Природа электрического тока

В физике объяснение основных закономерностей электрического тока основывается на гипотезе свободных электронов. Недостатком теории электропроводности являлось то, что классическая теория не смогла объяснить главного – почему электроны в металлах ведут себя как свободные.

Для создания внутренне непротиворечивой теории электропроводности необходимо найти объяснение экспериментальным фактам: почему при разности потенциалов менее 10^-8эВ в проводнике появляется электрический ток, почему скорость теплового (неупорядоченного) движения свободных электронов при комнатной температуре - 10⁵м/сек. Хотя, согласно Савельеву (И.В.Савельев, Курс общей физики, стр. 272) даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного (полем) движения электронов равна 10³ м/сек. Дополнительная энергия, сообщаемая электронам при наложении поля, увеличивает их кинетическую энергию только на 10^-14%.

При наложении электрического поля увеличивается скорость электронов, двигающихся в направлении поля, и уменьшается в той же степени скорость электронов, двигающихся против поля. Количество электронов, двигающихся в направлении поля и против поля в среднем равны между собой. Если электроны находятся в металле в виде газа, то между ними будет происходить обмен кинетической энергией, и, соответственно, создание поля внутри проводника не должно даже в столь малой степени (точность расчетов сомнительна) влиять ни на скорость, ни на энергию электронов в проводнике.

Свойства проводника, по которому течет ток, резко отличаются от свойств этого же проводника при отсутствии в нём тока. Проводник, по которому течет ток электронов, имеет магнитное поле и разогревается по мере прохождения тока. Как же это объясняется в рамках предложенной нами теории металлической связи? В предлагаемой нами теории электропроводности показано, что связанные электроны в металлах легко (практически без энергетических затрат) перемещаются вдоль металлических связей. Их движение в направлении, создаваемом полем, обусловлено не действием поля, а их вытеснением из проводника с одного его конца электронами, поступающими в проводник с противоположного конца проводника.

Атом в металле может быть связан с другими атомами различными типами связи (одно и двухэлектронными ковалентными, ван-дер-ваальсовскими). В этом случае система состоящая, из ядер и связывающих электронов, имеет несколько близко лежащих энергетических минимумов (энергетических состояний), и возможные формы переходят друг в друга за счет перехода электронов. Если формы различаются по энергии, то равновесие между формами сдвигается в сторону формы с меньшей энергией.

Рассмотрим пример. В молекуле иода I₃ согласно теории химической связи наряду с равновесием

I^-... I – I →← I – I ... I^-

могут существовать и равновесия между различными формами I₆ и I₉ и т. д.

I^-... I – I… I^-... I – I… I^-... I – I→← I – I ... I^-…I – I ... I^- …I – I ... I^-

т.е. возможность образования за счет динамических связей полимерных молекул предполагает возможность быстрого перемещения электронов вдоль полимерной цепи.

Для начала рассмотрим, как изменится ситуация, если к I₃ (I^-... I – I) добавить электрон. Известно, что I₂имеет положительное сродство к электрону. При присоединении электрона к молекуле I₂ образуется I₂^- , имеющий структурную формулу I – I^- . Соответственно, при присоединении одного электрона могут образоваться I^-... I^˙ …I^- и I^-... I^- …I˙

Оба эти соединения должны легко присоединять электрон с образованием соответственно одного соединения I^- …I^- …I^-

Выделение энергии, обуславливающее легкость присоединения следующего электрона, в свою очередь, ожидается в связи с тем, что молекула иода (I₂) имеет положительное сродство к электрону, хотя в этом случае присоединение первого электрона протекает с разрывом ковалентной связи (т.е. с затратами энергии). Второй электрон присоединяется уже к радикалу I˙, что предполагает выделение энергии.

Все три атома иода в молекуле I^- …I^- …I^- имеют во внешней оболочке 8 электронов и, соответственно, согласно теории химической связи никаких других, в том числе и динамических, связей кроме Ван – дер- Ваальсовских между атомами иода образоваться не может.

