В первой части мы выяснили важную вещь: вихревое магнитное поле вокруг проводника с током определяется степенью ориентации электронов по вектору скорости. А степень ориентации зависит ОТ УСКОРЕНИЯ электронов. Но парадокс в том, что величина тока
остается пропорциональной скорости. Как это можно соединить? Логика неумолима: это возможно в единственном варианте, когда равноускоренное движение электронов сохраняется лишь на коротких участках b пути. Тогда среднее значение скорости окажется пропорциональным ускорению. На рис.2 показан график скорости такого движения.
Рис.2. Характер изменения скорости электронов в проводниках.
Для того,чтобы ток оставался пропорциональным скорости, необходимо, чтобы отрезки b были малы и равномерны. Малейшая неравномерность отрезков ведет к нелинейности отдаваемой энергии mv^2/2. Тогда потенциалы в проводнике окажутся неравномерными, что неизбежно приведет к локальному перегреву проводника. Итак, мы получаем еще одно условие, чтобы назвать среду электрическим проводником - равномерность распределения потенциалов. В металлах это условие выполняется автоматически за счет строгой периодичности кристаллической решетки. А в диэлектриках?
Да, конденсаторная бумага не может считаться равномерной по структуре. А вот синтетические пленки и окислы равномерны, по крайней мере на макроуровне. Следовательно, условие равномерности недостаточное. Есть ещё какой-то фактор, более надежно сортирующий материалы по проводимости. Давайте взглянем на рисунок молнии.
Рис.3. Стохастический путь разряда молнии.
Ничего не напоминает? -Утеря первичной направленности и поиск наилучшей ветви проводимости. - Вот пример неравномерного распределения потенциалов. И вот он- дополнительный признак- поле энергии частиц, находящихся на пути электронов. Именно энергия поля частиц (включая атомы и молекулы) определяет результирующий потенциал поля
. Тогда для атомной линейки проводимости в металле картина полей энергии будет такой, как показано на рисунке 4.
Рис.4. Поля энергии атомов в металлах.
Если просуммировать действие полей, то характер суммарного поля сохранится, но нижняя граница станет выше. Обозначим этот минимум (порог) через Еп (рис.5).
Рис.5. Суммарное межатомное поле энергии в металлах.
Вот его-то электроны и должны преодолевать. Здесь присутствует одна тонкость: энергия, затраченная на преодоление барьера, потом возвращается электрону, но для преодоления первого препятствия надо получить энергию извне (рис.6).
Рис.6. Образ скейтборда для преодоления энергетического барьера.
Тогда возвращенная энергия будет затрачиваться на следующий подъем и т.д., повышая энергию строго НА РАВНЫЕ приращения dE. И поэтому потенциал проводника изменяется строго пропорционально по его длине. Именно это недостижимо в диэлектриках.
Вы спросите"почему?"- ведь современная физика дает нам правило нахождения напряженности в диэлектриках как отношение приложенного напряжения к толщине диэлектрика
. Но это одно из серьезнейших заблуждений, т.к. в отсутствии тока потенциал атома остается неизменным (фиг. слева на рис.4). И напряженность спадающего поля энергии равна нескольким миллионам Вольт/метр. Повышением приложенного напряжения можно преодолеть такой барьер, но тогда огромная возвращаемая энергия так разгонит электрон, что наступает 100%-я вероятность столкновения с атомами и молекулами. Выделяемая огромная энергия локально выжигает фрагмент среды. Это и является электрическим пробоем диэлектрика, когда лавинное нарастание тока ведет к выгоранию малых участков пути. Вы легко можете убедиться, что пример с молнией уместен- и характер петляний пробойных токов, и конечный эффект одинаковы.Таким образом, диэлектрики - это класс материалов, характеризующихся большим межатомным расстоянием и сильными атомными (молекулярными) полями. Атомные поля в металлах на 2 порядка ниже, что объясняется сильной межатомной связью. Так, например, энергия свободного атома железа имеет порядок Е-17 Дж, а энергия связанных атомов ~ Е-19 Дж. Разность между этими значениями израсходована на взаимное притяжение атомов.
