен квантовый механизм электрического тока. Скорость квантового электрического тока равна скорости света, как в эксперименте. В квантовой теории электрического тока устранены многие противоречия между теорией и экспериментом, характерные для классической теории электрического тока.

Квантовая теория электрического тока выводится из классической. Для перехода к квантовой теории
электрического тока, необходимо вспомнить ещё раз, что нам известно об
электрическом токе на участке цепи – потребителе тока.

1. Для существования электрического тока к проводнику необходимо подвести
энергию извне в виде электрического поля.

2. Электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью
света и взаимодействует с уже находящимися в проводнике электронами материала
проводника.

3. Это взаимодействие неизвестным сейчас образом образует магнитное поле
проводника.

Классическая электродинамика
предполагает, что в процессе электрического тока участвуют следующие физические
величины:

1.
Напряжение  или разность потенциалов . Возникает в
момент замыкания цепи. Характеристики этого вектора – направление вдоль
проводника от плюса к минусу.

2. Электрический ток . Скалярная величина. Направления нет.

 Возникает на участке цепи – потребителе тока
после того, как на этот участок подаётся напряжение или разность потенциалов от
внешнего источника. Существует за счёт энергии источника тока.

3. Магнитное  поле . Направление – по правилу буравчика.

Расположение – вне проводника, в
плоскости, перпендикулярной направлению разности потенциалов.

4. Радиус – вектор . В настоящее время безымянный, поскольку неизвестен тип
взаимодействия, который он переносит.

Физический
смысл радиус – вектора :  промежуточный вектор
между вектором электрического тока и вектором магнитного поля. Переносит
силовое взаимодействие. Из известных физических полей для него подходит только
гравитационное поле .

Этот
вектор меняет знак при изменении направления энергии. При потреблении
электрической энергии его направление — от вектора электрического тока к
вектору магнитного поля. При генерации электрической энергии его направление —
от вектора магнитной индукции к вектору электрического тока.

Один квант электрического тока

В квантовой физической модели
электрического тока наименьшее количество электричества – один квант.

Из квантовой физики известно, что в твёрдом проводнике первого рода
электронный газ сильно вырожден. Это означает: во –
первых, что классическое представление об электрическом токе как о направленном
движении электронного газа, не имеет физического носителя электрического тока.
Во – вторых,  это означает, что каждый
электрон в каждый момент времени, принадлежит какому – то определённому атому,
т.е. находится на определённой квантовой орбите.

Плюсовой конец проводника
отличается от минусового конца меньшей концентрацией электронов. Если каждый
электрон принадлежит какому – то атому, то меньшая концентрация электронов  означает, на плюсовом конце проводника
электроны находятся на более удалённых орбитах, чем на
минусовом.

Рис. 1. Один квант электрического
тока на участке цени – потребителе тока.

За направление тока в проводниках
первого рода в электродинамике принимают направление плюсовых зарядов.
Направление магнитного поля определяется по правилу буравчика. Величина одного
кванта магнитного потока также известна:

                                      (1)

Электроны, участвующие в процессе
прохождения электрического тока по проводнику на участке цепи – потребителе
тока, совершают квантовые переходы за счёт энергии источника тока по всей длине
проводника. Переход электрона с одного квантового уровня на другой на участке
цепи – потребителе тока сопровождается испусканием кванта энергии в виде
гравитона. И наоборот, переход электрона с одного квантового уровня на другой
на участке цепи – источника тока сопровождается поглощением кванта энергии в
виде гравитона.

Электроны, не участвующие в
процессе протекания электрического тока, не изменяют своего энергетического
состояния.

В квантовой физической модели
электрического тока предполагается, что при протекании электрического тока на
участке цепи – потребителе тока, происходит последовательное преобразование
трёх физических полей: разность электрических потенциалов , направленная вдоль проводника, последовательно, в два
этапа, преобразуется в энергию 
гравитационного поля проводника с током ,  затем в энергию
магнитного поля .

Рассмотрим прохождение одного
кванта электрического тока по проводнику в два этапа.

Первый этап прохождения одного кванта электрического тока на участке цепи –
потребителе тока: преобразование кванта
электрического поля проводника в квант гравитационного поля.

