Электростатика

ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Ф.М. Канарёв

kanphil@mail.ru http://kubagro.ru/science/prof.php?kanarev
Анонс. Электростатика – древнейший раздел физики с обилием экспериментальных данных о положительных и отрицательных зарядах электричества. И только сейчас появились результаты исследований, доказывающих ошибочность таких представлений. Оказалось, что явления и процессы электростатики формируются кластерами электронов, имеющих отрицательный заряд, но два магнитных полюса: северный и южный, которым ошибочно приписаны знаки электрических зарядов: минус и плюс.
Французский исследователь Ш. Дюфэ опубликовал в Мемуарах Парижской Академии наук за 1733 г. результаты своих опытов, в которых он обнаружил, что существует стекляное и смоляное электричество. Главная особенность этих двух электричеств: отталкивать однородное с ним и притягивать противоположное.

В 1777 году известный американский физик, и политический деятель Бенджамин Франклин предложил понятия положительного и отрицательного заряда электричества. Результаты своих опытов он обобщил и их главную суть сформулировал следующим образом.

1. Электрическая субстанция состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она способна проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы, с большой легкостью и свободой, не встречая при этом заметного сопротивления.

2. Частицы электрической субстанции взаимно отталкивают друг друга, но они сильно притягиваются всей прочей материей.

3. Обыкновенная материя содержит (как правило) столько электрической субстанции, сколько она может заключать в себе. Если прибавить ей еще этой субстанции, то она разместится на поверхности и образует то, что мы называем электрической атмосферой; в этом случае говорят, что предмет наэлектризован.

Франклин писал: “Чтобы электризовать плюс или минус, требуется знать лишь только то, что части трубки или шара, которые натираются, притягивают в момент трения электрический огонь и, значит, забирают его из предмета, которым производится натирание; эти же самые части, как только прекратится их натирание, стремятся отдать полученный ими огонь любому предмету с меньшим его количеством”.

В России подобными экспериментами занимались Георг Вильгелм Рихман и Михаил Васильевич Ломоносов, результаты их исследований начали публиковаться Петербургской академией наук в 1751г.

Современные учебники по физике формируют представление о положительных и отрицательных электрических зарядах. При этом одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Считается, что шерсть, мех, стекло, горный хрусталь и драгоценные камни имеют избыток положительных зарядов, а янтарь, смолы, сургуч, воск, сера, резина и пластмассы – отрицательных.

Угол отклонения лепестков электроскопа возрастает после нескольких касаний шарика электроскопа стеклянной палочкой (рис. 1, а). Считается, что это является следствием увеличения положительного заряда.

При скольжении о шарик электроскопа пластмассовой палочки его лепестки также отклоняются (рис. 1, b). Считается, что в результате этого электроскоп заряжается отрицательно. Если после этого прикоснуться шарика электроскопа, заряженного отрицательно (рис. 1, b), стеклянной палочкой, то отклонение стрелки электроскопа уменьшится. Что интерпретируется, как уменьшение отрицательного заряда электричества.



Рис. 1. Зарядка электроскопов
Ниже текст из школьного учебника «Физика и химия» [1].

Итак, в головы учеников 5-го класса закладывается информация о том, что положительные заряды электричества формируются протонами, а отрицательные - электронами. Причём, и те, и другие одинаково отклоняют лепестки электроскопа, так как заряжают их одноимёнными электрическими зарядами, которые отталкиваются друг от друга.

Следующий эксперимент показывает процесс разрядки заряженного электроскопа на незаряженный (рис. 2).


Рис. 2. Выравнивание электрических потенциалов на двух электроскопах
Опыт проводят следующим образом. С помощью палочки заряжают левый электроскоп до максимального отклонения стрелки, а правый оставляют незаряженным. Затем соединяют шары диполем с неоновой лампой и наблюдают, как показания стрелки левого электроскопа уменьшаются, а правого увеличиваются и одновременно загорается неоновая лампочка. Свечение лампы прекращается, когда показания стрелок обоих электроскопов становятся одинаковыми [2]. Жаль, конечно, что авторы, описавшие этот эксперимент, не сообщают, какой палочкой они заряжали электроскоп? Стеклянной или пластмассовой? Ведь стеклянная палочка заряжает электроскоп положительно, то есть, как считается избытком протонов, а пластмассовая - отрицательно, то есть избытком электронов. Если знак электрического заряда в этом эксперименте не имеет значения, то возникают серьёзные сомнения в правильности его интерпретации.

Конечно, авторы указанного пособия для учителей, описавшие этот эксперимент, не владели в то время информацией, согласно которой соседство протонов и электронов автоматически заканчивается формированием атомов водорода, которые существуют лишь в плазменном состоянии при температуре более 5000 град. (рис. 3). Из этого автоматически следует невозможность присутствия в проводах свободных протонов и электронов одновременно. Ведь все протоны расположены в ядрах атомов и лишь один из них может оказаться свободным. Это протон атома водорода. Происходит это в электролитических растворах. Причём время жизни свободного протона атома водорода в этом случае предельно мало. В твёрдых телах, в том числе и в проводниках электричества, нет, и быть не может свободных протонов, так как они немедленно синтезируют атомы водорода (рис. 3), соединяясь со свободными электронами.

Рис. 3. Схема модели атома водорода: - электрон, - протон
Обратим внимание на геометрические размеры атома водорода в невозбуждённом состоянии. Если размер протона принять равным одному миллиметру, то размер электрона будет около метра, а размер всего атома – около 100 метров. Очень гибкая структура, но в свободном состоянии существует лишь в виде плазмы с температурой от 2700 до, по некоторым данным, 10000 град.

