Великая армия электронов

Если мы начнем дробить на мелкие кусочки какое‑либо вещество, например сахар, то в итоге получим самый микроскопический кусочек этого вещества, называемый молекулой. Молекулу сахара, впрочем, как и любую другую, тоже можно разделить на составные части, но это уже будет не сахар. Для того чтобы сказанное стало несколько понятнее, представьте себя, что вам нужно город разделить на районы. Самый маленький район, который вы сможете получить, будет один дом – «молекула» большого города. Можно, конечно, и дом разобрать на составные части: кирпичи, балки, бетонные плиты, листы кровельного железа, оконные рамы, двери. Но ведь никто не подумает сказать, что какая‑нибудь из этих деталей представляет собой район города.

Подобно тому как дом состоит из отдельных деталей, молекула любого вещества образуется из еще более мелких частиц – атомов. В настоящее время известно около ста основных типов атомов, различные сочетания которых дают все многообразие окружающих нас веществ: воду и воздух, бумагу и нефть, зеленый лист дерева и кипящую сталь. Точно так же из нескольких основных строительных материалов создаются самые различные здания: заводы, гаражи, школы, больницы, небоскребы и одноэтажные коттеджи.

Только не подумайте, что можно руками или каким‑нибудь инструментом разделить вещество на отдельные молекулы и тем более на атомы. Частицы эти настолько малы, что их не только нельзя взять в руки, но даже нельзя рассмотреть с помощью самых совершенных оптических приборов. О размерах молекулы дают представление такие цифры: в одной капле воды содержится около 1 500 000 000 000 000 000 000 молекул, каждая из которых во столько же раз меньше самой капли, во сколько раз эта капля меньше Черного моря. Что же касается атомов, то они во много раз меньше молекул.

Рис. 3. Каждый, кто стремится проникнуть в тайны природы, кто хочет освоить замечательные достижения современной физики…

Рис. 4. … должен прежде всего приучить себя к мысли о том, что мир намного сложнее, чем это кажется с первого взгляда.

Слово «атом» означает «неделимый». Это название утвердилось тогда, когда считали, что атом уже невозможно разделить на составные части. Но жизнь, как всегда, внесла свои поправки.

В начале этого столетия было установлено, что сам «неделимый» атом также является сложной системой: в центре его находится так называемое ядро, которое, в свою очередь, состоит из множества различных частиц. Вокруг атомного ядра с огромными скоростями вращаются мельчайшие частицы – электроны.

Количество электронов в атоме может быть различным: в самом простом атоме – атоме водорода – вокруг ядра вращается один электрон, в атоме алюминия их уже 13, а в атоме элемента менделеевий, в одном из самых сложных атомов – 101 электрон (лист 3).

Можно самому построить очень упрощенную «действующую» модель атома водорода. Для этого достаточно взять какой‑либо легкий предмет, например пустую коробку из‑под спичек, и, привязав ее на короткую бечевку, раскрутить вокруг руки. Рука будет играть роль атомного ядра, а роль вращающегося вокруг ядра электрона будет играть спичечная коробка (рис. 5).

Рис. 5. Можно построить весьма упрощенную модель атома, где в центре находится ядро, обладающее положительным электрическим зарядом, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

И вот здесь‑то и возникает вопрос: а что же в настоящем атоме выполняет роль бечевки? Ведь если в нашем опыте бечевка оборвется, то «электрон» – спичечная коробка – под действием центробежной силы улетит в сторону! Почему же вращающийся с огромной скоростью электрон не отходит от ядра?

Роль бечевки в настоящем атоме выполняют электрические силы, силы взаимодействия электрических зарядов. Но, прежде чем говорить об этом, следует отметить, что в природе существует два вида электрических зарядов: один из них назван положительным и отмечается на рисунках знаком «плюс»; другой вид зарядов называют отрицательным и обозначают знаком «минус». Применение этих слов и знаков в данном случае совершенно условно: с таким же успехом можно было бы называть заряды красными и синими или зарядами группы а и группы б , а на рисунках обозначать их любыми условными знаками. Положительный заряд появляется на стеклянной палочке, натертой кожей, отрицательный – на каучуковой или пластмассовой палочке, натертой шерстью (лист 1).

