Что же такое электроны. Какова их природа.

 

СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ

 

В металле, как и во всех твёрдых телах, каждый атом занимает определённое место. Правда, при некоторых условиях атомы твёрдых тел могут покидать свои места, но во всяком случае они долгое время остаются «привязанными» к определённому месту. В зависимости от температуры каждый атом более или менее сильно колеблется около этого места, не удаляясь от него сколько-нибудь далеко. В отличие от других твёрдых тел металлы обладают одной интересной особенностью: в пространстве между атомами металлов движутся «свободные электроны», то есть электроны, не связанные с определёнными атомами.

Гальванический ток в металле.

Откуда берутся такие свободные электроны?

Дело в том, что в атомах не все электроны одинаково прочно удерживаются ядром. В электронных оболочках атомов металлов всегда есть один, два или три электрона, очень слабо связанных с ядром. Поэтому, например, при растворении различных солей входящие в их состав атомы металлов легко отдают эти электроны другим атомам, а сами превращаются в положительные ионы. Отрыв электронов от атомов происходит и в куске любого металла, но все электроны, утерявшие связь с атомами, остаются в самом металле между образовавшимися ионами.

Число свободных электронов в металле огромно. Их примерно столько же, сколько самих атомов. Тем не менее, весь кусок металла остаётся, конечно, незаряженным, так как положительный заряд всех ионов в точности равен отрицательному заряду всех электронов.

Таким образом, строение металла мы может себе представить в таком виде:

Атомы металла, потерявшие по 1-2 электрона, стали ионами. Они сравнительно прочно сидят на своих местах и образуют, можно сказать, жёсткий «скелет» куска металла. Между ионами быстро движутся по всем направлениям электроны. Некоторые из электронов при движении тормозятся, другие ускоряются, так что среди них всегда есть и быстрые и медленные.

Движение свободных электронов вполне беспорядоч-но. Нельзя уловить в нём никаких струек или потоков, никакой согласованности. Свободные электроны движутся в металле приблизительно так, как мечутся мошки в тёплом воздухе летним вечером: в рое каждая из мошек летает сама по себе, то быстрее, то медленнее, а весь рой стоит на месте.

Среди беспорядочно движущихся электронов всегда есть такие, которые летят по направлению к поверхности металла. Будут ли они вылетать из металла? Ведь если оставить открытым сосуд с газом, молекулы которого также находятся в беспорядочном движении, как и электроны в металле, то молекулы газа быстро рассеются в воздухе. Однако электроны в обычных условиях не вылетают из металла. Что же их удерживает? Притяжение ионами.

Когда электрон поднимается немного над поверхностью металла, над ним уже нет ионов, а внизу, на поверхности, есть. Эти ионы притягивают поднявшийся электрон, и он падает обратно на поверхность металла, как падает на землю брошенный вверх камень.

Если бы камень имел достаточно большую начальную скорость, он мог бы преодолеть притяжение Земли и улететь в межпланетное пространство, как улетает пушечное ядро в романе Жюль Верна. (Обратите внимание, этот пример из фантастического романа был взят автором в 1949 году потому, что первый искусственный спутник земли был запущен только в 1957 году. А до этого времени люди только мечтали о покорении Космоса. Комментарий — А.Б.).

Очень быстрые электроны тоже могут преодолеть силы электрического притяжения и покинуть металл. Это и происходит при нагревании. При нагревании металла усиливается движение не только атомов, но и электронов, и при высокой температуре из металла вылетает столько электронов, что их поток можно обнаружить. Посмотрите на рис. 7.

 

Рис. 7. Вырванные из раскалённого катода электроны устремляются к аноду только тогда, когда анод заряжен положительно.

 

Здесь изображена не совсем обычная электрическая лампочка. В её баллоне на некотором расстоянии от нити накала укреплена металлическая пластинка. Пластинка называется анодом, а нить — катодом. К одному концу нити (всё равно к какому) и к аноду присоединена электрическая батарея, а между батареей и анодом в так называемую «анодную цепь» включён измерительный прибор, показывающий наличие электрического тока. Прибор этот называется гальванометром. Сама нить лампы включена в электрическую сеть и раскалена. Если анод соединён с отрицательным полюсом батареи, а нить с положительным, то тока в анодной цепи не будет (рис. 7 слева).

