О природе электричества | ТМ 1938-12

Инж. П. ТУРОВСКАЯ, Рисунки Л. СМЕХОВА

Что такое электричество — то самое электричество, многие явления и свойства которого издавна хорошо известны людям?

Существовало немало различных предположений о природе электричества. Так, например, теория Вениамина Франклина изображала электричество в виде бесцветной, невидимой, невесомой жидкости, которая может проникать сквозь любое вещество. При этом тело остается незаряженным, если количество жидкости нормально, в то время как избыточное количество жидкости придает телу положительный заряд, а недостаточное — отрицательный заряд. Но эта теория, так же, как и более поздние теории других ученых, оказалась несостоятельной, после того как был открыт электрон.

Открытию электрона, которое относится к началу XX века, предшествовали многочисленные исследования.

Еще в 1725 г. Дю-Фей открыл, что газ, окружающий раскаленное докрасна тело, проводит электричество. Через полтора столетия ученый Крукс обнаружил, что лучи в его трубках — не что иное, как отрицательно заряженные частички. Очень интересное открытие сделал Эдисон в 1883 г. Его эксперименты с лампами накаливания показали, что электрический ток в вакууме течет только в одном направлении — от накаленного волоска к пластинке. Это явление получило название «эффекта Эдисона».

Пытаясь объяснить эти явления, ученые сосредоточили свое внимание на изучении природы заряженных частичек.

Много опытов над заряженными частичками проделал английский ученый Томсон в самом начале XX века. Он разработал очень остроумный метод, позволяющий измерять величину заряда электрона. Пользуясь этим методом, он первый определил приблизительно величину этого заряда. Вот почему обычно считают, что открытие электрона принадлежит Томсону.

Доктор глубокомысленных наук, известный профессор Арк-Синус, ознакомившись с трудами Томсона, убедился в существовании электрона.

Американский ученый Милликен усовершенствовал метод измерения величины заряда электрона. В 1913 г. он опубликовал результаты этих измерений, которые совершенно определенно доказывали существование и абсолютно точно определяли величину элементарного электрического заряда — электрона. Электрон — это самый маленький известный нам отрицательный заряд электричества, масса которого также чрезвычайно мала.

У электрона есть товарищ — протон, положительно заряженная частичка. Протон имеет тот же заряд по величине, что и электрон, но массу в 1834 раза большую.

Изучая строение материи, доктор Арк-Синус убедился в том, что у электрона есть товарищ — протон, положительно заряженная частичка.

Шесть лет назад была открыта частичка — нейтрон, которая имеет такую же массу, что и электрон*, но не несет на себе никакого заряда.

Электрон, протон и нейтрон — это основные части, из которых состоят атомы химических элементов. В зависимости от того, из какого числа электронов, протонов и нейтронов состоит атом, получается тот или иной элемент.

Один из крупнейших ученых наших дней, Нильс Бор, сконструировал механическую модель, наглядно показывающую структуру атома. Эта модель представляет собой как бы маленькую солнечную систему, т. е. ядро, вокруг которого по орбитам вращаются его спутники. Простейшую структуру имеет атом водорода. Его ядро состоит из одного протона. Вокруг этого ядра по орбите вращается один электрон.

Ученый Нильс Бор сконструировал механическую модель атома. Глубокомысленный доктор Арк -Синус живо заинтересовался ею. Она напомнила ему солнечную систему.

Атом водорода можно мысленно увеличить так, что ядро его примет размеры футбольного мяча. Если это ядро поместить в Москве на площади Свердлова, то одинокий электрон будет вращаться по орбите, которая пройдет в районе Окружной железной дороги.

Это сравнение показывает, как относительно велики пустые промежутки, «дыры», в атоме, и объясняет, почему некоторые атомные частички могут пролетать сквозь много атомов, прежде чем они встретят препятствие на своем пути.

Можно атом водорода мысленно увеличить так, что ядро его примет размеры футбольного мяча. Любознательный доктор Арк-Синус заинтересовался, каково же в этом случае будет расстояние между ядром и электроном атома. При ближайшем ознакомлении оказалось, что расстояние это равно расстоянию между центром Москвы и Тушинским аэродромом.

Ученый, учитель и студент прежних дней принимали электрические явления как факт и вместе с обывателем говорили: «Мы ничего не знаем о природе электричества». В начале нашего столетия, после того как открыли электрон, после того как появилось представление о структуре атома, возникли новые теории, объясняющие те или иные явления электричества. Вот, например, как объясняется явление притяжения и отталкивания заряженных тел. Положительно заряженное тело характеризуется тем, что атомы его потеряли часть своих электронов. Поэтому общее количество его протонов превосходит число наличных электронов. Точно так же, если тело имеет электронов больше, чем протонов, то оно заряжено отрицательно. Но так как протоны и электроны стремятся друг к другу, то тела, противоположно заряженные, взаимно притягиваются.

