ОТСУТСТВИЕ СВОБОДНОГО ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ

В  ВТСП-КЕРАМИКЕ

 

А.А.Гришаев,  независимый исследователь

 

 

Введение.

По результатам анализа экспериментальной базы того, что называется низкотемпературной сверхпроводимостью, В.К.Федюкин сделал вывод: малые короткозамкнутые соленоиды, скачком переходившие в режим генерации сильного магнитного поля при охлаждении ниже критической температуры, переходили в состояние не сверхпроводимости, а сверхнамагниченности [1] – при котором упорядоченного движения электронов в «сверхпроводнике» нет. Особенно эффектно это подтвердил ещё Каммерлинг-Оннес: он перерезал «сверхпроводящее» свинцовое кольцо, отчего циркуляция электронов по кольцу должна была прекратиться – но кольцо продолжало действовать на магнитную стрелку, как ни в чём не бывало [2]. Позже выяснилось, что короткозамкнутые соленоиды с достаточно большой длиной обмотки – сделанные из «сверхпроводящего» материала и находясь при «субкритической» температуре – категорически не переходят в режим генерации сильного поля. Такие соленоиды используются только подключенными ко внешнему источнику тока, который принудительно двигает электроны в обмотке – где ток электронов является при этом обычным током проводимости [3], с выделением джоулева тепла. Таким образом, для случаев «низкотемпературной сверхпроводимости», о свободном движении электронов – в условиях нулевого омического сопротивления – не может быть и речи.

Тем не менее, представления о свободном движении электронов распространили и на «высокотемпературную сверхпроводимость» (ВТСП) – когда обнаружилось, что образцы специальной керамики демонстрируют магнитную сверхвосприимчивость уже при температуре кипения азота. Но мы провели простейший эксперимент с образцом ВТСП-керамики, по результатам которого можем утверждать, что и в ВТСП-образцах отсутствует свободное движение электронов.

В данной статье мы описываем этот эксперимент и обсуждаем некоторые сопутствующие аспекты взаимодействия ВТСП-образцов с постоянными магнитами.

 

Эксперимент: ВТСП-керамика и тестер.

Эксперимент заключался в пробе образца ВТСП-керамики щупами тестера, включённого на измерение омического сопротивления, при двух температурах: комнатной, а затем азотной, когда образец демонстрировал явный признак «сверхпроводящего» состояния – а именно, левитацию над образцом постоянного магнитика.

Как известно, при измерении сопротивления тестером, его низковольтный источник постоянного напряжения создаёт электродвижущую силу, которая порождает ток электронов в цепочке, замкнутой через щупы – и этот ток вызывает отклонение стрелки гальванометра. Чем меньше сопротивление тестируемого участка, тем больше ток, и, соответственно, больше отклонение стрелки прибора.

Мы искали ответ на вопрос – обнаружится ли разница в сопротивлении образца для двух случаев: при комнатной температуре и при азотной. В первом случае, свободное движение электронов в образце заведомо отсутствует, и тестер показывает сопротивление образца, далёкое от нулевого. Если во втором случае электроны обрели бы способность к свободному движению, то тестер должен был показать гораздо меньшее сопротивление, а, практически, нулевое – как в режиме короткого замыкания, при касании щупами друг друга.

Видеоотчёт о нашем эксперименте свободно доступен [4]. Результат таков: не наблюдается уменьшение сопротивления ВТСП-образца по постоянному току при переходе

Рис.1  Кадр из видео [4].

 

от комнатной температуры к азотной. Это означает, что если при комнатной температуре в ВТСП-образце нет свободного движения электронов, то его нет и при азотной температуре.

Необходимо подчеркнуть, что мы измеряли сопротивление «сверхпроводящей» керамики на постоянном токе. Что касается электрических импульсов, то их ВТСП-образцы проводят с исчезающе малым сопротивлением, и эта их особенность уже применяется в импульсной электронике. А студенты выполняют лабораторные работы, в которых получают скачок сопротивления ВТСП-образца в ноль в результате охлаждения его жидким азотом – но эти измерения проводятся на переменном токе, поэтому они ничуть не доказывают наличия свободного движения электронов в ВТСП-образцах. Действительно, конденсатор тоже имеет малое сопротивление по переменному току – но движения электронов через конденсатор нет, о чём говорит и его бесконечное сопротивление по постоянному току.

 

Принципиальное отличие ВТСП-керамики от постоянного магнита.

Как следует из вышеизложенного, магнитное действие ВТСП-образца, обеспечивающее левитацию постоянного магнитика, обусловлено отнюдь не свободными токами электронов в ВТСП-образце. Может ли это магнитное действие быть результатом упорядочивания собственных магнитных моментов электронов, т.е. их спинов?