Теперь попробуем поменять полюсы и присоединим пластинку к «плюсу» батареи. В цепи сейчас же появится электрический ток (рис. 7 справа). Этот опыт показывает, что раскалённая нить лампы действительно испускает отрицательные заряды — электроны, которые отталкиваются от анода, если он заряжен отрицательно (рис. 7 слева), и увлекаются электрическими силами к аноду, если он присоединён к положительному полюсу батареи (рис. 7 справа).

Испускание электронов накалёнными металлами имеет огромное практическое значение. Достаточно сказать, что оно используется во всех радиолампах.

Увеличить энергию электронов и заставить их вылетать из металла можно не только нагреванием, но и освещением. Такие явления изучил в 1888-1890 годах русский физик, профессор Московского университета А. Г. Столетов. Поток световых лучей несёт энергию, и если свет падает на металл, то часть этой энергии поглощается металлом и передаётся электронам. Получив добавочную энергию, некоторые электроны преодолевают притяжение ионов и вылетают из металла. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом. Фотоэффект использу-ется в очень важном для техники приборе — фотоэлементе.

 

Итак, мы знаем, что электроны можно извлечь из атомов. Посмотрим теперь, как можно управлять электронами, покинувшими атомы…».

Мы только что прочли прекрасный рассказ учёного. Это лучшее объяснение на тему, «как мы должны представлять себе электроны, образующие электри-ческий ток», из того, что лично я встречал в научно-популярной литературе.

Далее в этой книге В.И.Гапонова мы сразу переходим к главе «Электрический ток»:

«Мы уже знаем, что в металлах есть свободные электроны, и что они движутся совершенно беспорядочно. Однако это движение можно отчасти упорядочить: с помощью электрического поля можно заставить свободные электроны течь по металлу общим потоком в нужном направлении, то есть, получить электрический ток.

Есть простой опыт, доказывающий, что ток в металлах — это действительно поток электронов (отрицательных зарядов), а не положительных зарядов. Этот опыт впервые поставили советские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси».

(Описание этого опыта я пока пропускаю, и мы читаем дальнейший текст этой главы. Комментарий — А.Б.).

«Между электрическим током в проводе и потоком воды в трубе есть большое сходство, которым можно воспользоваться, чтобы лучше понять, как электрический ток течёт по проводу. Представим себе течение воды не в пустой трубе, а в трубе, плотно заполненной камнями. Камни положены так тесно один к другому, что составляют как бы одно целое со стенками трубы, образуя настоящий «каменный скелет» в трубе. Промежутки между камнями заполнены водой (рис. 15).

Рис. 15. Поток электронов в проводе подобен течению воды в заполненной камнями трубе.

 

Итак, наша труба с уложенными в ней камнями уже заполнена водой, но пока кран закрыт, вода в ней никуда не течёт. Нет напора воды — нет и течения воды в правый резервуар. Быстрым поворотом крана создадим напор. Он распространится по трубе, конечно, не мгновенно, но всё же с большой скоростью — около одного километра в секунду (точнее, со скоростью распространения звука в воде). Эта скорость определяется плотностью и упругостью воды.

Похожим образом можно создать в проводе «электрический напор», который будет побуждать электроны двигаться упорядоченно в ту или иную сторону вдоль провода. Когда этот «электрический напор» возникает в проводе, он распространяется в нём со скоростью света.

Это очень важно запомнить, чтобы потом задаться вопросом: упругостью и плотностью чего определяется скорость распространения «электрического поля» в проводах?! Комментарий — А.Б.).

