Термоэлектрические свойства

Как говорилось в главе 9, эквивалентное пространство, в котором происходит температурное движение атомов материи, содержит концентрацию электронов, величина которой, в первом примере, определяется коэффициентами, не зависящими от температурного движения. В температурном процессе атомы движутся в пространстве электрона и в эквивалентном пространстве продолжений. Если итоговое временное смещение атомов материи создает временной континуум, в котором могут двигаться электроны (единицы пространства), часть атомного движения сообщается электронам. Следовательно, температурное движение в регионе времени постепенно приходит к равновесию между движением материи в пространстве и движением пространства (электронами) в материи.

Особо следует подчеркнуть, что движение электронов в материи является частью температурного движения, а не чем-то отдельным. Масса m достигает температуры T, когда действующая энергия температурного движения достигает соответствующего уровня. С этой точки зрения неважно, является ли энергия движением массы в эквивалентном пространстве, движением пространства (электронов) в материи или комбинацией обоих. В предыдущих обсуждениях гипотезы о том, что теплопроводность в металлах возникает за счет движения электронов, выдвигалось следующее возражение. Отсутствует указание на любое приращение удельной теплоты, возникающее из-за температурной энергии электронов. Развитие теории Обратной Системы обеспечивает не только прочную теоретическую основу для того, что ранее было не более чем гипотезой (электронная природа процесса проводимости), но и отвечает на это возражение. Движение электронов не влияет на удельную теплоту потому, что оно не прибавляется к температурному движению атомов; это неотъемлемая часть комбинации движения, определяющая величину удельной теплоты.

Поскольку коэффициенты, определяющие выхватывание электрона из окружающей среды и его исчезновение, не зависят от природы материи и количества температурного движения, равновесная концентрация одинакова в любом изолированном проводнике, не взирая на материал, из которого сделан проводник, температуру или давление. Однако все эти факторы входят в определение температурной энергии на электрон. Подобно тому, как давление газа в закрытом контейнере зависит от числа молекул и средней энергии на молекулу, электрическое напряжение в изолированном проводнике определяется числом электронов и средней энергией на электрон. В таком изолированном проводнике концентрация электронов постоянна. Следовательно, электрическое напряжение пропорционально температурной энергии на электрон.

Уровень энергии, при котором электроны пребывают в температурном равновесии с атомами проводника, зависит от материала, из которого сделан проводник. Если два проводника разного состава, скажем, меди и цинка, входят в контакт, разница уровня энергии электрона будет проявляться как разность напряжений. Электроны будут течь от проводника с более высоким (более отрицательным) напряжением, цинка, к меди до тех пор, пока достаточное число электронов преобразуется для приведения двух проводников к одному и тому же напряжению. Тогда существует равновесие между меньшим числом электронов с относительно высокой энергией в цинке и большим числом электронов с относительно низкой энергией в меди.

В этом примере допускается, что напряжению в проводниках позволяется достигать равновесия. Более интересные и значимые эффекты создаются тогда, когда равновесие не устанавливается. Например, постоянный ток может проходить через два проводника. Если поток электронов течет от цинка к меди, электроны покидают цинк с относительно высоким напряжением, превалирующим в этом проводнике. В данном случае низкое напряжение электронов в медном проводнике не может уравновешиваться увеличением концентрации электронов, поскольку все электроны, входящие в медь при условиях устойчивого потока, проходят сквозь него. Следовательно, в процессе приспособления к новому окружению входящие электроны теряют часть содержащейся в них энергии. Разница проявляется как теплота, и температура вблизи соединения цинк-медь повышается. Если отрезок рассматриваемого проводника является частью цепи, в которой электроны возвращаются к цинку, процесс превращается в соединение медь-цинк. Здесь уровень энергии входящих электронов повышается для приспособления к более высокому напряжению цинка, и для обеспечения приращения энергии электронов поглощается тепло из окружающей среды. Этот феномен известен как эффект Пелтиера.