Электрические заряды взаимодействуют между собой – одноименные заряды, то есть заряды одного и того же знака, взаимно отталкиваются, разноименные электрические заряды взаимно притягиваются (лист 2). За счет электрических сил взаимного притяжения атомное ядро, обладающее положительным зарядом, как бы на бечевке удерживает вращающийся электрон, обладающий отрицательным зарядом.

В своем нормальном состоянии ядро обладает таким же (по силе) зарядом, как и общий заряд всех электронов. Поэтому положительный заряд ядра и отрицательный заряд электронов как бы компенсируют друг друга, и атом в целом, а значит, и вещество, состоящее из таких атомов, не обнаруживает своих электрических свойств. Но стоит только каким‑нибудь способом убрать из атома один, а тем более несколько электронов, как начнут проявляться электрические свойства ядра, и атом будет вести себя как частица с положительным зарядом. Такой, атом получил название «положительный ион». Если же, наоборот, добавить в атом «лишние» электроны, то он будет обладать избыточным отрицательным зарядом, будет представлять собой «отрицательный ион» (лист 4).

Натирая шерстью стеклянную палочку, мы как бы вырвали из ее атомов электроны. В результате этого сама палочка приобрела положительный заряд, а кусок шерсти, куда перешли электроны со стекла, оказался заряженным отрицательным электричеством. В опыте с пластмассовой палочкой наоборот: на шерсти появляются положительные ионы, а на самой палочке – отрицательные (лист 5).

Давайте проделаем такой опыт: соединим наэлектризованные предметы – пластмассовую (–) и стеклянную (4) палочки каким‑нибудь проводом или металлическим предметом. При этом электрические заряды сразу же исчезнут с наэлектризованных предметов и они уже не будут притягивать легкие кусочки шелка или бумаги. Произойдет это из‑за того, что лишние электроны по проволоке перейдут с пластмассовой палочки на стеклянную и займут там свободные места в атомах, у которых не хватает электронов (лист 6).

Но почему же такой переход зарядов не мог произойти без соединительного провода непосредственно по воздуху? Благодаря каким свойствам металлических предметов по ним свободно двигаются заряды?

По своей способности проводить электрические заряды все вещества делятся на две основные группы – изоляторы и проводники. Проводники – это прежде всего все металлы². Некоторые электроны в проводниках, покинув свои атомы, беспорядочно двигаются в пространстве между неподвижными атомами, многие из которых уже стали положительными ионами. В нашем опыте эти свободные электроны с одного конца проводника будут сразу же «перетянуты» в положительные атомы стеклянной палочки. На место ушедших придут свободные электроны из соседних участков проводника, и этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока на стеклянную палочку проводника не перейдут все лишние электроны с пластмассовой палочки.

Свободные электроны начинают двигаться практически одновременно во всех участках проводника, подобно тому как вода начинает одновременно двигаться во всех участках водопроводной трубы, когда мы открываем кран. Такое упорядоченное, дружное движение свободных зарядов (в частности, электронов) в проводнике под действием электрических сил называется электрическим током (лист 7).

В жидких и газообразных проводниках, в отличие от металлов, положительные ионы очень слабо связаны между собой и могут свободно перемещаться. Поэтому в таких проводниках электрический ток – это не только движение свободных электронов, но и движение свободных положительных зарядов (лист 8). Попутно заметим, что в этом случае положительные заряды и электроны двигаются в разные стороны. Так, например, электроны всегда двигаются к «плюсу», то есть по направлению к телу с положительным зарядом, а положительные ионы двигаются к «минусу».