Наш ответ: категорически нет. Как мы уже излагали ранее [3], электрон не обладает собственным магнитным моментом: спин электрона – это шутка теоретиков. Но даже если допустить, что электрон обладает спином, то это нисколько не помогло бы объяснить ключевую особенность поведения постоянного магнитика рядом с ВТСП-образцом. А именно, после т.н. «схватывания», магнитик оказывается в устойчивом равновесии: после принудительного сдвига магнитика, он совершает затухающие колебания около исходного положения (это продемонстрировано и в нашем видео [4]).

Устойчивое равновесие возможно только при наличии возвращающих сил. Магнитная сцепка постоянного магнитика с ВТСП-образцом должна обеспечивать появление сил, противодействующих перемещениям магнитика. Такие силы известны – это силы, возникающие при явлении электромагнитной индукции. Но при этом явлении индуцируются макроскопические токи, что подчёркивается термином «ЭДС индукции» - поскольку эти токи возникают при изменениях магнитных потоков сквозь макроскопические замкнутые контура. И токи индукции не могут быть сведены ни к каким переориентациям спинов, и ни к  каким подвижкам доменов, т.е. объёмчиков с одинаковыми ориентациями спинов. Причина совсем проста: токи – это упорядоченное движение электричества, а, при перетряхиваниях спинов, движения электричества нет – напоминаем, это даже в том случае, если спины были бы физической реальностью.

Таким образом, ВТСП-образец должен обладать способностью к индуцированию, в своём объёме, макроскопических электрических токов, магнитное действие которых противодействует перемещениям левитирующего магнитика. Наличие динамической составляющей магнитного отклика у ВТСП-образца принципиально отличает его от постоянного магнита – у магнитного действия которого нет динамической составляющей.

В ортодоксальной физике до сих пор отсутствует объяснение того, что представляют собой токи электричества, дающие магнитный отклик ВТСП-керамики – если это не свободные токи электронов. Напротив, простое объяснение природы этих токов дают наши представления о намагниченности.

 

Токи зарядовых разбалансов в ВТСП-керамике.

Согласно нашей модели [3], намагниченность образца обусловлена макроскопическими токами зарядовых разбалансов [5], т.е. состояний, при которых «нейтральные» атомы, у которых число электронов равно числу протонов, имитируют ненулевой электрический заряд. Миграции этих имитированных зарядов с атома на атом при переключениях химических связей [6] представляют собой движения электричества, т.е. электрические токи. И, хотя ток зарядовых разбалансов происходит без переноса вещества и не сопровождается потерями на джоулево тепло, этот ток, во-первых, подчиняется магнитному действию, и, во-вторых, сам производит магнитное действие. Перестройки замкнутых атомных цепочек, по которым мигрируют зарядовые разбалансы, и дают, на наш взгляд, динамический магнитный отклик ВТСП-образца на перемещения «схваченного» постоянного магнитика. Изложим модель, объясняющую происхождение затухающих колебаний этого магнитика вблизи ВТСП-образца.

Магнитное действие на объект зависит, как известно, не от его координаты, а от его скорости. Причём, в нашем случае, имеет место своего рода магнитная вязкость: сила магнитного противодействия тем больше, чем быстрее сдвиг магнитика. В линейном приближении можно считать, что тормозящая сила прямо пропорциональна скорости V магнитика, взятой с противоположным знаком:

ma = -kV,                                                                                            (1)

где m - масса магнитика, a - тормозное ускорение, k - коэффициент пропорциональности. Решением уравнения (1) является экспоненциальное торможение, а не колебания. Но учтём, что магнитное противодействие работает с запаздыванием – на характерное время t, за которое, в среднем, перестраиваются цепочки миграций зарядовых разбалансов. Тогда мы получим уравнение

ma(t+t) = -kV(t) .                                                                               (2)

Чтобы привести это уравнение к единому моменту времени t, функцию a(t+t) разложим по Тейлору, ограничившись двумя членами, до первой производной. Получаем:

 .                                                                           (3)

Поскольку ускорение является производной от скорости, то уравнение (3) можно переписать в виде

,                                                                    (4)

где двойка в скобках означает вторую производную по времени, а единичка в скобках – первую. Решением хорошо известного дифференциального уравнения (4) является затухающая гармоническая функция – с квадратом круговой частоты, при слабом затухании равным (k/mt), и с постоянной времени затухания, равной 2t. Соответственно, решением для координаты является затухающая гармоническая функция, сдвинутая по фазе на четверть периода – с такими же частотой и постоянной затухания, как и у скорости.