Рис. 2. Первый этап прохождения
одного кванта электрического тока (участок
цепи – потребителя тока) — преобразование кванта электрического поля в
квант гравитационного поля.

К проводнику с током на участке
цепи – потребителе тока, подводится внешняя энергия в виде разности потенциалов
или напряжения (рис.1). Эта энергия расходуется на то, чтобы электрон
проводимости перешёл с одной квантовой орбиты на другую. При этом энергия
внешнего источника выделяется в виде кванта гравитационного поля (рис.2).

Предлагаемый физический механизм
позволяет объяснить  физическую природу
силы Ампера с позиций близкодействия.

Второй этап прохождения одного кванта электрического тока на участке цепи —
потребителе тока: преобразование одного кванта гравитационного поля в один
квант магнитного потока.

Излученный квант гравитационной
энергии (гравитон) на некотором расстоянии от проводника преобразуется в квант
магнитной энергии. Направление кванта магнитного потока определяется правилом
правого винта (буравчика).

Рис. 3. Второй этап прохождения
одного кванта электрического тока (участок
цепи – потребителя тока) — преобразование кванта гравитационного поля в
квант магнитного поля.

Величина электрического тока в квантовой теории определяется количеством электронов,
совершивших квантовый переход. Скорость
движения электрического тока в квантовой модели равна скорости света,
поскольку определяется скоростью движения электрического поля вдоль проводника.

На участке цепи – источнике тока происходит обратный процесс.

При входе энергии в  проводник с током, кванты гравитационного
поля поглощаются валентными электронами. Их энергия преобразуется в
электрическое поле проводника и происходит выдача электрической энергии к
потребителю тока.

То, что смена направления
гравитационного излучения проводника на участке цепи — источнике тока и участке
цепи — потребителе тока есть, подтверждает длительное существование
эмпирических правил правой и левой руки, сменяющих друг друга, например, при
переходе электродвигателя из режима потребления электрической энергии в
генераторный режим. При этом происходит реверс электрического тока, и вместо
потребления электрического тока (например, от аккумулятора) происходит зарядка
аккумулятора.

   Рис.4. Прохождение одного кванта
электрического тока на участке цепи – источнике тока.

Направление тока в квантовой
теории электрического тока определяется направлением передачи энергии по
проводнику – от генератора к потребителю тока.

Квантовая теория электрического
тока имеет чёткий критерий, позволяющий отделить хаотическое движение
электронов от электрического тока — при
хаотическом движении электронов не излучается гравитационная энергия и не
образуется собственное магнитное поле проводника. В соответствии с этим
критерием можно предложить квантовое физическое определение электрического
тока.

Электрический ток – это квантовый процесс передачи электрической энергии от
источника тока к потребителю тока, связанный с образованием собственного
магнитного поля проводника.

Направление тока в соответствии с
квантовой физической моделью электрического тока определяется направлением
передачи энергии, т.е. от источника тока к потребителю тока. Направление
движения электронов в этом процессе не имеет значения.

Величина электрического тока в квантовой теории определяется количеством электронов, совершивших квантовый переход. Скорость движения электрического тока в
квантовой модели от величины тока не зависит, и равна скорости света,
поскольку определяется скоростью движения электрического поля вдоль проводника.

Приведение закона Ампера к корректному физическому виду

Квантовый механизм электрического
тока предполагает, что электрический ток является более сложным физическим
явлением, чем сейчас описывается в электродинамике. В настоящее время в
электродинамике физический смысл силы Ампера не известен, поэтому в формуле,
определяющей эту силу, есть величины, не имеющие физического смысла.

 «Магнитное поле оказывает на рамку с током
ориентирующее действие. Следовательно, вращающий момент, испытываемый рамкой,
есть результат действия сил на отдельные её элементы.
Обобщая результаты исследования действия магнитного поля на различные
проводники с током, Ампер установил, что сила , с которой магнитное поле действует на элемент проводника  с током, находящегося
в магнитном поле, равна

,                       
(2)

где  — вектор, по модулю
равный  и совпадающий по
направлению с током,  — вектор магнитной
индукции.

Направление вектора  можно найти по общим
правилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если
ладонь левой руки расположить так, чтобы в неё входил вектор , а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в
проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на
ток». [3]

Формула (2), определяющая силу
Ампера физически не корректна:  В
векторном произведении  вектор  не имеет физической
природы.