Значит, если труба не очень длинна, то почти сразу вода потечёт по всей трубе. Отдельные молекулы воды всегда находятся в непрерывном и беспорядочном движении. В потоке воды беспорядочное движение, при котором каждая молекула движется сама по себе, вовсе не прекратится. Но это совершенно не мешает воде всей массой, общим потоком, течь по трубе. Сравнение молекул с роем мошек пригодно и здесь. Если рой мошек уносится потянувшим их ветерком, беспорядочное движение отдельных мошек не прекращается, а весь рой целиком летит по ветру.

Вода течёт между камнями, преодолевая трение. А там, где есть трение, выделяется тепло. Нагревание сделается вполне заметным, если по трубе пройдёт много воды под большим напором.

Поток электронов в проводнике очень похож на поток воды в трубе. Представим себе вместо молекул воды свободные электроны, а вместо «каменного скелета» в трубе «скелет» из ионов металла. Электроны, как и молекулы воды, текут по проводу общим потоком, не прекращая при этом своего беспорядочного движения.

Движение потока электронов не проходит бесследно для провода. Между ионами и электронами тоже создаётся своего рода «трение», которое носит название электрического сопротивления.

Следствием «трения» между электронным потоком и ионами является непрерывное выделение тепла в проводнике. Нагревание проводников током применяется буквально на каждом шагу: в самых отдалённых уголках нашей страны светит «лампочка Ильича»; миллионы людей пользуются электроплитками, чайниками и утюгами; нет ни одною завода или лаборатории, где бы ни было самых различных электропечей.

Вода по трубе течёт под напором. Это значит, что во всём объёме воды по всей трубе действует сила, подгоняющая молекулы воды.

Но как создать силу, движущую свободные электроны по проводу? Как осуществить «электрический напор»?

Вообразим, что мы сумели создать на концах куска провода два слоя зарядов разных знаков. Например, «сняли» с правого конца провода некоторое количество свободных электронов (создали в этом месте их разрежение, что равнозначно положительному заряду) и «перенесли» их на левый конец (создали в этом месте их повышенную концентрацию, что равнозначно отрицатель-ному заряду). Тогда между слоями зарядов разных знаков внутри провода возникнет электрическое поле. (Его аналог — напор воды, возникший из-за перепада уровней воды h, смотрите рисунок 15. Комментарий — А.Б.). При этом на каждый электрон будет действовать сила, толкающая его к положительному слою. Все свободные электроны двинутся слева направо (от области, где мы искусственно создали их повышенную концентрацию, в область, где мы искусственно создали их разрежение). Таким образом, в проводе потечёт «электрический ток».

Можно сказать, что мы получили в проводе электрический напор. Электротехники и физики называют его электрическим напряжением.

Но что же будет дальше? Электроны войдут в положительный слой (в область разрежения) и нейтрализуют заряд. Напряжение исчезнет, и ток прекратится.

Из этого следует, что для получения постоянного, не прерывающегося электрического тока в проводе нужно всё время поддерживать существование электрического поля, придумать что-то вроде непрерывно действующего «электронного насоса», перекачивающего электроны с одного конца провода на другой…»

Здесь я прерву рассказ советского учёного Виктора Ивановича Гапонова, автора книги «ЭЛЕКТРОНЫ» 1949 года издания, чтобы задать читателю ряд вопросов по уже прочитанному материалу: как вы думаете, что собою представляет «электрическое поле», оказывающее на электроны силовое воздействие, о котором известно, что внутри проводов это силовое воздействие распространяется со скоростью света?

Эта скорость очень большая, но не бесконечная. Что ограничивает её? А что ограничивает этой же величиной скорости движение световых волн в так называемом «свободном пространстве»? Тоже очень хороший вопрос!