Доктора Арк-Синуса заинтересовало, как объясняли электрические явления в XIX веке. Оказалось, что ученый, учитель и студент прежних дней принимали электрические явления как факт и вместе с обывателем говорили, что объяснить эти явления они не могут. Это очень огорчило и удивило доктора Арк-Синуса.

Так как избыток электронов может быть найден в отрицательно заряженном теле, а избыток протонов — в положительно заряженном, то эти тела взаимно притягиваются. Доктор Арк-Синус, оказавшись между двумя противоположно заряженными телами, убедился в этом на собственном опыте.

Если заряженное тело изолировано от других проводников, то оно сохраняет свой заряд неизменным. О таком теле говорят, что оно заряжено статическим электричеством.

При известных условиях изоляция между двумя противоположно заряженными телами может оказаться недостаточной. Тогда происходит перенос заряженных частичек с одного тела на другое. Это явление называется статическим разрядом. Выделяющаяся при этом энергия проявляется в форме искры — света, тепла и звука.

*

Тело, несущее на себе электрический заряд, окружено пространством, в котором распространяется действие электрических сил. Такое пространство называется электрическим полем. Два изолированных тела, несущих на себе различные заряды, имеют между собой разность потенциалов, или напряжение. Напряжение измеряется работой, которую нужно затратить, чтобы перенести элементарный заряд от одного тела к другому в электрическом поле. Интересно, что величина напряжения зависит не от количества зарядов, а от их плотности. Так, например, шарик диаметром в 10 см, обладающий биллионом избыточных электронов, будет иметь только одну десятую того потенциала, который имел бы при тех же условиях шарик диаметром в 1 см.

Напряжение в 120 в на проводах осветительной сети возникает благодаря концентрации избыточных электронов вдоль одного провода и соответствующего недостатка электронов вдоль другого провода.

Когда человек прикасается к проводам, избыток электронов одного провода устремляется через тело человека в другой провод, вызывая тяжелые последствия. Поэтому никогда не следует прикасаться к таким проводам.

Напряжение на проводах возникает благодаря концентрации избыточных электронов вдоль одного провода и соответствующего недостатка электронов вдоль другого провода. Доктор Арк-Синус попробовал прикоснуться к этим проводам, и тотчас же избыток электронов одного провода стремительно ринулся через его тело в другой провод. Ощущение было очень неприятное, и, вероятно, доктор Арк-Синус никогда больше не будет прикасаться к таким проводам.

Точно так же, если положительно и отрицательно заряженные тела соприкасаются непосредственно, или, как говорят, между ними создается контакт, то электроны от тела с отрицательным зарядом будут двигаться к телу с положительным зарядом до тех пор, пока не наступит равновесие.

Вот это движение электронов от одного тела к другому и есть не что иное, как электрический ток.

Итак, мы видим, что явление электрического тока можно представить себе как движение электронов вдоль электрической цепи. Такое движение электронов создается электрическим генератором. Если, как это часто бывает, генератор работает так, что в электрической цепи электроны меняют направление своего движения несколько десятков раз в секунду, то такой ток называют «переменным».

Но почему в проводнике движутся только электроны и остаются неподвижными протоны? Ведь их электрические заряды равны, следовательно, равны и силы их взаимодействия!

Оказывается, протоны не движутся потому, что их масса в 1834 раза больше, чем у электронов. Кроме того, протоны очень крепко связаны с самим атомом.

Величина электрического тока зависит от того, сколько электронов проходит через данное место в цепи в единицу времени. Так, например, через волосок электрической лампочки в нашей осветительной сети в одну секунду проносится 3000000000000000000 электронов. Это огромное количество электронов соответствует току всего лишь в пол ампера.

Скорость движения электронов может быть различной. В высоковольтной вакуумной трубке, включенной в электрическую цепь, электроны могут двигаться со скоростью, приближающейся к скорости света. В другой части этой же цепи средняя скорость их передвижения вдоль проводника может быть равна всего лишь нескольким миллиметрам в секунду несмотря на то, что каждый электрон будет совершать быстрые и сложные движения. Это похоже на то, как во время игры в футбол каждый из игроков совершает быстрые движения в различных направлениях, в то время как вся группа игроков вместе с мячом перемещается по футбольному полю довольно медленно.

Много лет тому назад ученые приняли условно направление тока от плюса к минусу. Но так как направление движения электронов в электрических целях происходит от минуса к плюсу, то это условие оказалось выбранным неудачно. Оно усложняет объяснение различных электронных устройств.