Зная квантовый физический
механизм электрического тока можно привести эту формулу к виду, в котором все
величины будут иметь физический смысл. Для этого нужно заменить не физическую
величину  в векторном
произведении формулы (2) на физическую векторную величину . Выведем её из закона Ома.

,                                     (3)

Учитывая, что ,

,                                    (4)

Заменяя  в формуле (2),
получим:

,                     (5)

где  — сила Ампера,

  — вектор напряженности
электрического поля. Этот вектор направлен вдоль проводника и является  величиной, имеющей физический смысл.

  — вектор магнитной
индукции внешнего магнитного поля, в которое помещен проводник с током. Это
также величина, имеющая физический смысл.

 — электрическое
сопротивление проводника.

Формула (5) выражает закон Ампера
для участка цепи – потребителя тока, приведенный к корректному физическому виду
в рамках классической электродинамики. Левая часть выражает изменение
гравитационного поля проводника, правая – изменение электромагнитного поля.
Формулу (10) можно также преобразовать для участка цепи – источника тока и
полной цепи электрического тока.

Закон Ампера для участка цепи –
источника тока выглядит следующим образом:

 ,                          (6)

И для полной цепи электрического
тока:

.                         
(7)

Знак (-) перед
правой частью уравнения (6) означает изменение потока энергии при переходе проводника
на участок цепи – источник тока.

Таким образом, даже в рамках
классической электродинамики можно вывести формулы для определения силы Ампера
для цепи – потребителя тока, цепи – источника тока и полной цепи. Однако вывод
этой формулы не даёт физического представления об электрическом токе.

Для того,
чтобы понять физическую природу возникновения силы Ампера, рассмотрим этот
физический феномен с позиций квантовой теории электрического тока.

Гравитационная природа силы
Ампера

Сила Ампера в
квантовой теории электрического тока имеет гравитационную природу. Рассмотрим
механизм её возникновения. 

Выделение энергии
проводником на участке цепи — потребителе тока 
связано с потреблением внешней энергии от источника тока.

 При выходе из проводника, гравитон уносит с
собой импульс движения

,                                 (8)

где  — импульс выхода
гравитона из проводника,

 — масса гравитона,

 — скорость выхода
гравитона из проводника.

При выходе нескольких электронов
из проводника образуется реактивная сила , направленная противоположно направлению выхода гравитонов
из проводника.

Процесс выхода гравитонов из
проводника и его беспорядочное перемещение в результате реакции на выход
гравитонов можно наблюдать в специально поставленном эксперименте, при токах
порядка А. При больших токах без внешнего магнитного поля, происходит
равномерное распределение выхода гравитонов во все стороны, и реакции проводника
на выход гравитонов нет.

При прохождении по проводнику
тока  выделяется  количество гравитонов .

Рис. 2.  При отсутствии внешнего магнитного поля
происходит равномерное распределение выхода гравитонов из проводника.

Гравитоны, обладая
массой, отличной от нуля, при выходе из проводника приобретают импульс. Этот
импульс, в соответствии с третьим законом Ньютона,  противоположен импульсу, получаемому
проводником. Общий импульс  гравитонов равен:

,                         (9)

где — суммарный импульс выхода всех гравитонов.

Совсем другая картина получается,
если проводник с током находится во внешнем магнитном поле. Внешнее магнитное
поле будет затруднять возникновение магнитного поля проводника с одной стороны
проводника, и усиливать с другой стороны.

В результате этого процесса
магнитное поле проводника деформируется (рис. 3). Поскольку каждому кванту
магнитного поля соответствует квант гравитационного поля, происходит искажение
гравитационного поля проводника. В результате этого процесса возникает сила
Ампера .

Рис. 3.  Внешнее магнитное поле искажает распределение
выхода гравитонов из проводника и образует силу Ампера (участок цепи – потребителя тока).

Для описания влияния магнитного
поля на выход гравитонов, нужно ввести коэффициент искажения гравитационного
поля проводника с током . Равнодействующую силу импульсов выходящих гравитонов в этом
случае можно описать формулой:

,                        
(10)

где — равнодействующая сила импульсов выходящих гравитонов.

