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只是思维定势使然!
1原子、电子及自由电子
1.1原子与电子
我们都知道,所有的物体都由一种我们叫做原子的微粒组成,但是,原子并不是物质的最小微粒,原子还有它自身的结构——它由一个带正电的原子核与带负电的电子构成,而且电子总在无时无刻地绕着原子核高速的转动,除此之外,我们还知道,原子核所带的电量与所有核外电子的带电总量,这使整个原子乃至原子组成的整个物体保持电中性。
可是,又有谁知道,由于不同原子的原子核的大小不同,导致了核外电子运动空间大小也有所区别。
有的原子核很小,其电性子密度梯度虚体部分空间相对而言则很大,这部分空间就是原子核外层电子运动的环境空间,正因为原子核很小,所以,核外电子在运动时则尽可能占据了电性子密度梯度较大的空间位置,也就尽可能靠向原子核,当所有核外电子分布完运动轨道半径之后,很可能会出现最外层电子的轨道半径大小小于原子核阳性子密度梯度虚体部分的半径大小。
在这种情况下,由于电子的运动轨道半径很小,故电子的运动速度很大,其运动频率也很大,而且更重要的是由于原子核阳性子密度梯度部分的半径大于核外最外层电子的运动半径,使本来电中性的原子呈现出微弱的正电性质。
当然,原子核的阳性子密度梯度空间半径小于核外最外层电子的运动半径的原子则呈弱负电性;
原子核的阳性子密度梯度空间半径小于核外最外层电子的运动半径的原子则呈完全的电中性。
原子核对核外最外层电子的束缚能力,其实也就是取决于原子核的阳性子密度梯度空间的半径与核外最外层电子的运动轨道半径的大小,因为很明显的,当原子核阳性子密度梯度空间半径大于电子轨道半径时,说明电子深深陷入原子核的束缚环境之中,故这种原子对其核外电子的束缚能力是最强的,不但如此,如果物体上有多余的电子也很容易落入这种原子的阳性子密度梯度环境中,故这种原子容易得到电子而显负电。
相反,当原子核阳性子密度梯度空间半径小于电子轨道半径时,说明原子核阳性子密度梯度空间已经容纳不下最外层电子,只好把它安排在密度梯度环境之外,故这种原子对其最外层电子的束缚能力是非常弱小,而且很有失去这个最外层电子的可能。
尽管各种原子对其最外层电子的束缚能力不同,但是,在条件不满足的情况下,所有原子的核外电子都在绕着原子核高速的运动着,并没有脱离了原子核,并游离在原子核之外的自由电子。
1.2自由电子
“自由电子”的概念,在经典物理学中已有一百多年的使用历史,经典物理学认为导体之所以能够导电,是因为导体中具有大量自由电子的缘故。
自从笔者研究暗物质以来,从第一篇论文《电源论》开始,就认为导体中并没有自由电子,导体中所有原子的核外电子都在绕着其原子核高速的转动,所有的电子都没有能够摆脱原子核虚体环境的束缚,所有的原子都呈电中性,尽管各种不同的原子可能表现为弱正电性也可能表现为弱负电性。
导体中要形成电流,必须首先使原子核外电子能够摆脱原子核的束缚,来到原子核电性子密度梯度范围之外的空间区域,成为真正自由的电子,这是电流形成的必备条件。
电流,就是电荷的定向移动,电子摆脱原子核的束缚之后的运动状态取决于什么因素?
怎样才能使这些自由电子都朝着同一个方向运动?