*

Электрический ток в твердых телах — это движение «свободных» электронов. Такие электроны могут перемещаться из своих родных атомов в другие атомы.

Возникают свободные атомы при следующих обстоятельствах. Несмотря на то, что молекулы в твердых телах расположены вплотную друг около друга, они все же находятся в движении. Электроны движутся вместе с молекулами и, кроме того, сами вращаются вокруг своих ядер. Вследствие молекулярного и электронного движений некоторые электроны могут оказаться на таком же расстоянии от ядра чужого атома, как и от своего собственного. В этот момент такие электроны становятся «свободными» и под действием разности потенциалов легко передвигаются вдоль электрической цепи.

Вследствие молекулярного и электронного движений некоторые электроны могут оказаться на таком же расстоянии от ядра чужого атома, как и от своего собственного. Доктор Арк-Синус сам видел, что в этот момент такие электроны становятся «свободными» и под действием разности потенциалов легко покидают свой атом и передвигаются вдоль электрической цепи.

*

Как проходит электрический ток в жидкости, легко понять, если руководствоваться электронной теорией. Чистая дистиллированная вода электрического тока не проводит. Но эта же вода становится хорошим проводником, если к ней добавить хотя бы немного кислоты или щелочи. Объясняется это тем, что часть молекул добавленного вещества расщепляется на ионы — частицы, несущие положительные или отрицательные заряды. Так, например, соляная кислота разлагается на положительные ионы водорода и отрицательные ионы хлора, а хлористый натр — на положительные ионы натрия и отрицательные хлора. Это значит, что атомы водорода и натрия потеряли по одному электрону и образовали положительные ионы, т. е. заряжены положительно. И, наоборот, атомы хлора имеют добавочные электроны и заряжены отрицательно.

Вот почему, когда в жидкость с кислотой или щелочью погружают электроды, присоединенные к источнику электрического тока, ионы в жидкости начинают перемещаться. При этом отрицательные ионы путешествуют к положительному электроду и отдают ему свои избыточные электроны, а положительные ионы путешествуют к отрицательному электроду и берут у него электроны.

Таким образом, ионы служат передатчиками электронов через жидкость.

Это движение электронов и представляет собой электрический ток, идущий через жидкость.

*

Через газы электричество проходит, так же, как и через жидкости, при помощи ионов. Но образуются здесь ионы иначе. Газовые атомы могут расщепиться на ионы в результате их бомбардировки высокоскоростными электронами или под действием электромагнитных волн. Если высокоскоростной электрон или ион выброшен в газовую среду, он сталкивается с какой-нибудь молекулой этого газа. Такое столкновение обычно происходит с электронами, которые вращаются по наружным орбитам газовых атомов. В результате скоростной ион либо только изменит направление своего движения, либо выбьет электрон с внешней орбиты газового атома.

Если атом теряет электрон, оставшаяся его часть заряжается положительно — получается положительный ион. Выбитый электрон может остаться свободным и сам по себе называется отрицательным ионом. Но он может и присоединиться к какому-нибудь нейтральному атому. В этом случае также получится отрицательный ион, но масса его будет значительно больше. Следовательно, при удачном «попадании» электрона он разбивает атом и образует ион. Ясно, что если в газ поместить электроды, к которым подведено напряжение, газовые ионы будут двигаться по направлению к электродам.

По пути к электродам эти ионы будут сталкиваться с газовыми молекулами. В благоприятных условиях, например, если разность потенциалов между электродами достаточно высока, такие столкновения вызовут образование других газовых ионов. «Новые» ионы, направляясь к электродам, будут в свою очередь сталкиваться с газовыми молекулами и образовывать другие ионы. Таким образом, ионизация газа становится очень интенсивной, и ток может достигнуть довольно больших размеров.

Доктор Арк-Синус решил посмотреть, как происходит ионизация газа. Как истинный ученый, он с риском для жизни проник в опасную зону, где происходила бомбардировка атомов электронами. Он видел, как высокоскоростные электроны и ионы разрушают газовые атомы, вышибая сих наружных орбит электроны.

Столкновения электронов и ионов с атомами — это, вероятно, не непосредственный физический контакт, подобный тому, какой происходит при столкновении биллиардных шаров. Это скорее взаимное отталкивание между зарядами отдельных электронов и ионов. Ведь молекулы газа находятся постоянно в чрезвычайно быстром и беспорядочном движении. А электроны в свою очередь движутся по своим орбитам. Поэтому легко может случиться, что в результате такого сложного движения электрон вынужден будет покинуть свой родной атом.

