Марахтанов М.К., Марахтанов А.М.

Неожиданные квантовые явления в известных электрических процессах:
Опыт и теория

Анонс

На первой странице обложки представлены результаты двух опытов.

1. Пропустим через стальную проволоку постоянный электрический ток и раскалим ее добела. Свечение охватит всю поверхность. Увеличим плотность тока до некоторого предела, и вдруг проволока-проводник станет полосатой, как зебра. Полоски холодного и раскаленного металла размером до нескольких миллиметров перекроют ее с загадочной периодичностью, как будто в раскаленных сечениях проволоки есть ток, а между ними его нет.

2. Один конец вольфрамовой спирали нагреем, а другой охладим. Неожиданно металл начнет таять, как сахар в воде, в тех зонах, где градиент температуры имеет максимальное значение, хотя температура проволоки здесь намного ниже точки плавления вольфрама. Зоны растаявшего и твердого металла образуют периодическую цепочку, как и в первом опыте.

Авторами показано экспериментально, что результаты, казалось бы, известных электрических и тепловых процессов, осуществленных в определенных условиях, не удается объяснить с позиций классической механики. Они согласуются с принципами квантовой механики, учитывающей волновую природу электронных потоков, возникающих в металле под действием электрического и теплового полей.

Оглавление

Введение

В этой книге мы расскажем о неожиданных явлениях, замеченных нами в металлических проводниках электрического тока. Их странный характер мы связываем с квантовой природой электронов проводимости, которые, как принято считать, заполняют металл подобно газу свободных частиц. Для своих опытов мы выбрали электрическую лампу накаливания, которая, несмотря на кажущуюся простоту, заключает в себе массу полезных качеств. Например, ее электрическая цепь содержит несколько последовательных проводников, выполненных почти из десятка различных металлов. В работающей лампе эти проводники имеют температуру от 450 до 2900 К. Плотность тока в каждом из них различна и порой соответствует электрическому взрыву металла. Металлы этих проводников обладают разной теплопроводностью, а сами проводники окружены различными газами или остаточным вакуумом (в зависимости от конструкции лампы). Параметры лампы легко измерить. Ее прозрачная колба позволяет наблюдать изменение температуры проводников и вести их скоростную киносъемку. Наконец, лампа есть под рукой у каждого, кто захочет повторить наши опыты.

Давно замечено, что электрический ток и металл иногда взаимодействуют необъяснимым образом. Поразительны в этом смысле опыты французского физика Георга Вертгейма (G.Wertheim). В 1844--1848 гг. он показал, что небольшой электрический ток (примерно в 10 раз более сильный, чем в обычной электропроводке) существенно меняет характеристики металлов. Их сопротивление на разрыв уменьшается, а модуль упругости снижается примерно на 20 % [В.1]. Получается так: если нет тока и свободные электроны в металле движутся хаотически, они защищают металл от разрыва, обеспечивают его высокую упругость. Но стоит сформировать из них направленный поток, как металл становится податливым к воздействию внешней силы. Сведения о результатах работы Вертгейма и побудили нас к написанию данной книги.

В 1931 г. Вернер Клен (W.Kleen) в Германии показал, что тонкая металлическая проволока превращается в красивую гирлянду бусинок и взрывается, когда плотность тока в ней достигнет определенного предела. Довольно крупные осколки взорванной проволоки несут в себе электрические заряды различных знаков: одна часть становится положительной, другая -- отрицательной. Более того, долю осколков с зарядом того или другого знака можно регулировать, изменяя параметры источника электропитания [В.2].

В 2004 г. группа американских ученых зафиксировала кинетическую энергию атомов металлического пара, возникающего в  результате электрического взрыва проволоки в вакууме. Она оказалась того же порядка, что и энергия металлической связи взорванной проволоки, оставаясь в 2--6 раз ниже последней [В.3].

