Cover Марахтанов М.К., Марахтанов А.М. Неожиданные квантовые явления в известных электрических процессах: Опыт и теория
Id: 171943
13.9 EUR

Неожиданные квантовые явления в известных электрических процессах:
Опыт и теория Изд. стереотип.

URSS. 312 pp. (Russian). ISBN 978-5-396-00514-3. Condition: 5-. Блок текста: 5. Обложка: 5-.
  • Hardcover
Серия: Relata Refero
Unexpected Quantum Phenomena in Ordinary Electrical Processes: Theory and Experience. (In Russian)

Summary

Квантовая механика становится прикладной наукой, знание которой необходимо как физикам, так и инженерам. И хотя она оперирует законами движения микрочастиц, эксперимент показывает, что некоторые явления макромира также подвластны ее принципам. В своих опытах авторы настоящей книги использовали металлические проводники для создания в них плотных потоков электронов. Было установлено, что результаты известных электрических и тепловых процессов,...(More) происходящих в таких потоках, не удается объяснить с позиций классической механики. Однако они согласуются с принципами квантовой механики, учитывающими волновую природу электрона. Опыт подтвердил, что "инженерное вмешательство" квантовой механики в создание плотного электронного потока почти вдвое снижает температуру превращения металла в жидкость. Следовательно, практическое использование полученных результатов позволит, например, значительно уменьшить затраты энергии на такие операции, как деформация металла или перевод его из твердого состояния в жидкое.

Оборудование, использованное авторами, было настолько простым, что представленные в книге опыты можно воспроизвести в любой лаборатории. Вместе с тем полученные результаты достаточно убедительны, чтобы стать основой научных знаний, удовлетворяющих названию "квантовая макроэлектроника".

Книга будет интересна специалистам-физикам, инженерам, студентам и аспирантам технических вузов.


Anons

Na pervoj stranitse oblozhki predstavleni rezul'tati dvukh opitov.

1. Propustim cherez stal'nuyu provoloku postoyannij elektricheskij tok i raskalim ee dobela. Svechenie okhvatit vsyu poverkhnost'. Uvelichim plotnost' toka do nekotorogo predela, i vdrug provoloka-provodnik stanet polosatoj, kak zebra. Poloski kholodnogo i raskalennogo metalla razmerom do neskol'kikh millimetrov perekroyut ee s zagadochnoj periodichnost'yu, kak budto v raskalennikh secheniyakh provoloki est' tok, a mezhdu nimi ego net.

2. Odin konets vol'framovoj spirali nagreem, a drugoj okhladim. Neozhidanno metall nachnet tayat', kak sakhar v vode, v tekh zonakh, gde gradient temperaturi imeet maksimal'noe znachenie, khotya temperatura provoloki zdes' namnogo nizhe tochki plavleniya vol'frama. Zoni rastayavshego i tverdogo metalla obrazuyut periodicheskuyu tsepochku, kak i v pervom opite.

Avtorami pokazano eksperimental'no, chto rezul'tati, kazalos' bi, izvestnikh elektricheskikh i teplovikh protsessov, osuschestvlennikh v opredelennikh usloviyakh, ne udaetsya ob'yasnit' s pozitsij klassicheskoj mekhaniki. Oni soglasuyutsya s printsipami kvantovoj mekhaniki, uchitivayuschej volnovuyu prirodu elektronnikh potokov, voznikayuschikh v metalle pod dejstviem elektricheskogo i teplovogo polej.