 — сумма импульсов всех
гравитонов.

 — искажение симметрии
выхода гравитонов, связанное с воздействием на проводник внешнего магнитного
поля.

 В соответствии с третьим законом Ньютона
равнодействующая сила выхода гравитонов уравновешивается силой Ампера

,                            
(11)

И окончательно силу Ампера в
квантовой теории электрического тока можно определить по формуле:

                                              (12)

Сила Ампера зависит как от
количества выделившихся гравитонов (величины электрического тока), так и от
асимметричности их выхода из проводника (от напряжённости внешнего магнитного
поля).

Направление силы Ампера в
квантовой физической модели электрического тока совпадает с эмпирическим
правилом для определения силы Ампера на участке
цепи — потребителе тока.

«Правило левой руки определяет
направление силы, которая действует на находящийся в магнитном поле проводник с
током. Если ладонь левой руки расположить так, чтобы вытянутые пальцы были
направлены по току, а силовые линии магнитного поля входили в ладонь, то
отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник». [6]

Из квантового механизма
возникновения силы Ампера видно, что на
участке цепи – источнике тока сила Ампера меняет своё направление (рис. 4). Это
отражено в эмпирическом правиле правой руки.

«Правило правой руки определяет
направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле. Если
ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили силовые линии
магнитного поля, а отогнутый палец направить по движению проводника, то 4 вытянутых пальца
укажут направление индукционного тока». [6]

Квантовая теория электрического
тока позволяет достаточно просто объяснить одновременное существование правил
левой руки и правой руки  изменением
направления потока энергии в полной цепи электрического тока.

 В случае работы электрической машины в
качестве генератора гравитоны поглощаются проводником с током. В случае работы
электрической машины в качестве двигателя гравитоны излучаются.

Рис. 4.  Внешнее магнитное поле искажает распределение
входа гравитонов в проводник и образует силу Ампера (участок цепи – источника тока).

Квантовая теория электрического
тока впервые позволила дать объяснение силы Ампера с позиций близкодействия.
Квантовая теория электрического тока не противоречит классической
электродинамике, а только её дополняет. Силу Ампера в классической
электродинамике определяют формулы (5) и (7), в квантовой теории — формула (12).

Запись
силы Ампера в квантовой теории может быть различна, но смысл силы Ампера как
гравитационной силы отличает её от классической электродинамики.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Королев Ф.А. Курс физики. Оптика, атомная и
ядерная физика: Учеб. пособие
для студентов физ.-мат. фак. пед.  ин-тов. 2-е изд., перераб. М.: Просвещение, 1974.

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

4. Ландау Л. Д.,
Лифшиц Е.М., Квантовая  механика.  Нерелятивистская  теория, 
3 изд.,  М., 1974.

5. Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Проектирование новых физических технологий.
Вопросы  оборонной техники.  Научно — технический сборник. № 1-2. М:, Н.Т.Ц. «Информтехника»  1995.

6. Советский
энциклопедический словарь. М., «Советская энциклопедия.» 1985.

7. Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Квантовая физическая модель электрического
тока. Тула, 1997.

8. Дрюков В.М.
О чём молчат физики. Тула 2004.

Физика, 11 класс

Урок 22. Фотоэффект

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

• предмет и задачи квантовой физики;
• гипотеза М. Планка о квантах;
• опыты А.Г. Столетова;
• определение фотоэффекта, кванта, тока насыщения, задерживающего напряжения, работы выхода, красной границы фотоэффекта;
• уравнение Эйнштейна для фотоэффекта;
• законы фотоэффекта.

Глоссарий по теме:

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Квант — (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике.

Ток насыщения — некоторое предельное значение силы фототока.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.

3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 422 – 429.

4. Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

h = 6,63 ∙ 10^-34 Дж∙с.

После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, — прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

hν_min = A_в

где А_в – работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

ν_min — частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;

с – скорость света;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе_.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Задерживающее напряжение

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

где — максимальная кинетическая энергия электронов;

Е – заряд электрона;

– задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны — фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

Примеры и разбор решения заданий

1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличится

2) уменьшится

3) не изменится

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Решение:

Работа выхода — это характеристика металла, следовательно, работа выхода не изменится при изменении длины волны падающего света.