Из этого рассказа вам уже понятно, что «электрическое поле» в проводе — это не сами электроны. Это то, что оказывает на них силовое воздействие, или то, что может принимать на себя силовое воздействие со стороны электронов, когда они приходят в движение под действием внешнего магнитного поля. Другими словами, существует некая в буквальном смысле передаточная среда, обладающая уникальными свойствами, в которой могут возникать механические напряжения, называемые нами «электрическим полем». Причём согласно воззрениям «современной физики», и это лежит в основе «Электромагнитной теории света» Д.К.Максвелла, электрическое поле как силовое давление или разрежение может существовать в пространстве отдельно от электронов, но в связке с магнитным полем, когда имеет место распространение радиоволн. Цитирую многократно переизданный в СССР и России учебник для ВУЗов: «Переменные электромагнитные поля могут, взаимно порождаясь, существовать независимо от зарядов и токов. Такими полями, порождёнными зарядами и токами, но распространяющимися затем в пространстве независимо от этих последних, являются радиоволны, свет, рентгеновские лучи, гамма-излучение атомных ядер». (Зисман Г.А. Курс общей физики Т.2, издательство «НАУКА», Москва, 1974).

Мы увидели в рассмотренной нами аналогии «между электрическим током в проводе и потоком воды в трубе есть большое сходство», и что действие «электрического поля», возникающего и распространяющегося в проводе, аналогично (!) действию давления (напора) в жидкостях. И если современная наука утверждает (пусть даже только в одном случае), что электрическое поле может распространяться в пространстве в тесной связке с магнитным полем без привязки к электрическим зарядам и токам, то на этом основании мы можем мысленно нарисовать себе следующую картинку: внутри провода среди атомов вещества находятся так называемые «свободные электроны», при этом вся эта система из атомов и «свободных электронов» погружена в некую таинственную несжимаемую жидкость, в которой могут возникать области напряжения (сжатия и разрежения), воспринимаемые нами как силовое «электрическое поле». И тот факт, что эти области напряжения (сжатия и последующего разрежения) распространяются в проводе с той же самой скоростью, с какой свет распространяется в свободном пространстве, побуждает меня лично думать, что «современная физика» ничего не может объяснить без эфира, который она отвергла, и поэтому-то учёные новой формации столь тщательно замаскировали его за различными надуманными и очень витиеватыми определениями.

Теперь продолжим читать рассказ советского учёного Виктора Ивановича Гапонова об электронах:

«В действительности роль «электронного насоса» исполняют гальванические элементы, аккумуляторы и динамо-машины. Особенно большое значение в технике имеют динамо-машины. Действие всех динамо-машин основано на одном замечательном явлении: когда металлический провод движется поперёк магнитных силовых линий, в нём возникает электрический ток».

Я уточню: когда металлический провод движется поперёк магнитных силовых линий, в нём (причём именно на том участке провода, который пересекает магнитные силовые линии) начинают упорядоченно двигаться электроны, а уже их движение (подобно движению поршня в цилиндре компрессора) создаёт напряжение в той похожей на жидкость уникальной среде, которая заполняет в теле провода все межатомные и внутриатомные пустоты. Это локальное напряжение, которое мы называем «электрическим напряжением»,распространяется внутри проводасо скоростью света как упругая волна и почти мгновенно вызывает смещение всех остальных свободных электроновво всей электрической цепи, которая подключена к проводу, пересекающему магнитное поле. Комментарий — А.Б.

Как это происходит? — спрашивает читателя Виктор Иванович Гапонов в своей книге «ЭЛЕКТРОНЫ», имея в виду возникновение электрического тока в металлическом проводе, когда он движется поперёк магнитных силовых линий. И он сам же отвечает на него:

«Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим упрощённую модель динамо-машины.

На рисунке 16 между полюсами магнита по двум токосъёмным металлическим лентам движется отрезок провода (он обозначен буквами АБ). Сам он двигаться, конечно, не будет, его нужно двигать рукой; но и якорь, вращающаяся часть настоящей динамо-машины, движется не сам — его вращает турбина или какой-нибудь другой двигатель.

Рис. 16. В проводе, который движется под действием внешней силы между полюсами магнитов, возникает ток.