В эффекте Пелтиера течение тока создает разницу между температурами в двух соединениях. Эффект Сибека – это обратный процесс. Здесь разница температуры между двумя соединениями вынуждает ток течь по цепи. В нагретом соединении увеличение температурной энергии повышает напряжение проводника с высокой энергией, цинка, больше, чем напряжение проводника с низкой энергией, медь. Потому что размер приращения пропорционален общей энергии. Следовательно, ток течет от цинка к меди, к соединению с низкой температурой. Результат такого соединения аналогичен эффекту Пелтиера. Таким образом, итоговый результат – передача тепла от горячего соединения к холодному.

В обсуждении в данном томе термин “электрический ток” относится к движению незаряженных электронов по проводникам, а термин “более высокое напряжение” относится к большей силе t/s², возникающей за счет большей концентрации электронов или эквиваленту большей энергии на электрон. Этот поток электронов противоположен традиционно приписываемому и сомнительному “направлению потока тока”, используемому в большей части литературы об электрическом токе. Сначала открытия данной работы выражались в привычных терминах, хотя в некоторых случаях открытия предлагают улучшение терминологии. Однако в настоящем примере не представляется, что любая полезная цель служила бы введению неуместной ошибки в объяснение, основной целью которого является прояснение отношений, запутанных в результате ошибок другого вида.

Третий термоэлектрический феномен – эффект Томсона, который возникает тогда, когда ток течет через проводник с существующим температурным градиентом. Результат – передача тепла либо с градиентом температуры, либо вопреки ему. Здесь энергия электронов в теплой секции проводника либо больше, либо меньше, чем в холодной секции, в зависимости от термоэлектрических характеристик материала проводника. Давайте рассмотрим случай, когда энергия больше в теплой секции. Электроны, пребывающие в температурном равновесии с температурно движущейся материей в этой секции, обладают относительно высоким содержанием энергии. Эти энергетические электроны переносятся потоком тока в холодную секцию проводника. Здесь им приходится терять энергию, чтобы прийти к температурному равновесию с относительно холодной материей проводника, поэтому они отдают тепло окружающей среде. Если ток переворачивается, низкоэнергетические электроны из холодной секции проводника текут в теплую секцию, где для достижения равновесия поглощают энергию из окружающей среды. Оба процесса работают поочередно, если материал проводника принадлежит к классу веществ, у которых действующее напряжение уменьшается при повышении температуры. Также имеются вещества, у которых реакция напряжения на приращение температуры меняет направление на определенном уровне температуры. Когда имеет место изменение такого вида, происходит аналогичный переворот эффекта Томсона.

Количественная мера способности создавать термоэлектрические эффекты – это термоэлектрическая мощность разных проводящих материалов. Это электрическое напряжение, выраженное либо относительно эталонного вещества, обычно свинца, либо как абсолютная величина, измеренная в проводящем материале. Ни теоретическое изучение, ни экспериментальные измерения недостаточно продвинуты для того, чтобы выполнить количественное сравнение теории с экспериментальными результатами, но из теоретических допущений можно вывести некоторые общие соображения, включаемые в количественное определение.

Основное различие между температурным движением электронов и движением атомов в материи состоит в положении начального уровня или нулевой точки. Нуль для температурного движения атомов – это состояние равновесия, в котором атом стационарен в трехмерной координатной системе отсчета, потому что движение, придаваемое атому последовательностью естественной системы отсчета, уравновешивается противоположно направленным гравитационным движением. С другой стороны, нуль для температурного движения электронов, величина движения электронов при отсутствии температурного движения, - это натуральный нуль, который в контексте стационарной системы отсчета является единицей скорости, скоростью света. Мера энергии движения электрона в материи – это отклонение скорости вверх или вниз от единичного уровня.

