Путешествие в космос - Электромагнетизм космических тел - 14. Бароэлектрическое перераспределение зарядов

14. Бароэлектрическое перераспределение зарядов

Основной из таких альтернативных вариантов можно указать. Впрочем, это уже было сделано выше — это все тот же вариант Сазерленда, но только в радикально измененном виде.

Что было самым уязвимым пунктом гипотезы Сазерленда? Физические причины перераспределения зарядов и, тем более, его количественный масштаб оставались невыясненными. А это главное, и нужно заново обратиться к рассмотрению этих вопросов.

Почти через 60 лет после того, как Сазерленд выступил с гипотезой о разделении зарядов в недрах планет и звезд под действием гравитации, к вопросу о действии сил тяготения на распределение зарядов в веществе снова проявился интерес, хотя и по другому поводу.

В печати появилось несколько публикаций, посвященных этим проблемам, в том числе статья с обсуждением несколько неожиданной задачи об «электроне, свободно падающем в железной трубе». Получил даже известность новый термин «поле Барнхилла-Шиффа». В статье этих двух авторов обсуждалось, какая сила компенсирует воздействие гравитационного поля на находящийся в нем атом, не давая ему падать.

При обсуждении этого вопроса, можно решиться на нарушение традиции популярного изложения и привлечь простейшие формулы.

На ядро атома действует гравитационная сила Мд, где М — масса ядра, а д — ускорение свободного падения. Под действием этой силы ядро смещается по отношению к центру атома, и это смещение прекращается, когда гравитационная сила уравновешивается действием электрической силы еЕ (е — заряд ядра, Е — величина напряженности порождаемого электронами атома электрического поля, уравновешивающего гравитацию). Условие равновесия приводит к равенству Е — Мд/е. Подставляя для численной оценки М ж Ю-23, д ж 103 (для Земли), е ж Ю-8 (все значения величин указаны в гауссовых единицах), получаем оценку Е ж Ю-12, или, в технических единицах, примерно одну стомиллионную долю В/м.

Это ничтожно малая напряженность (она, в частности, в миллиарды раз меньше напряженности поля ясно погоды), и поэтому естественно мнение, что такое ничтожно слабое поле можно считать несущественным.

Однако, если вдуматься, эта оценка ничего не дает для ответа на интересующий нас вопрос о перераспределении зарядов хотя бы уже потому, что она не учитывает роли неоднородности гравитации, т.е. ее изменения от точки к точке, а эта неоднородность играет ключевую роль, как мы постараемся показать ниже. Более того, эта оценка вообще относится не к тому электрическому полю, которое нас интересует. Поясним это подробнее.

Если не вникать в детали, устройство атома, как известно, таково: положительно заряженное ядро находится в центре отрицательного электронного облака. Если ядро смещается под действием гравитационной силы, на него начинает действовать обсуждавшаяся выше барнхилл-шиффовская сила со стороны создаваемого этим электронным облаком электрического поля.

Порождаемое электронами атома внутриатомное электрическое поле существует и в «невозмущенном» атоме, т.е. при отсутствии смещения ядра, и его напряженность различается (и по величине, и по направлению) в различных точках внутри атома, обращаясь в нуль в его центре, где находилось бы несмещенное ядро. Нулю равняется и среднее значение вектора напряженности поля в таком атоме, а если он сферически симметричен, то поле отсутствует и во внешней области.

Когда под действием гравитации ядро несколько смещается, атом приобретает электрический дипольный момент: центры распределения положительных и отрицательных зарядов в нем не совпадают (впрочем, есть много атомов и молекул, у которых «отродясь», даже без воздействия гравитации есть такой момент). Если на атом-диполь действует электрическое поле, оно может уравновесить действие гравитации. Казалось бы, мы снова вернулись к идеям Барнхилла и Шиффа, но только теперь мы должны обсуждать силу, действующую не на ядро, а на атом в целом, и должны рассматривать не внутриатомное электрическое поле, а какое-то «иное» электрическое поле, порождаемое перестройкой электронов не во внутриатомных, а в макроскопических масштабах. При этом существенно, что распределение давлений должно быть макроскопически неоднородно, так как только при этом условии может появиться макроскопическая неоднородность плотности перераспределившихся зарядов (повторим еще раз, что и в этом проявляется отличие от барнхилл-шиффовского поля).

Широко распространено ошибочное мнение, что никаких «бароэлектрических» (порождаемых перепадами давлений) и возникающих из-за неоднородностей плотности электрических полей в природе вообще не существует. Этому противоречит как теория, так, естественно, и опыт. Так, «потенциал наклепа» давно обнаружен экспериментально.