Запирающее напряжение — это такое минимальное напряжение, при котором фотоэлектроны перестают вылетать из металла. Оно определяется из уравнения:

Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.

Ответ:

2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ₀ = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.

Решение.

Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:

Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:

Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:

Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:

Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.

Ответ: λ ≈ 215 нм.

На главную страницу

Квантовая физическая

    модель электрического тока

Носитель электрического тока электрон проводимости,
связанный с магнитным полем в единый комплекс, позволил  совершенно иначе
взглянуть на электрический ток как физическое явление.

Физическая модель электрического тока, где носителями
тока являются электроны, связанные в единые комплексы с магнитным полем,
позволяет легко перейти к  квантовой модели постоянного электрического тока,
квантовой модели переменного электрического тока,  квантовой модели
индукционного тока,  квантовой модели силы Ампера.

Для перехода к квантовой теории электрического тока
вспомним, что нам известно об электрическом токе.

В электродинамике есть три вида цепей: участок цепи –
потребитель тока, участок цепи – источник тока, полная цепь электрического
тока.

Рассмотрим их последовательно.

      
1. Участок цепи – потребителя тока.

       
Для существования электрического тока на участке цепи – потребителе тока, к
проводнику необходимо подвести внешнюю энергию в виде разности потенциалов . При замыкании цепи разность потенциалов преобразуется  напряжение электрического поля .

  2. Участок цепи – потребителя тока.

Разность потенциалов  распространяется вдоль проводника со скоростью света
и взаимодействует с уже находящимися внутри проводника электронами материала
проводника.

Это взаимодействие образует электрический ток и
магнитное поле проводника.

 3. Участок цепи – источника тока.

Воздействие внешней силы на проводник, помещённый в
магнитное поле, является причиной образования разности потенциалов , которая, при замыкании цепи, является причиной возникновения электрического
тока. 

 4. Полная цепь электрического тока.

Каждый электрон в металле в любой момент времени
принадлежит определённому атому, т.е. находится на определённой квантовой
орбите.

На участке цепи – потребителе тока, в физическом
процессе  электрического тока, участвуют следующие физические величины:

1. Напряжение  или разность потенциалов .

Возникает в момент замыкания цепи.
Характеристики этого вектора – направление вдоль проводника от плюса к минусу.

2. Электрический ток .

В классической электродинамике это скалярная величина.
Направления не имеет.

Возникает на участке цепи – потребителе тока после
того, как на этот участок подаётся напряжение   от внешнего
источника.

Существует за счёт энергии источника тока.
Расположение – внутри проводника.

3. Магнитное  поле . Направление вращательное – по часовой стрелке вдоль направления тока
(по правилу буравчика).

Расположение – вне проводника, перпендикулярно
направлению электрического тока и разности потенциалов.

4. Радиус – вектор . В настоящее время
безымянный, поскольку в электродинамике не указан тип взаимодействия, который
он переносит.

Переносит силовое взаимодействие.

Расположение этого вектора: под прямым углом к вектору
разности потенциалов и к вектору
магнитного поля .

Физический смысл радиус – вектора : промежуточный вектор
между вектором разности потенциалов и
вектором магнитного поля. Этот
вектор связывает электрический ток, находящийся внутри проводника с магнитным
полем, находящимся вне проводника.

Из известных физических полей для него
подходит только гравитационное поле .

Этот вектор направлен в соответствии с направлением
потока энергии. При потреблении электрической энергии проводником его
направление — от вектора разности потенциалов к вектору магнитного поля.

При генерации электрической энергии проводником с
током, его направление — от вектора магнитной индукции к вектору разности
потенциалов. При прохождении электрического тока эти вектора последовательно
преобразуются друг в друга.

Физическую модель взаимодействия этих векторов будет приведена на следующей странице на примере единичной порции электрического тока – одного кванта
электрического тока.

   Литература

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

2. Советский энциклопедический словарь.
М., «Советская энциклопедия». 1985.

3.
Дрюков В.М. О чём молчат физики. Тула, 2004.

4. http://www.sciteclibrary.ru/rus/avtors/d.html

5. http://drjukow.narod.ru/

 Квантовая модель электрического тока