Совпадение нулевых уровней энергии положительного и отрицательного движения электронов объясняет, почему термоэлектрический эффект является последовательным феноменом, в котором нулевой уровень – это просто точка в непрерывной последовательности величин, а не прерывистым феноменом, таким как сопротивление потоку тока. Разница между малой скоростью положительного электрона и малой скоростью отрицательного электрона относительно мала и пребывает в пределах того, что может достигаться изменением условий, которому подвергается проводник. Следовательно, изменение условий может переворачивать движение. Но вещество, являющееся проводником в одной области температуры или давления, не становится изолятором в другой области, поскольку положительный нуль эквивалентен отрицательной бесконечности, а не отрицательному нулю. И, как следствие, в применении к атомному движению, между малой положительной температурной скоростью и малой отрицательной скоростью имеется огромный промежуток.

Положительный или отрицательный статус движения электронов определяется положением, которое взаимодействующий атом занимает в своей группе вращения, так же как и действующее электрическое смещение атома. Каждая из групп вращения состоит из двух делений, положительных с точки зрения атома, за которыми следуют два отрицательных деления. Но поскольку электрон – это единичная вращающаяся система, а не двойная система атомного типа, в применении к электрону разные подразделения атомных серий уменьшаются на половину размера. Поэтому в электронных процессах перевороты от положительного к отрицательному происходят на границе каждого деления, а не каждую секунду.

Определение каждого элемента как положительного или отрицательного с термоэлектрической точки зрения обязательно подвергается некоторым оценкам, поскольку, как уже упоминалось, некоторые элементы положительные в одной температурной области и отрицательные в другой. Разумно хорошая проверка теоретических выводов может осуществляться посредством сравнения знака термоэлектрической мощности, наблюдаемой при 0ºС, со статусом элементов, для которых имеются термоэлектрические данные, доступные в одной из последних подборок. Таблица

27 представляет такое сравнение, опуская элементы Деления I со смещениями 1 и 2.

Таблица 27: Термоэлектрическая мощность

Деление

Причина не включения в таблицу в том, что элементы Деления I каждой группы вращения следуют своему конкретному паттерну. У них фактор, контролирующий термоэлектрическую мощность, - это магнитное смещение вращения, а не электрическое смещение. Из-за единичного вращения электрона область магнитных смещений от 1-1 до 4-4 становится двумя делениями, с переворотом знака на границах. По причинам симметрии внутренний раздел от 2-2 до 3-3 составляет одно деление, в котором смещение одних элементов, натрия, калия и рубидия, обладает отрицательными термоэлектрическими напряжениями. Соответствующие члены внешних групп, литий и цезий, обладают положительными напряжениями. Смещение двух элементов может следовать либо магнитному, либо электрическому паттерну. Один из них, включенный в эталонную таблицу, кальций, обладает тем же отрицательным напряжением, что и его сосед калий, но магний, соответствующий член следующей более низкой группы, принимает положительное напряжение более высоких элементов Деления I.

Рисунок 16: Абсолютная термоэлектрическая мощность – Платина

При теплопроводности

Рисунок 19: Действующая удельная теплота

При теплопроводности

Другой вид отклонения от обычного паттерна, наблюдаемый в кривой для сурьмы, тоже показан на рисунке 19. Здесь начальный уровень первого сегмента – нуль, а не обычная отрицательная величина. Начальный уровень второго сегмента составляет половину величины 2,62. Следовательно, сурьма сочетает два вида вышеупомянутого отклонения.

Как указывалось раньше, еще не определено, входят ли в константу k уравнения 11-1 любые коэффициенты, кроме коэффициента сопротивления. Решение данной проблемы осложняется широкой областью неопределенности в измерениях теплопроводности. Авторы подборок, из которых взяты данные для этой работы, оценили, что величины корректны лишь в пределах 5-10% для большей части температурной области, а некоторые неопределенности доходят до 15%. Однако согласование между нанесенными точками на рисунках 17, 18 и 19 и соответствующими теоретическими кривыми показывает, что большинство данных, представленных на схемах, точнее, чем указывали предыдущие оценки, за исключением величин алюминия в области от 200 до 300ºК.