В изоляторах, их часто называют диэлектриками, свободных электрических зарядов почти нет, поэтому электрического тока в них практически быть не может (лист 9).

Электрический ток, то есть упорядоченно движущиеся заряды, могут выполнять полезную работу, подобно тому как движущийся автомобиль может перевозить грузы, движущийся топор – колоть дрова, движущийся камень – высекать искру. О том, как микроскопические электроны выполняют самую тяжелую работу, заменяя труд миллионов людей, вы узнаете на следующей странице. А до этого нам предстоит решить еще один чрезвычайно важный вопрос: каким образом можно получить ток, который сохранялся бы в проводнике длительное время? Ведь в нашем опыте с наэлектризованными предметами ток существует в проводниках какие‑то ничтожные доли секунды – как только заполнятся свободные места в атомах стеклянной палочки, ток прекратится. А такой кратковременный ток – плохой работник: ничего полезного он сделать не успеет.

Для того чтобы ток существовал долго, нужно, чтобы все время сохранялся недостаток электронов на одном из наэлектризованных предметов и избыток – на другом.

Подобная задача сравнительно просто решается в химических источниках тока – аккумуляторах и гальванических элементах. Примером химического источника тока может служить сосуд, наполненный раствором серной кислоты, в который вставлены два электрода – пластинки из цинка и меди. В результате химических реакций с серной кислотой в медном электроде образуется недостаток электронов, а в цинковом – избыток. Поэтому если соединить электроды проводником, то в нем появится электрический ток – свободные электроны будут переходить по проводнику с цинковой пластинки на медную, подобно тому как они переходили с пластмассовой палочки на стеклянную. Разница здесь состоит в том, что ток не прекратится сразу же, как это было в предыдущем опыте.

В результате химических процессов в кислоте электроны будут непрерывно отбираться из медной пластинки и добавляться в цинковую то есть, пока кислота не потеряет своих свойств, медь будет сохранять положительный заряд, а цинк отрицательный, и все это время в проводнике будет электрический ток.

Этот процесс несколько напоминает круговорот воды в природе, когда влага падает на землю в виде дождя и снега и под действием солнечных лучей вновь поднимается в виде испарений. Химические источники тока находят довольно широкое применение на практике. В качестве примера можно привести автомобильный аккумулятор или батарейку карманного фонаря, состоящую из гальванических элементов (листы 10 и 11). Еще более широко распространены такие источники тока, как электрические генераторы. Необходимое накопление электрических зарядов происходит в них за счет использования механических сил, источником которых служат двигатели внутреннего сгорания и паровые или водяные турбины (лист 12).

Существуют устройства, в которых накопление зарядов осуществляется за счет световой, тепловой и атомной энергии. Мы не будем подробно разбирать работу различных электрических генераторов, а лучше вернемся к вопросу о том, как выполняют полезную работу электроны, движущиеся по проводнику. Для примера рассмотрим обычный карманный фонарик. В нем имеется электрическая цепь, состоящая из источника тока – батарейки, коротких соединительных проводов (их роль может выполнять металлический корпус фонаря или полоски белой жести), лампочки и простейшего выключателя.

Для всех элементов электротехнических и радиотехнических устройств: аккумуляторов, электродвигателей, переключателей, лампочек, радиоламп, громкоговорителей, соединительных проводов и т. п. (листы 10, 12, 13, 18, 21, 24, 37, 44, 45, 58, 60, 67, 68, 84, 92, 93, 94, 95, 103, 104, 116, 184–219), имеются условные обозначения, с помощью которых можно выполнить сравнительно простой рисунок – так называемую принципиальную схему. Схема даст полное представление об электрических цепях рассматриваемого устройства. На схеме часто делают сокращенные обозначения, которые указывают порядковый номер того или иного элемента цепи. Например, если в цепи имеются две лампочки, то на схеме они обозначаются Л₁ и Л₂ .