这里我们明确了我们要研究的项目就是创造怎样条件使摆脱原子核束缚后的自由电子朝同一个方向运动,而这个条件实际就要提供怎样环境,自由电子运动的环境,使所有的自由电子产生相同方向的属性运动的环境。
这也就是说,我们研究物体的运动,不但要把物体列入被研究对象,而且要把物体所在的或者运动的环境列入被研究的对象,只有这样,我们才能全方面把握物体与环境、运动的变化与环境等诸多因素之间的关系。
笔者通过系列的研究发现,能够有效地使原子核外最外层电子摆脱原子核束缚的外界不平衡的环境是电压分配电场或库仑电场,它们的实质都是电性子密度梯度。
只要金属物体内有外加的电性子密度梯度,而且这个外加的电性子密度梯度大于或等于原子核在最外层的阳性子密度梯度,那么,最外层电子就可以顺利摆脱原子核的束缚,这才使原来束缚态的电子变为真正的自由电子。
如果这个外加的电性子密度梯度的方向总是确定的,那么,束缚态的电子成为自由电子之后,也就理所当然地在它的方向上发生相应的属性加速运动,所有的自由电子的运动方向都与外加电性子密度梯度方向相同,即它们的运动是定向的移动,这时电流便形成了。
所以,产生电流的主要问题集中在如何在金属导体中获得这个外加的电性子密度梯度?
众所周知,只要是电荷,其周围就存在有电性子密度梯度场,但是,电荷的库仑电场并不能在导体内稳定的电性子密度梯度,而是随着瞬间电流的发生之后,导体内部的电性子密度梯度随之减小,直到不能再使电子克服原子核的束缚,故电荷的库仑电场不能在导体内部形成持续的电流,这不是我们想要的电性子密度梯度场。
我们要想得到的电性子密度梯度场,应该具有这样一个特征,当它加在某段金属导体上时,导体内部形成的是稳定的,不随时间变化的电性子密度梯度,故导体两端的电性子密度差也是一个稳定不变的数值。
对于电路中的每一个导电的导体而言,也是如此,这也就是说,所谓电压分配电场,它产生的电性子密度差是恒定的,当它加在一定的电路中,它就会在电路的导体内部形成一定的电性子密度梯度,只是随着电路长度的改变,电性子密度梯度随之发生相应的变化。
但是,不管电路总长度如何,对于某一个具体的金属导体,只要电路结构一旦确定,导体内部的电性子密度梯度也就确定,导体两端的电性子密度差也随之确定。
满足以上特征的电性子密度梯度场,笔者称之为电压分配电场。
电压分配电场稳定的电性子密度差值对应的电势差就是电动势,某个导体两端的电性子密度差则是电压,能够形成电压分配电场的装置我们称之为电源。
2电源的电动势
关于电源电动势的产生,笔者在《电源论》等文章中虽有论述,可是,笔者一直以来还是认为那些论述的对象只是个别特殊的电源,缺乏普通性,本文所论述的,就是比较普遍的电动势产生的基本原理。
2.1汤姆逊电动势与珀耳帖电动势
当一根金属导体棒上存在温度梯度或者棒的两端存在温度差时,金属棒的两端产生的电动势,这个电动势就是汤姆逊电动势。
当两根不同种金属导体相接触时,在它们的接触面之间也存在一个电动势,这个电动势就是珀耳帖电动势。
汤姆逊电动势与珀耳帖电动势的形成原理非常相似,都是因为物体各处原子的原子核对最外层电子的束缚能力的不同而产生的,它们所不同的是使原子核对电子束缚能力不同的原因。
对于同种原子的金属棒,由于原子核大小相同,原子核带正电量相同,故原子核的阳性子密度梯度区域半径大小也相同,在同一温度下,这些原子的核外最外层电子的运动轨道半径相同。