В любом случае мы находим, что у большинства элементов, включенных в предварительное исследование, эмпирическая величина коэффициента k в уравнении 11-1 и температурный коэффициент сопротивления находятся между 0,14 и 0,18. Также включены самые известные и наиболее изученные элементы, медь, железо, алюминий, серебро и так далее, и область величин k расширяется от 25,8 для серебра до 1,1 для сурьмы. Это позволяет предположить, что при удалении всех нарушающих влияний, таких как влияние загрязнения, эмпирический коэффициент k в уравнении 11-1 можно заменить чисто теоретической величиной k/r, где теоретически выведенная константа перевода k, где-то рядом с 0,15 ватт см² град^-1, делится на теоретически выведенный коэффициент сопротивления.

Влияния загрязнения, ответственные за большую часть неопределенности в ходе измерений теплопроводности, еще более важны при очень низких температурах. По крайней мере, на первый взгляд представляется, что теоретическое развитие указывает на следующее: Теплопроводность должна следовать тому же виду кривой вероятности в области выше нулевой температуры, что и свойства, обсужденные в предыдущих главах. Однако во многих случаях измерения показывают минимум теплопроводности на какой-то очень низкой температуре, с подъемом ниже этого уровня. С другой стороны, некоторые элементы, доступные в крайне чистом состоянии, показывают небольшое влияние этого вида и следуют кривым, похожим на те, с которыми мы сталкивались в той же температурной области во время изучения других свойств. Похоже, это подтверждение общего правила, если больше образцов доступно в достаточно чистом состоянии. Следует отметить, что обычной высокой степени чистоты недостаточно. Как указывают данные авторов подборок, теплопроводности в области очень низкой температуры “высоко чувствительны даже к малым физическим и химическим изменениям образцов”.

Глава 12

Скалярное движение

С самого начала развития теории вселенной движения осознавалось, что базовые движения обязательно скалярные. Это особо подчеркивалось в первом опубликованном описании теории - первом издании (1959 года) Структуры физической вселенной. В публикации 1959 года осознавалось и подчеркивалось, что вращательное движение атомов материи – это одно из основных скалярных движений, следовательно, оно обладает поступательным движением вовнутрь, которое можно определить как гравитацию. Однако на ранних стадиях теоретического развития имелись некоторые вопросы о точном статусе вращения в системе скалярных движений, ввиду того, что вращение обычно воспринимается как направленное, в то время как по определению скалярные величины не имеют направлений. Сначала эта проблема не была важной, но по мере того, как развитие теории распространялось на дополнительные физические области, мы сталкивались с большим числом видов движения. Следовательно, понадобилось прояснить природу скалярного движения. Поэтому было предпринято полномасштабное исследование вопроса, результаты которого опубликованы в 1982 году в книге Упущенные факты науки.

Современная физика не осознает существование скалярного движения. Конечно, движение обычно определяется так, что скалярное движение исключается. Этот вид движения входит в наблюдаемые физические явления довольно ненавязчивым образом, поэтому неудивительно, что долгое время его существование оставалось неосознанным. Таким образом, прошло четверть века прежде, чем оно привлекло внимание научного сообщества в первом опубликованном описании вселенной движения. Трудно понять, почему так много людей не способно осознать наличие нескольких наблюдаемых видов движения, которые не могут быть никакими иными, кроме как скалярными.

Например, астрономы утверждают, что отдаленные галактики движутся радиально наружу друг от друга. Полное значение движения галактик не очевидно при случайном рассмотрении, поскольку мы видим каждую из отдаленных галактик, движущуюся от нашего расположения, и можем поместить каждое из наблюдаемых движений в нашу пространственную систему отсчета так же, как знакомые движения нашего повседневного опыта. Но истинный характер движения становится ясен, когда мы исследуем отношение галактики Млечный Путь к этой системе движений. Хотя мы считаем нашу галактику единственным стационарным объектом во вселенной (допущение, которое защищают некоторые ученые современности), следует осознать, что наша галактика тоже движется от всех других; то есть, она движется во всех направлениях. И поскольку признается, что наша галактика не уникальна, из этого следует, что все широко разделенные галактики движутся наружу во всех направлениях. Такое движение, которое совершается постоянно во всех направлениях, не обладает определенным направлением. Оно целиком и полностью определяется величиной (положительной или отрицательной), а потому является скалярным.