Давайте рассмотрим, как измениться ситуация в системе, если цепочка состоящая из атомов иода будет подсоединена с одной стороны к катоду, несущему при включении в цепи электрического тока положительный заряд, а с другой стороны к аноду, несущему отрицательный заряд. После превращения крайней молекулы I^-... I – I в I^- …I^- …I^- за счет электронов, поступающих с анода, обратимая, первая слева электронная изомеризация прекращается (для пары электронов, переходящих в ходе изомеризации I^-... I – I →← I – I ... I^-от крайнего, скажем, слева аниона к крайнему справа. Во всех оболочках трех анионов в молекуле I^- …I^- …I^- нет места, не только равного по энергии, которую эта пара электронов имела в молекуле I^-... I – I, но даже близкого к ней по значению. При этом скорость реакции перехода пары электронов с молекулы I^- …I^- …I^- на молекулу I – I ... I^- с образованием молекулы I^-... I^˙ …I^- существенно не меняется, т.к. стадией лимитирующей скорость реакции в обоих случаях является стадия вытеснения пары связывающих электронов в молекуле I₂ свободной (не участвующей в образовании связей) парой электронов аниона иода.

Таким образом, создание напряжения между анодом и катодом, увеличение концентрации электронов на аноде выше равновесного и ее уменьшение на катоде ниже равновесного просто уменьшает скорость перемещения электронов справа налево в полимерной цепи, образованной за счет динамических связей. Снижение скорости перемещения электронов обусловлено уменьшением количества таких мест для электронов, при переходе в которые при изомеризации энергия системы могла бы уменьшиться. В свою очередь, уменьшение доступных мест для электронов обусловлено их заполнением за счет электронов, поступающих с анода. С другой стороны, уменьшение потока электронов, двигающихся вдоль поля, увеличивает по сравнению с обесточенным проводником движение в нем электронов другую сторону. Все стадии предложенного механизма образования электрического тока нашли подтверждение в химических и физических экспериментах. Основными положениями данной теории являются следующие:

электрический ток является потоком электронов, двигающихся в проводниках в одном направлении от анода (отрицательно заряженного электрода) к катоду, заряженному положительно. Носителями электрического тока в металлах являются электроны, что установлено в физических экспериментах Толмена и Стюарта в 1916 г.
В металлах каждый атом металла связан с восемью или двенадцатью другими атомами. Соответственно, электроны могут двигаться свободно по 8 или 12 направлениям вдоль связей со скорость близкой и даже большей, чем электроны в виде газа, т.е .ведут себя как «свободные» электроны. В неметаллах электроны не переходят со связи на связь, так как в неметаллах нет близко лежащих энергетических состояний.
электроны, связывающие атомы в молекулы, при наличии близко расположенных (0,5 - 2Å) минимумов энергии, с большой скоростью (> 10⁵м/сек) переходят из одного минимума в другой. Это доказывается химическими экспериментами, в ходе которых было открыто это явление и изучена кинетика его протекания.

Результатом обобщения экспериментов стало открытие явления обратимой электронной изомеризации, была изучена кинетика его протекания. Эти успехи позволили ответить на очередные вопросы, возникшие в ходе развития теоретической химии: физический смысл правил резонанса, как протекает химическая реакция и выяснить физический смысл металлической связи. Применительно к теории электрического тока в металле использование этого обобщения позволило ответить на ряд парадоксальных вопросов и предложить новое и, главное, непротиворечивое объяснение природы электрического тока. В предложенной нами теории нет никаких новых предположений. (Наличие внешних противоречий предполагает существование экспериментов или теорий, которые спорят с данной теорией).

Экспериментальные данные по обратимой электронной изомеризации были получены после создания элементарной классической теории электрического тока – теории Пауля Друде (Paul Karl Drude), возникшей сразу после открытия электрона Дж. Томсоном в 1897 году. Классическая теория электропроводности было «дите своего времени» (Truth is the Daughter of Time, not of Authority, F. Bacon (1561-1626 г.г.). Закреплению классической теории в науке способствовало то, что «классическая теория электропроводности смогла объяснить законы Ома и Джоуля – Ленца, а также дала качественное объяснение закона Видемана – Франца» (И.В. Савельев, Общий курс физики, т.2). Кроме того, признанию теории способствовало то, что эта теория легла в основу теории металлической связи и стала широко использоваться в химии для объяснения связи в металлах.