所有这些情况,决定了整个金属导体内任何一处的原子外层空间的电性子分布是完全相同的,即没有电性子密度梯度的存在。
如果环境一旦有所改变,情况就不太一样了,比如同种原子的金属棒上存在温度梯度。
温度升高,原子最外层电子的运动轨道半径增大,而原子核阳性子密度梯度区域半径却不变,电子轨道的外移使高温度端原子核外的阴性子密度增大。
于是可知,金属导体高温端的阴性子密度大于低温端,即在金属导体内部已经产生了电性子密度梯度。
这种电性子密度梯度由电子的电性子密度产生,故在电路没有形成之前,它不能使电子本身摆脱原子的束缚而成为自由电子,它只能使导体周围空间的电性子发生定向运动,阴性子将从金属导体的高温端向着低温端运动,阳性子则相反,于是,在金属导体两端便分别形成了阴阳电性子聚集,产生了电性子密度差,这就是温差电动势即汤姆逊电动势的形成原理。
再如,如果有两根不同的金属相接触,那么,即使在相同的温度下,由于相接触的原子不同,不同的原子就可能存在原子核的大小不同、原子核阳性子密度梯度空间半径大小不同、最外层电子的轨道半径不同,以上情况的不同就可能造就了原子核外层的电性子的性质或密度的不同,即在两种金属接触面的两侧,可能存在着这样情况,一侧的原子外层空间呈现微弱的阴性子密度,另一侧则呈现微弱的阳性子密度,或者这两侧的电性子性质是相同的,都是阴性子,只是一侧的密度高于另一侧。
于是,这就造成了金属接触面两侧的电性子密度差,同样地使周围空间的电性子发生了定向的扩散运动,在金属导体两端产生了电性子密度差,这就是金属接触电动势即珀耳帖电动势形成的原理。
2.2化学原电池电动势
我们知道,虽然具有温度差的金属导体两端可以产生汤姆逊电动势,但是,这并不意味着只要我们在这样的导体两端接上连接导体构成闭合回路,就会有电流流通了。
因为当我们所接的导体是与先前产生温差电动势的导体是同种原子构成的,那么,金属导体在接入之后,同样具有了与先前一根导体完全相同的温度差或者温度梯度,在这根金属导体两端也同样地产生了相同大小的电性子密度差,这已经相当于两个相同的电源以并联状态连接,根本没有电流产生。
如果与先前具有温度差的金属导体相连接的导体是另一种金属,情况又不一样了。
这时,虽然两根金属导体上都存在温度差,都有汤姆逊电动势,而且两个电动势方向相反,但是,这两个电动势的大小可能不同,即它们相当于两个电动势不同的电源处于反接供电状态,它们的总电动势等于两个电动势的差,方向与较大的一个相同。
除此之外,这两个导体具有两个接触面,在接触面会产生珀耳帖电动势,但是,这两个珀耳帖电动势大小几乎相等,方向相反,它们的和为零。
也就是说,在整个电路中的总电动势值是一个不等于零的数值,于是,它在整个电路中进行分配,形成电压分配电场。
电压分配电场虽然是因原子核外电子的运动半径不同而引起的,但是,它最终形成了一种原子核与核外电子之外的电性子密度梯度,形成了一个核外电子存在与运动的环境,在这样的环境中,原子最外层电子摆脱了原子核虚体环境的束缚,并在这个环境中向着密度梯度方向发生应有属性运动,形成电流。
写到这里为止,也许很多人会说,这明明是论述温差热电偶的电流产生的情况,为什么放到化学原电池电动势一节中?
