Чи можна уявити електричний струм як рідину? Пояснення на межі науки та уяви

Електричний струм — одне з тих понять, яке зна­йо­ме кожно­му ще зі шкіль­ної лави. Але чи справ­ді ми розу­мі­є­мо, чим він є насправ­ді? Часто для спро­ще­н­ня уяв­ле­н­ня про еле­ктри­ку вчи­те­лі й нау­ков­ці кори­сту­ю­ться порів­ня­н­ням стру­му з пото­ком води в тру­бах. І хоча така ана­ло­гія кори­сна, вона не зов­сім точна. У цій стат­ті ми роз­гля­не­мо, чому струм часто порів­ню­ють із ріди­ною, у чому суть і обме­же­н­ня тако­го під­хо­ду, а також поди­ви­мо­ся на нові­тні дослі­дже­н­ня, які від­кри­ва­ють диво­ви­жні вла­сти­во­сті еле­ктро­нів, зда­тних пово­ди­ти­ся як справ­жня рідина.

Аналогія з водою: уявний струм у трубі

Уявімо трубу, якою тече вода. Якщо зву­зи­ти трубу, опір пото­ку збіль­шу­є­ться, і тиск зро­стає. Подібним чином у про­від­ни­ку еле­ктро­ни сти­ка­ю­ться з опо­ром, коли мате­рі­ал чинить супро­тив їхньо­му руху. Напруга — це ана­лог тиску, а еле­ктри­чний струм — об’єм води, що про­ті­кає за пев­ний час.

Таке порів­ня­н­ня допо­ма­гає краще зро­зу­мі­ти тер­мі­ни: напру­га, опір, сила стру­му. Вода — зна­йо­мий образ, який легко візу­а­лі­зу­ва­ти. Це осо­бли­во кори­сно для шко­ля­рів або людей, які лише почи­на­ють вивча­ти еле­ктро­фі­зи­ку. Проте є й важли­ве уто­чне­н­ня: ця ана­ло­гія — лише спро­ще­не уяв­ле­н­ня, яке має бага­то обмежень.

Електрони не течуть як молекули води

Хоча нам зру­чно дума­ти про струм як про потік части­нок, еле­ктро­ни насправ­ді не «течуть» тру­бо­про­во­дом, як моле­ку­ли ріди­ни. За визна­че­н­ням, еле­ктри­чний струм — це впо­ряд­ко­ва­ний рух заря­дів. Але навіть у мета­лі еле­ктро­ни швид­ше вібру­ють побли­зу своїх пози­цій, пере­да­ю­чи енер­гію далі, ніж ман­дру­ють само­стій­но на зна­чні відстані.

Це поясню­є­ться тим, що еле­ктро­ни постій­но вза­є­мо­ді­ють із ато­ма­ми реші­тки, дефе­кта­ми, домі­шка­ми, а також із інши­ми еле­ктро­на­ми. Тому їхня пове­дін­ка від­рі­зня­є­ться від пове­дін­ки моле­кул води, які більш зв’язані між собою.

Чому ж тоді ми все одно вико­ри­сто­ву­є­мо водну ана­ло­гію? Вона зру­чна і допо­ма­гає побу­ду­ва­ти базо­ве уяв­ле­н­ня. Вона може поясни­ти про­сті зако­ни: Ома, Кірхгофа, пода­ти уяв­ле­н­ня про кон­тур, струм, напру­гу. Але коли мова захо­дить про кван­то­ву при­ро­ду або фізи­ку твер­до­го тіла, ана­ло­гія почи­нає дава­ти збої.

Коли струм поводиться як справжня рідина

Проте нові­тні дослі­дже­н­ня у фізи­ці твер­до­го тіла пока­за­ли, що за пев­них умов еле­ктри­чний струм може пово­ди­ти­ся як ріди­на. Йдеться про випад­ки, коли еле­ктро­ни утво­рю­ють силь­но зв’язану систе­му, де вони вза­є­мо­ді­ють біль­ше між собою, ніж із реші­ткою матеріалу.

Один із таких при­кла­дів — екс­пе­ри­мен­таль­на уста­нов­ка, ство­ре­на гру­пою фізи­ків під керів­ни­цтвом Леоніда Левітова. Вони збу­ду­ва­ли спе­ці­аль­ні кана­ли, в яких еле­ктро­ни руха­ли­ся поді­бно до ріди­ни: утво­рю­ва­ли­ся зави­хре­н­ня, схожі на водо­вер­ті. Така пове­дін­ка — новий крок у розу­мін­ні еле­ктрон­но­го транспорту.

Це від­кри­т­тя важли­ве не лише з нау­ко­вої точки зору, а й пра­кти­чно. Якщо ми змо­же­мо ство­рю­ва­ти еле­ктрон­ні «ріди­ни», це дозво­лить іна­кше керу­ва­ти стру­мом, змен­шу­ва­ти втра­ти енер­гії, буду­ва­ти нові типи при­стро­їв, зокре­ма у сфері кван­то­вих техно­ло­гій і надпровідності.

Проблема зв’язаності: чому електрони не об’єднуються легко

На від­мі­ну від моле­кул води, які зав­дя­ки водне­вим зв’язкам утво­рю­ють стій­ку стру­кту­ру, еле­ктро­ни не схиль­ні до поді­бно­го гру­пу­ва­н­ня. Вони швид­ко реа­гу­ють на зміни у сво­є­му ото­чен­ні, сти­ка­ю­ться з ато­ма­ми, дефе­кта­ми, тепло­ви­ми коли­ва­н­ня­ми. Лише в над­чи­стих умо­вах, напри­клад, у гра­фе­ні або при тем­пе­ра­ту­рах, близь­ких до абсо­лю­тно­го нуля, можна досяг­ти того, щоб вза­є­мо­дії між еле­ктро­на­ми стали домінуючими.

Між водою та електрикою

Аналогія між еле­ктри­чним стру­мом і водою — ефе­ктив­ний осві­тній інстру­мент, але вона має свої межі. В реаль­но­сті еле­ктро­ни пово­дя­ться зна­чно скла­дні­ше, ніж моле­ку­ли ріди­ни. Проте наука не сто­їть на місці, і ми вже бачи­мо перші екс­пе­ри­мен­ти, які демон­стру­ють: струм може вести себе як ріди­на. Це від­кри­ває нові гори­зон­ти для фізи­ки, еле­ктро­ні­ки і навіть енергетики.

Отже, поки що струм — це не вода. Але іноді він дуже хоче нею бути.