Oglavlenie
Vvedenie
 Spisok literaturi k Vvedeniyu
Glava 1.Deformatsiya i razrushenie metallicheskikh provodnikov v elektricheskoj lampe nakalivaniya
 1.1. Konstruktsiya i materiali lampi
 1.2. Vzriv metallicheskikh provodnikov vo vneshnem zvene elektroda lampi nakalivaniya
 1.3. Vzriv platinitovogo zvena vnutri steklyannoj lopatki
 1.4. Deformatsiya nikelevikh zven'ev. Gazovij razryad v lampe
 1.5. Elektronnoe vskipanie nikelya
 1.6. Termogradientnij vzriv vol'framovoj niti
 1.7. Fazovie perekhodi vol'framovoj niti
 1.8. Deformatsiya vol'framovoj spirali vne zoni dejstviya elektricheskogo i teplovogo polej
 Spisok literaturi k glave 1
Glava 2.Volnovie svojstva elektron
 2.1. Volna de Brojlya. Printsip neopredelennosti Gejzenberga. Pyat' primerov i odna gipotez
 2.2. Elektronnij volnovoj paket
 2.3. Tunnelirovanie elektronnogo paket
 2.4. Uravnenie Shrёdingera. Volnovoe raspredelenie energii elektrona pri malom vozmuschenii ego skorosti
 2.5. Kollektivnoe paketirovanie, stseplennost' i teleportatsiya kvantovikh ob'ektov
 Spisok literaturi k glave 2
Glava 3.Elektronnij gaz i silovie polya v metalle
 3.1. Elektronnij gaz v metalle
 3.2. Nekotorie svedeniya ob energii metallicheskoj svyazi
 3.3. Vneshnee elektricheskoe pole kak prichina regulyarnikh kolebanij svobodnikh elektronov v metallicheskom provodnike
 3.4. Temperaturnoe pole kak modulyator skorosti svobodnikh elektronov v metalle
 3.5. Minimal'naya energiya, razrushayuschaya metallicheskij kristall Vremya raspada kristall
 Spisok literaturi k glave 3
Glava 4.Makroskopicheskie volnovie effekti v potoke elektronnogo gaza vnutri metallicheskogo provodnik
 4.1. Kollektivnoe kvantovanie elektronnogo gaza v tonkoplenochnom provodnike
 4.2. Kollektivnoe kvantovanie elektronnogo gaza v metallicheskikh provolokakh
 4.3. Veroyatnie prichini deformatsii svobodnogo kontsa vol'framovoj monospirali v lampe nakalivaniya
 Spisok literaturi k glave 4

Vvedenie
Larise Ivanovne Marakhtanovoj, ee zabote, dobrote i terpeniyu avtori posvyaschayut etu knigu


Opit -- eto edinstvennoe dokazatel'stvo, kotoroe ubeditel'no dlya vsekh i do kontsa.
P.L.Kapitsa

V etoj knige mi rasskazhem o neozhidannikh yavleniyakh, zamechennikh nami v metallicheskikh provodnikakh elektricheskogo toka. Ikh strannij kharakter mi svyazivaem s kvantovoj prirodoj elektronov provodimosti, kotorie, kak prinyato schitat', zapolnyayut metall podobno gazu svobodnikh chastits. Dlya svoikh opitov mi vibrali elektricheskuyu lampu nakalivaniya, kotoraya, nesmotrya na kazhuschuyusya prostotu, zaklyuchaet v sebe massu poleznikh kachestv. Naprimer, ee elektricheskaya tsep' soderzhit neskol'ko posledovatel'nikh provodnikov, vipolnennikh pochti iz desyatka razlichnikh metallov. V rabotayuschej lampe eti provodniki imeyut temperaturu ot 450 do 2900 K. Plotnost' toka v kazhdom iz nikh razlichna i poroj sootvetstvuet elektricheskomu vzrivu metalla. Metalli etikh provodnikov obladayut raznoj teploprovodnost'yu, a sami provodniki okruzheni razlichnimi gazami ili ostatochnim vakuumom (v zavisimosti ot konstruktsii lampi). Parametri lampi legko izmerit'. Ee prozrachnaya kolba pozvolyaet nablyudat' izmenenie temperaturi provodnikov i vesti ikh skorostnuyu kinos'emku. Nakonets, lampa est' pod rukoj u kazhdogo, kto zakhochet povtorit' nashi opiti.

Davno zamecheno, chto elektricheskij tok i metall inogda vzaimodejstvuyut neob'yasnimim obrazom. Porazitel'ni v etom smisle opiti frantsuzskogo fizika Georga Vertgejma (G.Wertheim). V 1844--1848 gg. on pokazal, chto nebol'shoj elektricheskij tok (primerno v 10 raz bolee sil'nij, chem v obichnoj elektroprovodke) suschestvenno menyaet kharakteristiki metallov. Ikh soprotivlenie na razriv umen'shaetsya, a modul' uprugosti snizhaetsya primerno na 20 % [V.1]. Poluchaetsya tak: esli net toka i svobodnie elektroni v metalle dvizhutsya khaoticheski, oni zaschischayut metall ot razriva, obespechivayut ego visokuyu uprugost'. No stoit sformirovat' iz nikh napravlennij potok, kak metall stanovitsya podatlivim k vozdejstviyu vneshnej sili. Svedeniya o rezul'tatakh raboti Vertgejma i pobudili nas k napisaniyu dannoj knigi.

V 1931 g. Verner Klen (W.Kleen) v Germanii pokazal, chto tonkaya metallicheskaya provoloka prevraschaetsya v krasivuyu girlyandu businok i vzrivaetsya, kogda plotnost' toka v nej dostignet opredelennogo predela. Dovol'no krupnie oskolki vzorvannoj provoloki nesut v sebe elektricheskie zaryadi razlichnikh znakov: odna chast' stanovitsya polozhitel'noj, drugaya -- otritsatel'noj. Bolee togo, dolyu oskolkov s zaryadom togo ili drugogo znaka mozhno regulirovat', izmenyaya parametri istochnika elektropitaniya [V.2].

V 2004 g. gruppa amerikanskikh uchenikh zafiksirovala kineticheskuyu energiyu atomov metallicheskogo para, voznikayuschego v  rezul'tate elektricheskogo vzriva provoloki v vakuume. Ona okazalas' togo zhe poryadka, chto i energiya metallicheskoj svyazi vzorvannoj provoloki, ostavayas' v 2--6 raz nizhe poslednej [V.3].

V svoikh issledovaniyakh mi povtorili mnogie opiti nashikh predshestvennikov. Vmeste s tem mi ustanovili, chto izmeneniya formi i strukturi provodnika svyazani so skorost'yu drejfa potoka svobodnikh elektronov vnutri ego metalla [V.4, V.5]. Okazalos', chto dlya deformatsii nevazhno, kakim polem sformirovan etot potok: elektricheskim ili teplovim. Stalo ochevidnim, chto deformatsiyu metalla i dazhe perevod ego v zhidkoe sostoyanie mozhno vizvat', soobschiv dopolnitel'nuyu energiyu lish' elektronam provodimosti, a ne vsej masse metalla, kak eto trebuetsya, naprimer, pri traditsionnoj kovke ili plavlenii. Pri takom vozdejstvii zatrati energii na deformatsiyu metalla namnogo men'she, chem pri traditsionnom sposobe obrabotki. Neozhidanno provoloka prevraschalas' v zhidkost' pri temperature namnogo nizhe tochki plavleniya ee metalla [V.6]. I togda metall stanovilsya svoeobraznim istochnikom energii, kotoraya pomogala izmenit' ego fazovoe sostoyanie pri opredelennoj skorosti potoka svobodnikh elektronov [V.7].

Ne suschestvuet vakuumnikh priborov, v kotorikh elektronnij potok imel bi stol' visokuyu plotnost', kak v metallicheskoj provoloke. Krome togo, skorost' dvizheniya (skorost' drejfa) elektronnogo potoka v metalle nastol'ko mala, chto ee ne sozdash' v upomyanutikh priborakh. Ne vozniknut li neozhidannie yavleniya, esli maluyu skorost' drejfa etikh kvantovikh chastits nachat' plavno regulirovat' vnutri metalla? A esli oni vozniknut, to mozhno li vospol'zovat'sya uravneniyami kvantovoj mekhaniki primenitel'no k stol' malim skorostyam elektrona, i na kakie printsipi sleduet operet'sya v podobnom analize, -- de Brojlya, Gejzenberga?

Nam pomog sluchaj. Odnazhdi mi propustili elektricheskij tok po molibdenovoj provoloke, prevrativ ee v girlyandu businok. Zatem izmerili period Delta x cheredovaniya voznikshikh businok i vichislili skorost' drejfa upsilon D elektronov v protekavshem toke. Proizvedenie trekh velichin: perioda Delta x, massi elektrona m i skorosti upsilon D, -- okazalos' blizkim k znacheniyu postoyannoj Planka h. Iskhodya iz etogo eksperimental'nogo fakta, mi obratilis' k printsipu neopredelennostej Gejzenberga, kotorij, po nashemu ubezhdeniyu, naibolee sootvetstvoval fizicheskomu smislu nablyudaemikh yavlenij.

Soglasno etomu printsipu znachenie Delta x ekvivalentno protyazhennosti volnovogo paketa elektrona [V.8]. Ponyatie volnovogo paketa dalo nam povod predpolozhit', chto volnovie paketi svobodnikh elektronov poyavlyayutsya v metalle vsyakij raz, kogda skorost' drejfa elektronnogo potoka dostigaet opredelennogo znacheniya. Zatem otdel'nie paketi ob'edinyayutsya v uchastki kogerentnosti, zakhvativayuschie ves' provodnik po secheniyu. Potok elektronnogo gaza perestaet bit' odnorodnim i prinimaet diskretnie svojstva. Ego vozdejstvie na metall proyavlyaetsya v vide periodicheskikh deformatsii, nagreva i/ili plavleniya provodnika.

Rezul'tati nashikh opitov mi otnosim k yavleniyam kvantovoj makroelektroniki, poskol'ku oni, vo-pervikh, soglasuyutsya s printsipami kvantovoj mekhaniki, vo-vtorikh, imeyut protyazhennost', sootvetstvuyuschuyu razmeram makromira (Delta x   0,001 m), i, v-tret'ikh, vizvani dvizheniem elektronov. Primerom ikh tekhnicheskogo primeneniya mozhet stat' protsess obrascheniya metalla v zhidkost' pri temperature namnogo nizhe tochki plavleniya ili razmernaya obrabotka metalla (kovka, shtampovka, volochenie) takzhe pri sravnitel'no nizkoj temperature [V.9]. Eto obeschaet snizhenie zatrat energii v operatsiyakh metalloobrabotki.

Kniga napisana takim obrazom, chtobi rezul'tati predstavlennikh v nej opitov mozhno bilo proverit' v lyuboj laboratorii. Te vivodi, kotorie osnovani na printsipakh kvantovoj mekhaniki i kotorie esche ne udalos' proverit' opitnim putem, nazvani zdes' gipoteticheskimi. Odnako mi nadeemsya, chto bol'shinstvo iz nikh podtverditsya v buduschikh eksperimentakh.

Avtori virazhayut iskrennyuyu priznatel'nost' za sotrudnichestvo svoim kollegam po rabote i uchebe v MGTU im.N.E.Baumana. Osobuyu blagodarnost' mi prinosim V.A.Sukhorukovu, Yu.A.Khokhlovu, G.K.Klimenko, D.V.Kirillovu, D.V.Dukhopel'nikovu, N.V.Vetchinkinu, V.V.Yaminskomu, V.V.Sinyavskomu, A.V.Zhukovu, V.V.Sidorenkovu, Yu.A.Bikovu, V.E.Kotovu, V.V.Gvozdevu, M.A.Kurzanovu, I.S.Ivanovu, N.S.Kashaevu i N.V.Nazinoj, bez lyubeznoj pomoschi kotorikh vryad li poyavilas' bi eta kniga.

15 noyabrya 2009 g.

About the authors
Marakhtanov Mikhail Konstantinovich
Doktor tekhnicheskikh nauk, professor. Okonchil MVTU im. N. E. Baumana v 1964 g. Avtor proektov i razrabotchik elektroraketnikh dvigatelej i vakuumno-plazmennoj tekhniki.
Marakhtanov Aleksej Mikhajlovich (avtor)
Doktor filosofii (PhD, University of California, Berkeley). Okonchil MGTU im. N. E. Baumana v 1997 g. Razrabotchik vakuumno-plazmennoj tekhniki, avtor bolee 40 patentov. Krug nauchnikh interesov: fizika plazmi, fizika tverdogo tela, toki radiochastoti.