原因很简单,因为笔者认为,化学原电池的电动势的实质与热电偶电动势的形成非常相似,不但相似,化学原电池电动势的本质就是不同物体间的接触电动势。
我们知道,在化学原电池中,形成接触面的物质至少有四处,甚至更多。
但是,笔者认为,对于原电池电动势起决定作用的接触面只有两处——那就两根金属棒与液体接触的两处。
笔者认为,液体并不是一种特殊的物体,它之所以特殊,是因为它的流动性引起,其它的性质基本上与固体一致,特别是原子的结构方面,液体原子与固体原子的结构是完全一致的,所不同的只是原子最外层电子在原子外层空间形成的电性子密度的不同。
由于液体的主要成份是非金属化合物,非金属原子的原子核本来就非常小,其最外层电子的运动轨道半径也非常小,在非常金属原子外层空间的电性子成份以阳性子为主,使非金属单质原子通常呈现比较明显的正电性质。
当非金属与非金属发生化学反应,这些化学反应通常都是放热的反应,而在放热的化学反应之后生成的液体,原子核外的最外层电子将落入原子核最深的轨道中,其运动半径将更小(关于化学反应的放热与吸热,笔者将在《论化学能与反应热的实质》一文中论述),即在化学反应后,液体分子的外层空间的阳性子密度更为显著,其正电性质也更为明显,这恰好与金属原子相反。
如果在液体中放入一块金属导体,这当然会出现与两块金属相接触完全一样的情况,在液体与金属的接触面上出现了接触电动势,由于金属原子表面呈阴性子分布,而液体分子表面则呈阳性子分布,所以,阴性子将从金属一端向液体一端扩散,形成以金属为正极的电动势。
但是,与汤姆逊或珀耳帖效应一样,有电动势未必有电流,故,为了产生电流,我们有必要象热电偶一样,再在液体中插入另一根不同的金属导体,使这根导体与液体接触产生的接触电动势与先前一根产生的数值不相等,于是在液体外面的两根导体的端部就出现总的电动势,这就是化学原电池电动势。
例如,拿铜与锌作比较,虽然铜与锌原子外层空间都呈阴性子密度,但是,由于铜原子没有锌原子活泼,即锌原子核对最外层电子的束缚能力比铜原子弱,或者就最外层电子的轨道半径与其原子核阳性子密度梯度空间半径而言,锌原子比铜原子的最外层电子更原子核的阳性子密度梯度空间的外部,因此,铜原子外部空间的阴性子密度比锌原子的小。
一旦把铜块与锌块插入同一液体中,由于接触,两块金属空间的阴性子都将向液体内发生扩散运动,扩散的结果使铜块在液体外一端的阴性子密度值比锌块一端的更小,从阳性子来看,则是铜块的阳性子密度大于锌,即在铜块的一端将形成原电池的正极,锌块的一端形成负极。
2.3磁场中运动的导体
关于磁场及磁场中运动的导体产生的电动势等问题,笔者已在诸多文章中有详细的论述。
磁场的实质,是电性子速度旋度的空间区域,也称为电性子环境角速度的空间区域。
如果有某物体在这种区域中运动,则物体体内的电荷将存在环境属性运动势
,所谓属性运动势,电荷只在该方向具有运动趋势,而不会发生真正的速度大小变化加速运动,但是,尽管如此,电荷周围自由态的电性子则将发生定向偏移,阳性子朝着属性运动势的方向,阴性子则朝着反方向,使电荷两侧出现电性子密度差,在导体两端更是出现了更大电性子密度差。
这就是磁场中运动的导体产生的电动势。
2.4变化的磁场中的导体
变化的磁场,凡是认真阅读过笔者论文的读者都知道,它的实质就空间同一位置的电性子反抗振源速度矢量的时间变化率,这也是一种场,笔者称之为林氏电场。
在这种场中,电荷同样也只具有向速度矢量时间变化率的方向运动的趋势,而不会发生真正意义速度增大的加速运动,也同样的,虽然电荷不会发生属性运动,但是,电荷周围的自由态电性子却在速度变化率的方向上发生移动,在电荷两端表面在宏观导体两端出现了电性子密度差。
这就是变化磁场中导体的电动势。
综上所述,所有电源的电动势都是因某种不平衡因素引起,在导体两端产生的电性子密度分布的不平衡。
完稿于2005年12月30日星期五
3参考文献
[1]林海兵《电源论》暗物质物理理论体系网站
[2]林海兵《电源论(三)》暗物质物理理论体系网站
[3]林海兵《电源论(三)》暗物质物理理论体系网站
[4]林海兵《论电源内部的电场》暗物质物理理论体系网站
[5]林海兵《论电源电动势及电流的形成》
[6]林海兵《论汤姆逊电势与珀耳帖接触电势的形成》
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