Итак, положительные и отрицательные заряды электричества в явлениях электростатики – глубочайшая многовековая ошибка физиков. Многие из них уже признают, что носителями электричества в проводах являются только электроны. Но боятся найти причины противоречий в электростатике, которые возникают при этом. Решение возникшей задачи облегчает уже известная модель электрона (рис. 4). Это полый вращающийся тор, формированием электрического и магнитного полей которого управляют 23 константы. Совокупность имеющейся информации даёт основание представить электрон с совокупностью его магнитных и электрических полей в виде яблока. Оно имеет почти сферическое электрическое поле, а его магнитное поле подобно магнитному полю стержневого магнита, на одном конце которого южный магнитный полюс S, а на другом – северный N (рис. 4).

Рис. 4. Модель электрона

(показана лишь часть магнитных силовых линий)

Рис. 5. Кластер электронов

Вполне естественно, что разноимённые магнитные полюса электронов могут сближать их, а одноимённые электрические заряды – ограничивать это сближение. В результате формируются кластеры электронов, на одном конце которых южный S магнитный полюс, а на другом северный N (рис. 5). Поскольку максимальная напряженность магнитных полей электронов формируется вдоль их осей вращения, то, соединяясь разноимёнными магнитными полюсами, они формируют линейные кластеры. Конечно, кластеры электронов могут разрываться и вновь формироваться, и искры, возникающие при причёсывании волос, при снятии нейлоновой рубашки или включении кремниевой зажигалки, свидетельствуют об этом. Таким образом, одни тела могут заряжаться кластерами электронов так, что их южные магнитные поля оказываются на поверхности тела, и мы воспринимает их, как положительные заряды электричества. Другие тела заряжаются кластерами электронов таким образом, что на поверхности оказываются их северные магнитные полюса, и мы воспринимаем их, как отрицательные электрические заряды. Носитель электрического заряда один - электрон, но у него два магнитных полюса: северный и южный.

Наиболее убедительным экспериментальным фактом, подтверждающим описанное, является формирование так называемых электростатических султанов (рис. 6) [2]. Лепестки и положительно и отрицательно заряженных султанов расходятся в стороны под действием электростатических сил электронов и электронных кластеров, располагающихся вдоль лепестков (рис. 6, а). Поскольку присутствие на лепестках свободных протонов полностью исключается, то на их положительно и отрицательно заряженных концах образуются не разноимённые электрические заряды, а разноимённые магнитные полюса электронных кластеров. Они и формируют картины деформации лепестков при сближении султанов (рис. 6, b и с). Это ж ведь легко проверить с помощью магнитов. Надеемся, что наши читатели сделают это и сообщат нам результат.

Рис. 6. Демонстрация электрических султанов
Итак, электронные кластеры закрывают проблемы электростатики, но они открывают новые проблемы и главная из них: почему электронные кластеры формируют на поверхности одних тел северные магнитные полюса, а на поверхности других южные?

Ответ на этот вопрос скрыт очень глубоко, в структурах ядер химических веществ, из которых состоят тела. Там начало формирования магнитных полярностей всех электронов атомов, молекул и их кластеров. Попытаемся прояснить эту ситуацию путём анализа структур ядер кремния – основного химического элемента стекла.

Кремний – четырнадцатый элемент в таблице химических элементов. Его стабильное ядро (таких ядер 92,23%) содержит 14 протонов и 14 нейтронов (рис. 6). Поскольку кремний входит в четвертую группу периодической таблицы химических элементов вместе с углеродом, то ядро атома углерода должно быть в структуре ядра атома кремния. Причем, оно может быть представлено двумя видами: плоским (рис. 6, а) и пространственным (рис. 6, b).



а) b)

Рис. 6. Структура ядра атома кремния

(темные и серые нейтроны, светлые протоны)

Количество ядер атомов кремния с одним лишним нейтроном составляет 4,67%, а с двумя лишними нейтронами – 3,10%. Один лишний нейтрон располагается в нижней осевой части ядра между центральным нейтроном и нижним протоном. Второй лишний нейтрон располагается, видимо, между верхним протоном на оси ядра и ядром атома углерода [3].

Если стекло формируют пространственные ядра кремния (рис. 6, b), то электроны, присоединяющиеся к осевым протонам, автоматически получают разную магнитную полярность. Выходя на поверхность тела, они и формируют эту полярность на микро уровне. Вполне естественно, что свободные электроны или электронные кластеры, присоединившиеся к поверхностным электронам стекла, будут иметь одинаковую поверхностную магнитную полярность, которую мы отождествляем с определённым электрическим зарядом.

Другие тела могут иметь на поверхности электроны с другими магнитными полюсами, но это не будет мешать электронным кластерам присоединяться к ним противоположными магнитными полюсами. В результате заряд оказывается один, но с двумя магнитными полюсами, которые ошибочно отождествлялись с положительным зарядом (протоном) и отрицательным (электроном).

Как видим, человечеству потребовалось около 300 лет, чтобы понять истинный физический смысл положительных и отрицательных зарядов электричества, введённых нашими предками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Читатель, прочитавший эту краткую научную информацию, поймёт, что продолжение преподавания старой электростатики школьникам и студентам недопустимо, так как это калечит их интеллектуальный потенциал.
Литература

1. Гуревич А.Е., Исаев Д.А., Понтак Л.С. Физика и химия. Учебник для 5-6 классов. «Дрофа». М. 2007. 192 с.

2. Шахмаев Н.М., Каменецкий С.Е. Демонстрационные эксперименты по электричеству. М. «Учпедгиз». 1963г. 307 с.

3. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. 12-е издание. Том I. Краснодар 2009. 687 с. http://kubagro.ru/science/prof.php?kanarev