В своих исследованиях мы повторили многие опыты наших предшественников. Вместе с тем мы установили, что изменения формы и структуры проводника связаны со скоростью дрейфа потока свободных электронов внутри его металла [В.4, В.5]. Оказалось, что для деформации неважно, каким полем сформирован этот поток: электрическим или тепловым. Стало очевидным, что деформацию металла и даже перевод его в жидкое состояние можно вызвать, сообщив дополнительную энергию лишь электронам проводимости, а не всей массе металла, как это требуется, например, при традиционной ковке или плавлении. При таком воздействии затраты энергии на деформацию металла намного меньше, чем при традиционном способе обработки. Неожиданно проволока превращалась в жидкость при температуре намного ниже точки плавления ее металла [В.6]. И тогда металл становился своеобразным источником энергии, которая помогала изменить его фазовое состояние при определенной скорости потока свободных электронов [В.7].

Не существует вакуумных приборов, в которых электронный поток имел бы столь высокую плотность, как в металлической проволоке. Кроме того, скорость движения (скорость дрейфа) электронного потока в металле настолько мала, что ее не создашь в упомянутых приборах. Не возникнут ли неожиданные явления, если малую скорость дрейфа этих квантовых частиц начать плавно регулировать внутри металла? А если они возникнут, то можно ли воспользоваться уравнениями квантовой механики применительно к столь малым скоростям электрона, и на какие принципы следует опереться в подобном анализе, -- де Бройля, Гейзенберга?

Нам помог случай. Однажды мы пропустили электрический ток по молибденовой проволоке, превратив ее в гирлянду бусинок. Затем измерили период Delta x чередования возникших бусинок и вычислили скорость дрейфа upsilon D электронов в протекавшем токе. Произведение трех величин: периода Delta x, массы электрона m и скорости upsilon D, -- оказалось близким к значению постоянной Планка h. Исходя из этого экспериментального факта, мы обратились к принципу неопределенностей Гейзенберга, который, по нашему убеждению, наиболее соответствовал физическому смыслу наблюдаемых явлений.

Согласно этому принципу значение Delta x эквивалентно протяженности волнового пакета электрона [В.8]. Понятие волнового пакета дало нам повод предположить, что волновые пакеты свободных электронов появляются в металле всякий раз, когда скорость дрейфа электронного потока достигает определенного значения. Затем отдельные пакеты объединяются в участки когерентности, захватывающие весь проводник по сечению. Поток электронного газа перестает быть однородным и принимает дискретные свойства. Его воздействие на металл проявляется в виде периодических деформации, нагрева и/или плавления проводника.

Результаты наших опытов мы относим к явлениям квантовой макроэлектроники, поскольку они, во-первых, согласуются с принципами квантовой механики, во-вторых, имеют протяженность, соответствующую размерам макромира (Delta x   0,001 м), и, в-третьих, вызваны движением электронов. Примером их технического применения может стать процесс обращения металла в жидкость при температуре намного ниже точки плавления или размерная обработка металла (ковка, штамповка, волочение) также при сравнительно низкой температуре [В.9]. Это обещает снижение затрат энергии в операциях металлообработки.

Книга написана таким образом, чтобы результаты представленных в ней опытов можно было проверить в любой лаборатории. Те выводы, которые основаны на принципах квантовой механики и которые еще не удалось проверить опытным путем, названы здесь гипотетическими. Однако мы надеемся, что большинство из них подтвердится в будущих экспериментах.

Авторы выражают искреннюю признательность за сотрудничество своим коллегам по работе и учебе в МГТУ им.Н.Э.Баумана. Особую благодарность мы приносим В.А.Сухорукову, Ю.А.Хохлову, Г.К.Клименко, Д.В.Кириллову, Д.В.Духопельникову, Н.В.Ветчинкину, В.В.Яминскому, В.В.Синявскому, А.В.Жукову, В.В.Сидоренкову, Ю.А.Быкову, В.Э.Котову, В.В.Гвоздеву, М.А.Курзанову, И.С.Иванову, Н.С.Кашаеву и Н.В.Назиной, без любезной помощи которых вряд ли появилась бы эта книга.

Об авторах

Доктор технических наук, профессор. Окончил МВТУ им. Н.Э.Баумана в 1964 г. Автор проектов и разработчик электроракетных двигателей и вакуумно-плазменной техники.
Алексей Михайлович МАРАХТАНОВ

Доктор философии (PhD, University of California, Berkeley). Окончил МГТУ им. Н.Э.Баумана в 1997 г. Разработчик вакуумно-плазменной техники.