Теория основных зарядов-энергий.

Постановка задачи.

При моделировании вольт-амперных характеристик (ВАХ) вакуумного и полупроводникового диодов было получено следующее эмпирическое уравнение:

Попытаемся выяснить его природу, для чего проведём анализ основных законов физики электрических и тепловых цепей.

Электрическое напряжение.

Закон Ома определяет перенос теплового заряда посредством электрического тока. Закон Джоуля-Ленца в основном определяется законом Ома. Рассмотрим составляющие параметры закона Ома.

Обычно потенциал обозначается буквой φ, а разность потенциалов - буквой U. Для симметрии обозначений тепловых и электрических процессов мы будем обозначать разность потенциалов как ΔU, что не противоречит электродинамике и теории электрических цепей. Электрическое напряжение, или разность электрических потенциалов:

где E – тепловой заряд, который совпадает с определением «энергия» и измеряется в Джоулях. Единица измерения электрического напряжения 1 Вольт = 1 Джоуль / 1 Кулон, Джоуль – единица измерения теплового заряда, Кулон – единица измерения электрического заряда.

Электрический ток.

Параметр «электрический ток», как известно, определяется выражением:

где Q – электрический заряд, τ – время. Электрический ток определяет, сколько электрического заряда переносится в замкнутой электрической цепи в единицу времени - единица электрического тока 1 Ампер =1 Кулон / 1 секунда.

Электрический ток можно представлять и как разность нескольких электрических токов, что соответствует теории электрических цепей согласно принципу «наложения цепей» (законы Кирхгофа эл.цепи). Тогда (1.7.3) лучше представить в виде:

Что это даёт, будет видно в дальнейшем.

Параметр электрического сопротивления.

Параметр «электрическое сопротивление» определяется законом Ома:

Если вся мощность электрической цепи уходит на образование тепла P, то электрическое сопротивление определяет способность электрической цепи создавать тепловой ток - об этом сообщает нам формула Джоуля-Ленца:

где ΔP – мощность, или тепловой ток.

Тепловой ток (мощность).

Если вся электрическая энергия преобразуется только в тепло, то мощность электрической цепи будет эквивалентна тепловому току, который определится как

Единица измерения теплового тока 1 Ватт = 1 Джоуль / 1 секунда - тепловой ток показывает, сколько теплового заряда протекает из тепловой цепи в пространство в единицу времени.

1.7.6. Температура, или тепловое напряжение (разность температурных потенциалов).

Закон Фурье характеризует более высокий уровень процессов, чем закон Ома - если закон Ома принадлежит к микромиру, а параметр «тепловой заряд», измеряемый в Джоулях, определяет потенциальные свойства ядер атомов и электронов, то закон Фурье относится к явлению теплового поля, существующего между всеми макро-объектами. Поэтому закон Ома «вложен» в закон Фурье. Закон Фурье имеет вид, аналогичный закону Ома:

где R_Θ – тепловое сопротивление, ΔT – температурное напряжение (температурный напор, или температурный потенциал), ΔP – тепловой ток.

По аналогии с другими законами, тепловое напряжение (температурный напор) должен также определяться выражением:

где Θ – энергия макро-уровня (энергия уровня 4), E – тепловой заряд (энергия уровня 3), измеряемый в Джоулях, ΔT – тепловое напряжение (тепловой напор), измеряемый в Кельвинах. Здесь введена навая величина Θ (Фурье), которая определяет энергию макро-уровня (энергию 4-го уровня) - она определяет энергию теплового поля (и других полей) макроскопических объектов. Для Θ в честь закона Фурье введём новую единицу измерения - Фурье. Θ – это уравнивающая энергия, измеряемая в Фурье. Единица измерения теплового напряжения 1 Кельвин = 1 Фурье / 1 Джоуль - тепловое напряжение (температурный напор) определяет, сколько энергии теплового поля приходится на единицу теплового заряда.

Раскроем физический смысл энергии макро-уровня (теплового поля). Во Вселенной всегда существуют явления, которые стремятся уравнять температурный и другие потенциалы. Энергия макро-уровня базируется сразу на трёх основных потенциалах - токовом, электрическом, температурном - и на трёх соответствующих полях - магнитном, электрическом и тепловом. Все три поля способны участвовать в общих энергетических процессах. Энергию макро-уровня (уровня 4) можно было бы называть «энергией теплообмена», но с таким же успехом она будет являться энергией электрического обмена и энергией магнитного обмена в силу своего общего характера. Поэтому энергия макро-уровня (уровня 4) имеет более широкое применение, чем просто процесс теплообмена. И.Г. Львов предложил рассматривать явление концентрации тепловой энергии в каком-либо материальном объекте как «флуктуацию», поэтому энергию макро-уровня (уровня 4) будем называть «энергией флуктуации». О том, что энергия флуктуации в своём составе имеет и тепловые, и электрические, и магнитные процессы, мы обнаружим позже, когда рассмотрим ток этой энергии (флуктуационный ток). Итак, энергия 4-го уровня обеспечивается флуктуациями 3-х основных потенциалов или их комбинацией, при этом её действие – антифлуктационное, то есть направленное на уравнивании всех потенциалов (рост энтропии).

Понятие микро-мира и макро-мира - относительное, и зависит от характера физических явлений. Так, например, электрон, участвующий в нагреве проводника по закону Джоуля – Ленца, представляет собой явление микро-мира, так как при этом взаимодействует с ядром атома. Но если электрон эмиттировал из катода и движется к аноду, то объекты такого явления относятся уже к макро-миру. Как мы видим, и в том, и в другом явлении участвует электрон, но характер явлений – разный! Вообще, к макро-миру следует относить явления, где проявляются сразу и тепловые, и электрические, и магнитные явления, имеющие вид флуктуационного тока (см. п. 1.7.10.).