Интересный «побочный продукт» ионизации получается, когда скорость электрона недостаточно велика, чтобы при столкновении с атомом произвести ион. Такой электрон не выбивает электрон нейтрального атома, а заставляет его перейти с одной орбиты на другую.

Нильс Бор предположил, что у атома имеется несколько орбит, по которым может двигаться вращающийся электрон. Поглощая или излучая энергию, электрон «перескакивает» с одной орбиты на другую. Поэтому орбиту можно представить как уровень энергии электрона.

При «перескакивании» электрона с одной орбиты на другую он как бы запасается энергией точно так же, как запасается энергией взведенный курок пистолета. Когда курок спускается, т. е. возвращается в первоначальное положение, он свою энергию отдает — разбивает капсюль патрона. Точно так же, когда электрон возвращается на свою орбиту, он тоже отдает свою энергию. Энергия электрона, возвращающегося на свою орбиту, выделяется в форме видимой электромагнитной волн. Это видимое излучение, свет, бывает разного цвета. В основном цвет излучения зависит от того, какой химический элемент образует данную газовую молекулу.

Все газовые и паронаполненные электрические иллюминационные устройства, например неоновые, ртутные и другие лампы, работают именно на этом принципе производства света.

*

В современной технике получили огромное распространение различного рода электронные устройства (электронные лампы, фотоэлементы, выпрямители и т. д.). Как же проходит электрический ток через эти устройства?

Работа большинства из них основана на освобождении, удалении электронов из твердых тел. Один из методов освобождения электронов — это бомбардировка атомов твердого тела электронами, ионами или атомными ядрами. Можно также как бы «вычесать» электроны из некоторых веществ при помощи световых лучей. На этом способе удаления электронов основано действие фотоэлектрических элементов.

При помощи тепла осуществляется третий, термический метод освобождения электронов. Дело в том, что электроны связаны с атомами силой притяжения к атомным ядрам. Молекулы находятся постоянно в беспорядочном движении, и с ними вместе движутся электроны. Кроме того, электроны движутся по своим орбитам. При достаточно высокой температуре интенсивность этого движения очень велика, и скорость отдельных электронов может быть достаточной, чтобы они могли оторваться от поверхности твердого тела.

Термический метод освобождения электронов применяется в электронных трубках.

Ценность почти всех электронных трубок заключается в том, что они проводят ток только в одном направлении. Объясняется это вот чем.

В трубке с высоким вакуумом, помещены два электрода — волосок и пластинка. Волосок нагревают настолько, что он начинает излучать большое количество электронов. Если пластинка заряжена положительно, то часть вылетающих с волоока электронов будет к ней притягиваться. Таким образом, через вакуум от волоска к пластинке потечет электрический ток. Если же пластинка заряжена отрицательно, то вылетающие с волоска электроны будут от нее отталкиваться, и ток через вакуум не пройдет.

Очевидно, если к электродам присоединить источник переменного тока, то пластинка будет заряжаться попеременно: то положительно, то отрицательно. И только в те моменты, когда пластинка заряжена положительно, к ней через вакуум будут проходить электроны.

В те же моменты, когда пластинка заряжена отрицательно, электроны проходить не будут.

Таким образом, двухэлектродная трубка пропускает ток только в одном направлении и является выпрямителем переменного тока.

*

В этой статье мы познакомили читателя с некоторыми основными положениями электронной теории. С развитием этой теории человечество сделало еще один шаг вперед к раскрытию тайн строения вещества.

Однако не следует думать, что электрон есть последний, неделимый «кирпич мироздания». Тридцать лет тому назад в своей гениальной работе «Материализм и эмпириокритицизм» Ленин писал: «Электрон так же неисчерпаем, как и атом...» Дальнейшее развитие физики подтвердило ленинское предвидение о неисчерпаемости материи. Всего лишь пять лет назад была получена фотография космических лучей, которая показывает, что существуют частицы, имеющие такую же самую массу и такую же величину заряда, как электрон. Но заряд их положительный. Открытие положительного электрона, или позитрона, заставляет пересмотреть и дополнить некоторые физические теории, которые раньше считались твердо установившимися.

На очереди вопрос о сложности электрона. Советские физики, вооруженные могущественным методом диалектического материализма, в передовых рядах мировой науки борются за дальнейшее раскрытие тайн строения вещества.

---

* Автор статьи, наверно, хотел сказать: «нейтрон … имеет такую же массу, что и протон».  Массы протона и нейтрона в энергетических единицах имеют следующие величины: m_p ≈ 1.0073u ≈ 938.272 MэВ/c², m_n ≈ 1.0087u ≈ 939.565 MэВ/c². С точностью ~1% массы протона и нейтрона равны одной атомной единице массы (1 u).