Скрупулезное исследование гравитации показывает, что гравитационное движение похоже на скалярное движение. Оно отличается от движения галактик лишь тем, что является отрицательным (вовнутрь), а не положительным (наружу). Схожесть с движением галактик легко можно видеть, если мы рассматриваем систему притягивающихся объектов, изолированных в пространстве, - группу галактик, расположенных относительно близко друг к другу. Но основе знания влияний гравитации можно сделать вывод, что каждый из объектов будет двигаться вовнутрь, по направлению ко всем другим. И вновь, движение скалярное. Каждый объект движется вовнутрь во всех направлениях.

Мелкомасштабный пример такого вида можно видеть в движении пятен на поверхности расширяющегося воздушного шара, часто использующегося в качестве аналогии теми, кто пытается объяснить природу движений отдаленных галактик. Каждое пятно движется наружу от всех других. Если расширение прекращается и за ним следует сжатие, движения переворачиваются, и каждое пятно движется вовнутрь ко всем другим, как при гравитационном движении.

В случае расширяющегося шара имеется известный физический механизм, вызывающий расширение, и наше понимание этого механизма делает очевидным, что все положения на поверхности шара движутся. Пятна на поверхности не обладают собственным движением. Они просто переносятся движением положений, которые занимают. Согласно мнению астрономов, разбегание отдаленных галактик – тот же вид процесса. Как объясняет Пол Девиес:

“Многие люди (включая некоторых ученых) думают о разбегании галактик как о результате взрыва совокупности материи в существующей до жизни пустоте, с галактиками как фрагментами, разбросанными в пространстве. Это абсолютно неверно. Расширяющаяся вселенная – это не движение галактик в пространстве из какого-то центра, а постоянное расширение пространства”.22

Именно движущиеся положения несут с собой галактики. Но в данном случае, для рассматривания этого движения отсутствует известный физический механизм. Подобно расширению шара, “постоянное расширение пространства” – это просто описание, а не объяснение движения. Все, что говорят нам наблюдения, - имеет место скалярное движение наружу физических положений, несущих с собой галактики.

Постулаты теории Обратной Системы, теории вселенной движения, обобщают данный вид движения. Они определяют вселенную, в которой скалярное движение физических положений является базовой формой движения, из которого выводятся все физические сущности и феномены. Следовательно, способ, которым этот вид движения проявляется наблюдению, имеет важное отношение к природе фундаментальных физических явлений.

Такая ситуация – хороший пример того, почему так часто упускается важная информация. Потому что никто не затрачивает времени и усилий, требующихся для проведения исчерпывающего изучения кажущегося неважным наблюдения. Давным-давно осознали, что движения пятен на поверхности расширяющегося шара отличаются от обычных движений нашего повседневного опыта. Сам факт, что движение шара широко используется в качестве аналогии для объяснения разбегания отдаленных галактик, - ясное свидетельство общего признания. Но представляется, что галактики – это особый случай, и расширяющиеся шары не играют никакой значимой роли в обычной физической активности. Поэтому никто особо не заинтересован в физике подобных объектов, и этот признанный уникальным вид движения никогда не подвергался тщательному изучению, до исследования скалярного движения, предпринятого в ходе теоретического развития, описанного в нескольких томах этой работы. Открытие, что фундаментальное движение вселенной скалярное, в корне меняет ситуацию. Движения галактик, притягивающихся объектов и пятен на поверхности расширяющегося шара – это вид движений, скалярных движений, который наша теория определяет как фундаментальный.

Обычно, ученые (с достаточным оправданием) сопротивляются принятию гипотезы, постулирующей существование феноменов, неизвестных наблюдению. Следует подчеркнуть, что скалярное движение – это наблюдаемый феномен, истинный характер которого еще не осознан. Как только критически исследуются движения, описанные в предыдущих параграфах, и осознается их скалярный характер, существование скалярного движ