 

К токосъёмным металлическим лентам присоединена лампочка, так что электрическая цепь всё время замкнута. В отрезке провода АБ, как и во всяком куске металла, находятся свободные электроны, которые движутся вместе с проводом. Все вместе они движутся под прямым углом к магнитным силовым линиям (это направление движения отмечено стрелкой). При этом на электроны со стороны магнитного поля действуют силы, побуждающие их двигаться вдоль провода от конца Б к концу А (это направление движения электронов отмечено на рисунке маленькими стрелками). Причём электронам, накапливающимся в А, открыт путь через лампочку. По этому пути они и устремляются.

Когда отрезок провода дойдёт до края магнитного поля (на рисунке это положение провода отмечено пунктиром), ток прекратится. Чтобы этого не случилось, нужно сразу же двинуть отрезок провода обратно. При этом ток, конечно, изменит направление, но лампочка гореть не перестанет, потому что тепло в проводнике выделяется независимо от направления тока. Если двигать отрезок провода АБ вперёд и назад между двумя крайними положениями, то через лампочку будет течь ток, меняю-щий своё направление.

На языке электротехники ток, меняющий своё направление, носит название «переменного тока».

В настоящих динамо-машинах провода вращаются в магнитном поле. При этом также получается переменный ток. Если нужно получить ток постоянного направления, переменный ток с помощью особых устройств «выпрямляют».

Таким образом, в динамо-машине «электронным насосом» служит магнитное поле, (которое непосред-ственно воздействует на электроны. Комментарий — А.Б.). Оно перегоняет электроны внутри провода от Б к А, и на концах отрезка, которые называются полюсами, накапливаются заряды разных знаков. Значит, в проводах «внешней цепи» будет действовать электрическое поле, то есть, будет существовать «электрический напор»!

Теперь посмотрим на рисунок 17. Он очень похож на рисунок 16. Разница только в том, что в цепь вместо лампочки включена гальваническая батарея. Её назначе-ние здесь — создавать в проводниках «электрический напор», который будет гнать электроны по куску провода, лежащему на токосъёмных пластинах, в направлении, отмеченном на рисунке маленькими стрелками. Это направление перпендикулярно к магнитным силовым линиям. При этом на каждый электрон действует сила, направленная под прямым углом как к силовым линиям, так и к направлению движения электронов. Эти силы также показаны на рисунке стрелками. Электроны не могут вырваться из проводника. Этому, как мы знаем, препятствуют силы притяжения ионов металла. Но эти маленькие силы, действующие на каждый электрон, в сумме дают вполне заметную силу, которая увлекает с собой весь провод и перемещает его по токосъёмным пластинкам.

Такое движение провода с током в магнитном поле используется в электромоторах.

 

Рис. 17. Провод, по которому текут электроны, перемещается в магнитном поле.

 

Остаётся ещё один вопрос (к рисунку 16): через сколько времени загорится лампочка, включённая в электрическую цепь, после того, как динамо-машина пущена в ход, то есть, двинулся с места провод АБ?

Заряды на полюсах динамо-машин создают в присоединённом к ним проводнике электрическое поле. Проводник может быть очень длинным и разветвлённым; такова, например, городская электросеть. Но электричес-кое поле распространяется с огромной скоростью. Эта скорость примерно равна 300000 километров в секунду. Поэтому во всей сети — будь она длиной хоть в сотни километров — электрическое поле появится почти мгновенно: сразу во всех проводах, во всех лампочках и моторах свободные электроны начнут двигаться туда, куда их гонит электрическое поле. Сразу загорятся лампочки, заработают моторы и т. д.

Но не надо думать, что поток электронов в проводе течёт с той же огромной скоростью, с какой распространяется вдоль провода электрическое поле.

Скорость потока электронов (не путать со скоростью беспорядочного движения отдельных электронов!), вообще говоря, зависит от напряжения — «электрического напора» (так же, как скорость воды в трубе зависит от напора воды). Эта скорость невелика. Например, в светящейся нити электрической лампочки проходимый электронным потоком путь за одну секунду измеряется миллиметрами. (Всего миллиметрами! При-том, что электрическое поле, приводящее в движение электроны, распространяется в проводах со скоростью света, а это почти 300000 км/сек. Комментарий — А.Б.).