Таким образом, учёт запаздывания магнитного противодействия даёт решение в виде затухающих колебаний магнитика – что качественно согласуется с тем, что наблюдается на опыте. Покажем, что здесь можно говорить и о количественном согласии – для чего оценим характерную длину цепочек атомов, по которым мигрировали зарядовые разбалансы в использованном нами ВТСП-образце. Примем, что длительность миграции зарядового разбаланса по такой цепочке – это и есть характерное время её перестройки, т.е. это и есть запаздывание t. При постоянной затухания колебаний магнитика, визуально оцениваемой в пару секунд, запаздывание t должно составлять около одной секунды. Оценим, сколько атомов укладывается на цепочке, по которой зарядовый разбаланс передаётся за одну секунду. В нашем случае, зарядовые разбалансы мигрируют вместе с «миграциями» химических связей (см. выше), поэтому время передачи зарядового разбаланса с атома на соседний атом зависит от частоты переключений валентных конфигураций [7] в этих атомах. У атомов металлов, при температуре кипения азота, около 78оК, эта частота, по нашей модели [7], должна составлять ~109 Гц. Следует учесть, что в состав керамики входят атомы разных элементов, валентные переключения у которых не идеально согласованы – что уменьшит эффективную скорость передачи зарядовых разбалансов. В качестве грубой оценки примем, что эффективная частота валентных переключений в нашем случае составляет не вышеназванное значение 109 Гц, а в пять раз меньшее, т.е. 2×108 Гц. Тогда, за одну секунду, зарядовый разбаланс переместится по цепочке из 2×108 атомов. При среднем расстоянии между атомами в 3 Ангстрема, эффективная длина замкнутой цепочки атомов составит около 6 см. Этот результат, при габаритах использованного ВТСП-образца в 4.5´4.5´1.5 см, неплохо согласуется с заверениями его изготовителей насчёт его однодоменности.

 

Почему же левитирующий ВТСП-образец «едет» вдоль магнитного рельса?

Колебания постоянного магнитика, «схваченного» вблизи ВТСП-образца, находятся, казалось бы, в противоречии с другим экспериментальным фактом: движением левитирующего ВТСП-образца вдоль магнитного рельса – практически, без торможения. Но, как нам представляется, противоречия здесь нет – и, более того, ВТСП-образец и магнитный рельс взаимодействуют по тем же самым принципам, которые описаны выше.

Секрет фокуса с магнитным рельсом заключается в особой конфигурации его магнитного поля. Для образной иллюстрации, силовые линии полей двух одинаковых постоянных магнитов, расположенных рядом и имеющих сонаправленные ориентации полюсов, схематически изображены на Рис.2. Набирается, например, дорожка из множества

 

Рис.2

 

таких пар магнитов, ориентированных поперёк центральной линии этой дорожки. В результате формируется конфигурация поля, схематически изображённая на Рис.3. Выше и

 

Рис.3  Сине-красным показаны проекции расположения магнитов. Зелёным показаны сечения коридоров устойчивого движения ВТСП-образца с постоянной скоростью.

 

ниже центральной линии у дорожки из пар магнитов получаются «магнитные долины», в которых силы магнитного противодействия не возникают при сдвигах ВТСП-образца вдоль дорожки, а возникают только при его сдвигах «вправо-влево» и «вверх-вниз». Но если, при движении ВТСП-образца вдоль дорожки, нет магнитного противодействия, то нет и магнитного торможения. Поэтому «схваченный» ВТСП-образец движется с сообщённой ему скоростью вдоль магнитного рельса, повторяя его повороты – ведь уходы из магнитной долины вверх-вниз и вправо-влево эффективно гасятся по принципам, описанным выше.

 

Заключение.

Наш простейший опыт с использованием тестера показал, что сопротивление образца ВТСП-керамики по постоянному току – далеко от нулевого. Поэтому можно считать доказанным отсутствие в ВТСП-образце свободного движения электронов – как это имеет место и в т.н. «низкотемпературных сверхпроводниках». Магнитная сверхвосприимчивость ВТСП-образца не может быть следствием ни токов электронов, ни упорядочивания спинов электронов. Мы постарались показать, что она обусловлена индуцируемыми токами зарядовых разбалансов – модель которых, таким образом, получила очередное подтверждение.

 

Автор благодарит корпорацию «Русский сверхпроводник» за любезное предоставление образца ВТСП-керамики, а также участников форума на  www.skif.biz  - за полезное обсуждение.

 

 

Ссылки.

 

1.        В.К.Федюкин. Не сверхпроводимость электрического тока, а сверхнамагничиваемость материалов. С.-Пб., 2008. Доступна на  http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=26013

2.        Я.И.Френкель. Сверхпроводимость. М.-Л., ОНТИ, 1936.

3.        А.А.Гришаев. Книга «Этот «цифровой» физический мир». М., 2010. Доступна на  http://newfiz.info

4.        Видео «Эпизод А. Сверхпроводящая керамика и тестер». -  http://newfiz.info/films/films.htm

5.        А.А.Гришаев. Зарядовые разбалансы в «нейтральных» атомах. - Доступна на  http://newfiz.info

6.        А.А.Гришаев. Металлы: нестационарные химические связи и два механизма переноса электричества. - Доступна на  http://newfiz.info

7.        А.А.Гришаев. Температурная зависимость частоты переключений направленных валентностей у атомов металлов. - Доступна на  http://newfiz.info

 

 

Источник:  http://newfiz.info

Поступило на сайт: 22 октября 2013.