Примером простейшей схемы может служить изображенная на рисунке 6 схема карманного фонаря. Если замкнуть выключатель Вк₁ , то в цепи карманного фонаря появится ток и лампочка Л₁ засветится. Свечение лампочки объясняется тем, что ее нить оказывает большое сопротивление движущимся зарядам. Дело в том, что заряды не двигаются по Проводнику беспрепятственно: то и дело они ударяются о встречные атомы или сталкиваются между собой. Из‑за всех этих ударов и столкновений часть энергии движущихся зарядов превращается в тепло, подобно тому как превращается в тепло часть энергии молота, ударившего по наковальне (рис. 6).

Рис. 6. Движущиеся в электрической цепи заряды ударяются о неподвижные атомы проводника, благодаря чему проводник, по которому течет ток, например нить лампочки, нагревается.

Способность какого‑либо участка электрической цепи препятствовать движению зарядов называется электрическим сопротивлением. Сопротивление нити лампочки довольно велико, а диаметр этой нити очень мал. Поэтому нить отбирает у тока много энергии и в то же время плохо излучает тепло. Нагревшись до высокой температуры, нить лампочки начинает светиться. Таким образом и преобразуется энергия движущихся зарядов, то есть энергия электрического тока, в свет и тепло. Само собой разумеется, что сопротивление соединительных проводов должно быть как можно меньше, чтобы они не отбирали энергию у движущихся зарядов.

На первый взгляд может показаться странным, как это движущийся электрон, обладающий ничтожной массой, нагревает до высокой температуры нить лампочки или спираль электроплитки. Конечно, если бы речь шла об одном электроне, то эти сомнения были бы оправданы. Действительно, энергия одного электрона настолько мала, что ее не стоит и учитывать. Но ведь по нити лампочки или по спирали плитки одновременно движется очень много электронов. Настолько много, что их количество может выражаться числом, у которого после единицы стоят десятки нулей! И хоть мал работник – электрон, а с такой огромной армией уже не считаться нельзя – она может проделать весьма значительную работу.

Другой путь использования энергии движущихся зарядов – это превращение ее в механическую работу. Для этой цели служат электрические двигатели, которые с помощью тока вращают колеса электровоза, поднимают ковши гигантских экскаваторов или приводят в движение винты атомохода «Ленин».

При упорядоченном движении электрических зарядов по проводнику он не только нагревается, но и приобретает магнитные свойства – становится своего рода магнитом (рис. 7).

Рис. 7. Вокруг движущихся зарядов возникает магнитное поле. Как и обычный магнит, проводник, по которому течет ток, обладает магнитными свойствами: он может поворачивать стрелку компаса, притягивать железные предметы или другие проводники, по которым течет ток.

Если взглянуть на постоянный магнит, например на стрелку компаса, то может показаться, что магнетизм не имеет ничего общего с электричеством. В действительности же магнитные свойства любого постоянного магнита связаны с движением зарядов и, в частности, с движением электронов вокруг атомного ядра. Магнитные свойства Земли, благодаря которым стрелка компаса всегда поворачивается на север, также обусловлены мощными токами, которые существуют как внутри земного шара, так и в атмосфере.

Если взять два проводника, по которым течет электрический ток. то они будут взаимодействовать между собой как два магнита, то есть будут взаимно притягиваться или отталкиваться (в зависимости от направления тока). Это явление и используется в электрических двигателях, где силы взаимного притяжения или отталкивания постоянного магнита и проводника с током или еще чаще одних только проводников с током выполняют нужную нам механическую работу (лист 13).

Самое сложное электротехническое устройство с множеством генераторов, двигателей, переключателей, нагревательных и осветительных приборов различных типов всегда можно рассматривать как комбинацию сравнительно простых цепей. Сложные и простые электрические цепи в свое время были тщательно изучены. Результатами такого изучения явились несколько основных законов, основных правил, которым подчиняются электрические процессы. С некоторыми из этих правил мы сейчас познакомимся.