Теория основных зарядов-энергий. Иерархия физических энергий.

Выше при расчётах ВАХ полупроводниковых диодов нам потребовались новые методы. Для теоретического обеспечения расчётов была создана теория основных зарядов-энергий, которая включала в себя теорию теплового заряда в термодинамике. В основу новой теории положена система основных зарядов-энергий, система основных потенциалов и система составных потенциалов. (см. рис. 1.7.1.). Например, мощность, измеряемая в Ваттах, является тепловым током и составным электромагнитным потенциалом, который вычислялся как произведение двух основных потенциалов (электрического тока на электрическое напряжение). На рисунке 1.7.1. изобразим итоговую блок-схему, определяющую основные физические законы для энергий-зарядов, потенциалов и токов:

Рис. 1.7.1. Блок-схема основных физических законов для энергий-зарядов, потенциалов и токов (все потенциалы обозначены универсально - как разность потенциалов со знаком Δ).

Итак, основные потенциалы:

ΔI – электрический ток, или разность токовых потенциалов (Ампер),

ΔU – электрическая разность потенциалов (Вольт),

ΔT – тепловая разность потенциалов (Кельвин),

Энергии-заряды:

τ – время - энергия 1-го уровня - временной заряд (секунда),

Q – энергия 2-го уровня - электрический заряд, или время-энергия (Кулон),

Е – энергия 3-го уровня, или тепловой заряд (Джоуль),

Θ – энергия 4-го уровня (Фурье).

Составные потенциалы:

Перечислим составные потенциалы:

ΔG – составной потенциал - флуктуационный ток. 1 единица флуктуационного тока = 1 Ампер * 1 Вольт * 1 Кельвин.

ΔF – составной термо-электрический потенциал (СТЭП). 1 единица составного термоэлектрического потенциала = 1 Вольт * 1 Кельвин

ΔP – составной электро-магнитный потенциал (СЭМП) - тепловой ток, или мощность. 1 единица составного электромагнитного потенциала = 1 Ампер * 1 Вольт

ΔW – составной термо-магнитный потенциал (СТМП, на блок-схеме не обозначен). 1 единица составного термомагнитного потенциала = 1 Ампер * 1 Кельвин.

Приведём примеры физических явлений, в которых присутствуют составные потенциалы:

1. Составной термоэлектрический потенциал (СТЭП) преобразуется в ток (разность токов). Пример - термопара.

2. Составной электромагнитный потенциал (СЭМП) преобразуется в тепло (разность температур, температурный потенциал). Пример - излучение звёзд, планет и спутников. Например, излучение Солнца нагревает Землю посредством разности составных электро-магнитных потенциалов (СЭМП), и в то же время любая разность температур (температурный потенциал) создаёт излучение электромагнитного поля. К явлениям такого рода относятся также излучение абсолютно чёрного тела, внутренний и внешний фотоэффекты.

3. Составной термомагнитный потенциал (СТМП) преобразуется в разность электрических потенциалов. Пример - магнитный гидродинамический генератор (МГД-генератор).

Рассмотрим подробнее итоговую блок-схему основных физических законов для зарядов-энергий-потенциалов-токов-сопротивлений (рис. 1.7.1):

1. В основании - на 1-м уровне энергии и заряда - находится время, измеряемое в секундах. Энергией для времени служит электрический заряд (Кулон), а потенциалом служит электрический ток (Ампер).

2. На 2-м уровне находится энергия для 1-го уровня и заряд для 3-го уровня, единица измерения – Кулон. В физике она известна как единица электрического заряда. Потенциалом для электрического заряда служит разность электрических потенциалов, измеряемая в Вольтах. Энергией для электрического заряда служит единица Джоуль, которая является также единицей теплового заряда.

3. На 3-м уровне находиться единица теплового заряда Джоуль. Её потенциалом служит разность температурных потенциалов, измеряемая в Кельвинах.

4. На 4-м уровне находится единица энергии, которая стремиться уравнять все описанные ранее потенциалы. Эта энергия является зарядом для более высокого уровня, который пока не обнаружен, потому её роль – энергия для теплового заряда. Единица измерения энергии 4-го уровня была названа мной «Фурье» в честь великого французского физика: 1 Фурье = 1 Джоуль*1 Кельвин.

Перечислим основные потенциалы:

1-й уровень – временной потенциал. Единица электрического тока – Ампер.

2-й уровень – электрический потенциал. Единица разности электрических потенциалов – Вольт.

3-й уровень – тепловой потенциал. Единица разности тепловых потенциалов – Кельвин.

Для этих 3-х потенциалов существует 3 аналогии:

1. Для временного потенциала – катушка с током, замкнутая через резистор.

2. Для электрического потенциала – заряженный конденсатор, замкнутый через резистор.

3. Для теплового потенциала – остывание нагретого тела (закон Ньютона-Рихмана).

Все 3 явления описываются аналогичным функциями в зависимости от времени (экспонента, закон релаксации).

Приведём пример рассмотрения потенциалов. Предположим, что две одинаковые звезды с одинаковой температурой 6000К расположены близко друг к другу. В таком случае T1 = T2, ΔT = 0, тогда ΔG = ΔI*ΔU*ΔT = ΔI*ΔU*0 = 0. Но при этом ΔP = ΔI*ΔU не равно нулю! Здесь надо учитывать, что ΔP*T = ΔI*ΔU*T тоже не равно нулю и является потенциалом по отношению к объекту, у которого T=0.

1.7.14. Преобразование эмпирического уравнения ВАХ для прямого тока вакуумного и полупроводникового диодов.

Вернёмся к поставленной в п. 1.7.1. задаче. При моделировании ВАХ вакуумного и полупроводникового диодов было получено общее эмпирическое уравнение:

Попытаемся её проанализировать (уже подробно). После анализа тепловых и электрических явлений определим следующие выражения:

Тогда из (1.7.1) получим:

Согласно уравнению (1.7.17):

Таким оьбразом, из (1.7.26) получаем тривиальное в нашей теории выражение:

Итак, общий закон тока при переходе электронов из одной макро-среды в другую в соответствии с эмиссионным уравнением (1.7.30) определяется так: разность СТЭ-потенциалов при переходе электронов из одной макро-среды в другую пропорциональна логарифму электрического тока, отнесённого к единице тока. Выражение (1.7.30) определяет величину электрического тока в термоэлектрической системе при наличии флуктуационного тока. Доказательство (строгий вывод) уравнения (1.7.30) будет приведено в главе 1.8.1.