Бароэлектрическое поле, порождаемое перепадами давлений, можно назвать родственным термоэлектрическому, но только если последнее вызывается зависимостью энергии электронов в проводнике от температуры, то бароэлектрическое — от давления.

Электроны не вылетают из проводника по понятной причине: если заряженный отрицательно электрон покинет проводник, последний приобретает положительный заряд, а разноименные заряды притягиваются. Чтобы преодолеть это притяжение, требуется работа по преодолению «потенциального барьера» — работа выхода. Для различных проводников она различна. Например, для цинка она меньше, чем для меди. Поэтому, если привести в соприкосновение брусок меди с бруском цинка, части электронов из последнего энергетически выгодно перейти в медь, в результате чего возникает разность потенциалов между двумя металлами, которая и называется контактной.

Но даже если проводник химически однороден, т.е. работа выхода из всех его участков одинакова, но их температуры различны, также происходит перегруппировка электронов: их энергии в более горячих участках выше, чем в холодных, и потому большее их число может преодолеть потенциальный барьер.

Благодаря такой перегруппировке и появляется термоэлектрическое поле. Не только температуры проводника определяют энергии электронов в нем, но также и давления. При сжатии проводника эти энергии увеличиваются, и поэтому большее число электронов может преодолевать потенциальный барьер, что, как и в случае неоднородности температур, приводит к перегруппировке электронов в неоднородно напряженном веществе и к созданию электрического поля, только теперь это поле естественно называть «бароэлектрическим».

Таким образом, гипотезу Сазерленда следует уточнить в одном пункте: перераспределение зарядов в проводнике, в частности в недрах планет и звезд, возникает не непосредственно из-за действия гравитации, а благодаря порождаемым ею перепадам давлений.

Вполне очевидно, что бароэлектрическое поле порождается именно лишь при наличии перепадов давления, если же давления всюду одинаковы, поле не возникает (даже в этом его отличие от поля Барнхилла-Шиффа).

Весьма важно подчеркнуть, что бароэлектрические разности потенциалов, как и контактные, относятся к полям, которые называют «безваттными», т.е. не способными совершать работу, передавать энергию зарядам. Это имеет прямое отношение к знаменитому «правилу Вольта»: в любой электрической цепи, составленной из каких угодно элементов, создание постоянного тока за счет одних лишь контактных разностей потенциалов невозможно. Это является одним из следствий закона сохранения энергии: ведь ток, если бы он возникал, без конца нагревал бы проводник, на что тратилась бы энергия, хотя источники ее производства отсутствуют.

Порождаемое неоднородностью давлений перераспределение зарядов вызывает появление электрического поля (их естественно называть бароэлектрическими), не исчезающего и при равновесии. Для их поддержания не требуется затрат энергии.

Во вращающихся планетах и звездах, эти перераспределившиеся заряды также вовлекаются во вращение, что порождает магнитные поля (их также естественно называть баромагнит-ными), для поддержания которых не требуется работы (в отличие от тех магнитных полей, которые создаются за счет эффекта динамо; будем впредь для краткости называть их «динамо-полями») .

В планетах и, особенно, в звездах имеются значительные перепады температур, что также вызывает перераспределение электронов и это, благодаря вращению этих тел, также дает «термодобавки» к их магнитным полям, но, как показывают оценки, настолько небольшие, что иногда можно вообще пренебрегать температурными эффектами.

В реальных планетах и звездах динамо- и баромагнитные поля складываются, и одна из главных задач теории состоит в том, чтобы оценить величину этих вкладов. Эта задача вовсе не проста: хотя оценки для баромагнитной части полей получаются достаточно надежно, по указанной выше причине для динамо-генерации это более затруднительно. Но если использовать полученные из наблюдений эмпирические значения для магнитных моментов, можно оценить долю этих вкладов.

Для теоретического описания бароэлектрических полей предложены различные, хотя и приводящие к близким результатам, методы. Если распределение давлений стационарно, т.е. не меняется со временем, то стационарно и бароэлектрическое поле, и для его исследования удобнее всего опереться на наиболее общее термодинамическое условие равновесия — условие постоянства величины, именуемой электрохимическим потенциалом. Не останавливаясь на детальном объяснении этого термина, ограничимся утверждением, что это условие равновесия эквивалентно требованию, что полная «избыточная» энергия, приходящаяся на единицу объема, всюду должна быть одинаковой. Термин «полная избыточная энергия» обозначает работу, которую необходимо совершить, чтобы единицу объема вещества (при постоянной, пусть даже нулевой температуре) сжать до давления р. Часть этой работы тратится и на энергию образующегося бароэлектрического поля.

<<<Назад Страница 16 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz