VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Краткий исторический аспект.

1. Лошмидт установил, что в одном грамм-атоме принимается число атомов равным N=60,6·10²² (с учетом более точных опытов).

2. Гельмгольц делает заключение, что в электролитической системе атом любого одновалентного вещества несет на себе 10·10^-20 кулонов электричества, т. е. е=F/N=96500/60,6·10²²=1,6·10^-19 кулонов, где F-число Фарадея. Оно обозначает, что для выделения одного грамм эквивалента любого вещества необходимо 96500 кл.

3. Под током в любой электрической цепи принято понимать: поток движущихся электрических зарядов; результат действия энергии на токоприемник и, обратно, противодействия токоприемника на энергию.

4. Электролитическая цепь, в которой образуется ток, всегда состоит из проводника первого рода и проводника второго рода - электролита.

5. Механизм проводимости проводников первого рода (металлов) изучен и подтвержден опытным путем (Друде) с высокой степенью точности.

6. Механизм же проводимости электролитов базируется на теории диссоциации, которая до настоящего времени не нашла должного подтверждения на практике, подвержена противоречивым взглядам на силы, действующие в электролите и носит ограниченное чисто теоретическое значение. Можно сказать, продолжает оставаться подлогом в науке! Разделяет электролиты на слабые и сильные, не позволяет разработать единого подхода к познанию единого мира проводников второго рода.

7. Дело в том, что в проводниках второго рода, в отличии от проводников первого рода, существуют два силовых поля. Одно поле образовано под действием электростатических сил Е, другое – под действием сторонних сил Е^стор (пондероматорных). Энергетический баланс (основной закон сохранения и превращения энергии) может быть удовлетворен только при условии равенства этих сил!

8. Поэтому необходимо определиться с «инструментом» поиска взаимодействия этих сил и понятиями проводимостей: электронной в проводниках первого рода и ионной – в проводниках второго рода.

9. Представляется, что до настоящего времени взаимодействия этих сил в проводниках второго рода в теоретическом плане и в практическом приложении не изучены. Как правило, даются раздельно для различных электролитов «свои» рекомендации и расчеты, не связанные с общей теорией ни Максвелла, ни с законом сохранения и превращения энергии Умова-Пойнтинга, ни Эйнштейна. У «электрохимиков», как бы «своя» теория. Они уже давно стали не подконтрольны ни механической теории, ни релятивистской. Более того, она «своя» теория иногда уродливо используется в практике, например, в защите стальных подземных сооружений (институт им. Карпова: д.х.н. Полукаров Ю. М., д.х.н. Лазаренко-Маневич Р. И., к.х.н. Фрейман Л. И., д.т.н. Глазов Н.П.), что наносит огромный ущерб народному хозяйству, уродливо отражающийся в сознании общества.

Молекулярно-кинетическая теория – основа расчета энергии необходимой для вырывания электрона или переноса энергии одного атома к другому.

Реакции, которые идут в различного рода электролитических элементах, дают примерно одно и тоже число джоулей на каждый отдельный акт химического взаимодействия между частицами (т. е. одинаковое число джоулей на элементарный заряд). В большинстве случаев около 1·10^-19 или 2·10^-19 дж на элементарный заряд. Поэтому с практической точки зрения удобно принимать за единицу ЭДС такую же величину. Эта величина и называется Вольтом, т. е. 1В=1,6·10^-19 дж/элем. заряд. Например, батарея карманного фонаря дает 1,5 В, тогда в джоулях получим 1,5·1,6·10^-19=2,4·10^-19 дж. Использование единицы измерения ЭДС в вольтах удобно в работе с электрохимическими элементами и для изучения строения атома. Химические реакции, которые позволяют получить несколько вольт, т. е. в несколько раз больше чем 1,6·10^-19 дж/элем. заряд являются перестройкой атомов и молекул. Поэтому энергия необходимая для вырывания электрона или переноса от одного атома к другому, приблизительно равна 1 вольту, умноженному на элементарный заряд. Именно поэтому за единицу измерения энергии принят электрон-вольт. Электрон-вольт пригоден для измерения энергии «химических реакций» между отдельными частицами и энергий, требуемых для ионизации отдельных атомов. Тогда, если мы приняли за единицу энергии 1В=1,6·10^-19 дж/элем. заряд, то за единицу заряда необходимо ввести новую единицу, например кулон так, чтобы произведение одного кулона на ЭДС в один вольт дало один джоуль 1 кулон·1 В=1 дж, тогда 1кулон=1 дж/1В=1,6·10^-19 дж/элем. заряд=6,25·10¹⁸ элем. зарядов. При таком выборе единиц заряда сила тока является ампером, поэтому 1А=6,25·10¹⁸ элем. зарядов за секунду. Поскольку электрическая сила, действующая на элементарный заряд одинакова для всех скоростей между нулем и величиной 10⁷ м/с, следовательно, число заряженных частиц превращающих часть своей кинетической энергии в тепловую и, в конечном счете, на положительном электроде, выражается числом единичных зарядов, полученных при электролизе. Поэтому образование и движение электрического тока через раствор электролита отличаются от проводников первого рода. В проводниках первого рода переносчиками заряда являются электроны, а в проводниках второго рода – ионы. Ток, как было выше отмечено, есть результат взаимодействия электромагнитной энергии IE c веществом, есть замкнутая субстанция и представляет собой непрерывное течение электрического заряда. Поэтому на границе полей (проводников) происходят превращения: на аноде анионы должны отдавать лишние электроны и превращаться в нейтральные атомы, а на катоде, наоборот, катионы получать электроны и превращаться в нейтральные атомы. Только в этом случае суммарный ток в электролите будет равен электронному току в металлической части цепи. Однако это явление сопровождается химическим разложением электролита и, следовательно, скорости, электропроводимость и другие параметры в проводниках второго рода будут зависеть от степени химического разложения (названной диссоциацией) электролита, и величины суммарного электрического поля Е+Е^стор [1].

На основании выше изложенного, составим молекулярно-кинетическую схему движения ионов в электролите (анионов и катионов), (рис. 1).

Рис.1 Молекулярно-кинетическая схема движения ионов в электролите

Как видим, ток в электролитах обеспечивается одновременным встречным движением положительно и отрицательно заряженных ионов под воздействием суммарного электрического поля. Напряжение U в электродной системе анод-катод одно и тоже и для сопротивления r₊, положительно заряженных ионов, и для сопротивления r_-, отрицательно заряженных. Особо отметим, поскольку движение зарядов противополярное и одновременное, то молекулярно-кинетические скорости этих движений складываются, а образовавшийся ток, одновременным противополярным движением ионов, характеризуется их среднеквадратичной скоростью. Направление движения положительно заряженных ионов совпадает с направлением электронного тока.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема движения элементарных частиц

Поэтому поток положительно заряженных ионов принимаем за электронный ток, ток, измеряемый амперметром-I₊. Ток, образованный отрицательно заряженными ионами, обозначим-I_-. Таким образом, амперметр, включенный в электродную электрическую цепь (рис. 2), фиксирует электронный ток. Вольтметр фиксирует падение напряжения, на разных по величине сопротивлениях r₊ и r_-, другими словами – разность падений напряжений. Таким образом, генерируемая энергия в электродной электрической цепи оказалась связанной с энергией и количеством движения заряженных микрочастиц ионов, движущихся в противоположных направлениях. А поскольку произведение силы тока на ЭДС (IE) удовлетворяется только тогда, если измерять числом элементарных зарядов, переносимых за секунду, а ЭДС джоулями на элементарный заряд, то можно по данным прямых измерений вольтметром и ваттметром, рассчитать величину тока при определенной мощности в любой электролитической системе: I_E=P_W=U·1,65·10^-19·I·6,25·10¹⁸ (Вт·с), тогда I= P_W/U·1,65·10^-19·6,25·10¹⁸ (А).

Естественно, этот ток I не может быть равен току измеряемого амперметром, включенного в электролитическую цепь (рис. 2).

При этом, как выше упомянуто, в проводниках второго рода существуют два силовых поля, образованных под воздействием не только поля электростатических сил Е, а и под действием поля сторонних сил Е^стор. Поэтому необходимо сначала определиться с «инструментом» поиска решения.

Развитие молекулярно-кинетической теории.

Впервые в России и за рубежом систематизированы факты в области защиты стальных подземных сооружений от коррозии и на этой базе выявлены закономерности [2, 3], которые указывают на направления, по которому должна развиваться теория электрического тока в проводниках второго рода. Наиболее удачной теорией на наш взгляд, для расширения познания послужила теория квантов-Эйнштейна, которая и явилось основой новой теории электрического тока в проводниках второго рода, где структура и содержание старой теории служат существенной проверкой новой теории. Однако в работе не обошлось без использования теории поля Ландау Л. Д. и Лифшица Е.М. [4].

Способ Ландау Л. Д. Теория поля.

Предложенный способ Л. Д. Ландау построения теории поля, т. е. электродинамике и теории относительности является в настоящее время наиболее простым, ясным, полным, логически связанным с теорией электромагнитного поля и включает в себя эйнштейновскую (релятивистскую) теорию относительности [5]. Основой теории Эйнштейна является введенной им понятие «скорости взаимодействия», вместо «мгновенности распространения» в ньютоновской механике. Таким образом, Эйнштейн внес фундаментальные изменения в основные физические понятия электромагнитной энергии, как материи особого вида, которыми нельзя пренебрегать при выборе или разработке математического аппарата для описания электромагнитных процессов, происходящих в Природе. Действительно опыт показывает, что мгновенных взаимодействий в природе не существует. Скорость же «взаимодействия» двух элементарных частиц одинакова во всех инерциальных системах отсчета, поэтому она является универсальной постоянной (скоростью света в пустоте, обозначается буквой С и равна 2,998·10¹⁰ м/с). Однако большинство скоростей, которые нам приходиться наблюдать, настолько малы по сравнению со скоростью света, что «предположение о бесконечности последней практически не влияет на точность результатов».

Положение двух любых взаимодействующих частиц в пространстве описывается системой отсчета, системой координат. В классической механике свойства времени считаются не зависимыми от системы отсчета – время одно для всех систем отсчета. Время в релятивистской механике не считается абсолютным. Время течет по-разному в разных системах отсчета. И это действительно подтверждается опытом. Достаточно вспомнить оригинальные измерения Майкельсона, которые показали независимость скорости света от направления его распространения по отношению направления вращения Земли. Таким образом, скорость взаимодействия, введенная Эйнштейном можно назвать наибольшей (максимальной) скоростью распространения взаимодействий не только в пустоте, а в любой другой среде, где εμ≠1. И поэтому, приняв «скорость взаимодействия» двух элементарных частиц одинаковой во всех инерциальных системах наибольшей, она становится, как бы универсальной для всех процессов которые малы по сравнению со скоростью света и также которые мы наблюдаем на практике. Таким образом, мы получили принципиально новый не Мир Природы, а материалистический «инструмент» познания Мира в четырех координатной единой инерциальной системе и для скоростей света и для малых скоростей, например, движения элементарных частиц в растворах электролитов.

Для понимания этого вопроса приведем рис. 3, используемый Ландау Л. Д. и Лифшицем Е. М.

Рис.3 Две прямые, изображающие распространение двух сигналов в противоположных направлениях со скоростью света, проходящих через событие О

Как видим, аб и сd две прямые проходящие через событие О, т. е. x=0 и t=0, изображающие распространения движения частиц со скоростью света С. На прямых аб и сd, очевидно, х=±Ct, поскольку все линии, изображающие движения частиц могут располагаться только внутри областей аОс и бОd. В области аОс удовлетворяется выражение С²t²-х²>0, т. е. все события этой области происходят после события О. Поэтому все события аОс представляются будущими по отношению к О при всех системах отсчета. По аналогии при t