ЭЛЕКТРОНЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Ы 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, а не поло­жительных зарядов. Этот опыт впервые поставили со­ветские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папа-- лекси.

Чтобы лучше разобраться в этом интересном опыте, рассмотрим сначала такой пример. Возьмём стакан с водой, подвесим его на нити и, закрутив нить, заставим стакан вращаться. Постепенно вода начинает вращаться вместе со стаканом. Если теперь внезапно остановить стакан, то вода ещё некоторое время будет двигаться по инерции.

Простая идея этого опыта была использована Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Мы опишем этот опыт очень упрощённо. Представим себе металли­ческое кольцо, вблизи которого подвешена лёгкая ма­гнитная стрелка (рис. 14). Известно, что электрический ток создаёт вокруг себя магнитное поле. Физики давно уже изучили действие этого поля на магнитную стрелку. Если бы по направлению, отмеченному на рисунке 14 стрелочками, по кольцу текли отрицательные заряды, то магнитная стрелка повернулась бы к кольцу южным
полюсом, а если положительные — то северным. Таким образом магнитная стрелка может указать, какие заряды и в каком направлении движутся по кольцу.

Приведём кольцо в быстрое вращение в том направ­лении, которое указано стрелками. Вместе с кольцом вращаются и положительные и отрицательные заряды, заключённые в металле, то-есть и свободные электроны и

«ионный скелет» ме - ЛУ /гУ/гУМ/N(Ш/ талла. При этом дей­ствие зарядов на стрелку взаимно пога-- сится. Стрелка оста­нется неподвижной.

Теперь резко оста­новим кольцо. При этом остановится «ион­ный скелет» металла, а свободные электроны будут некоторое время двигаться по инерции в прежнем направлении, так же, как вода в опыте с вращающимся Рис. 14. Схема опыта Л. И. Ман - стаканом. Это значит, дельштама и Н. Д. Папалекси. что появится электри­ческий ток. Стрелка должна повернуться к кольцу южным полюсом (рис. 14).

Опыт Мандельштама и Папалекси подтвердил это предположение. Таким образом было окончательно до­казано, что свободу движения в металле имеют отрица­тельные заряды и ток в металле — это поток электронов.

Между электрическим током в проводе и потоком воды в трубе есть большое сходство, которым можно вос­пользоваться, чтобы лучше понять, как ток течет 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).

Пока кран закрыт, напора воды нет и вода не течёт. Быстрым поворотом крана создадим напор. Он распро--
странится по трубе, конечно, не мгновенно, но всё же с большой скоростью — около одного километра в секунду. 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

Шт

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

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 электронного потока 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 не 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 левого конца провода некоторое количество свободных электронов и «перенесли» их на правый конец. Тогда между слоями зарядов разных знаков внутри про­вода получится электрическое поле такое же, как на рисунке И. На каждый электрон будет действовать сила, толкающая его к положительному слою. Все электроны двинутся справа налево, то-есть в проводе потечёт элек­трический ток. Можно сказать, что мы получили в про­воде электрический напор. Электротехники и физики на­зывают его напряжением.

Но что же будет дальше? Электроны войдут в поло­жительный слой и нейтрализуют его заряд. Напряжение исчезнет, и ток прекратится. Следовательно, для полу­чения постоянного, не прерывающегося 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.

В действительности роль «электронного насоса» исполняют гальванические элементы, аккумуляторы и динамомашины.

Особенно большое значение в технике имеют динамо- машины. Действие всех динамомашин основано на одном замечательном явлении: когда металлический провод

Движется поперёк магнитных силовых линий, в нём воз­никает ток. Как это происходит? Чтобы ответить на это, рассмотрим упрощённую модель динамомашины.

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

К лентам присоединена лампочка, так что электрическая цепь всё время замкнута. В отрезке провода, как и во всяком куске металла, находятся электроны, которые движутся вместе с проводом под прямым углом к сило­вым магнитным линиям (направление движения отме­чено стрелкой).

Как мы уже знаем, направление движения электро­нов, направление силовых линий и направление силы, действующей на электроны, всегда взаимно перпендику­лярны. Значит, на электроны будут действовать силы, отмеченные на рисунке маленькими стрелками. Они го­нят электроны вдоль провода от Б к А. Электронам, на­капливающимся в А, открыт путь через лампочку. По этому пути они и устремятся. 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, меняющий своё направ­ление. На языке электротехники ток, меняющий своё направление, носит название «переменного тока».

В настоящих динамомашинах 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 динамомашине «электронным на­сосом» служит магнитное поле. Оно всё время пере­гоняет электроны от Б к А, и на концах отрезка, которые называются полюсами, всё время накапливаются заряды разных знаков. Значит, в проводах «внешней цепи» всё время будет действовать электрическое поле, 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 батарея. Она гонит электроны по куску провода, лежащему на пластинах, в направлении, отмеченном на рисунке маленькими стрелками. Это на­правление перпендикулярно к магнитным силовым линиям. Значит, на каждый электрон будет действовать 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 ма­ленькие силы, действующие на каждый электрон, в сумме дадут вполне заметную силу, которая увлечёт с собой весь провод и будет перемещать его по пластинкам.

Движение провода, по которому идёт ток, в магнит­ном поле используется в электромоторах.

Остаётся ещё один вопрос: через сколько времени

После того, как динамомашина пущена в ход (то-есть двинулся с места провод АБ на ри­сунке 16), загорится в цепи лампочка?

Заряды на полю­сах динамомашин со­здают в присоеди­нённом к ним про­воднике электриче­ское поле. Провод­ник может быть очень длинным и разветвлённым; та­кова, например, го­родская электросеть.

Но электрическое поле распространяет­ся с огромной скоро­стью. Эта скорость равна 300 ООО кило­метров в секунду.

Поэтому во всей сети — будь она дли­ной ХОТЬ В СОТНИ КИ—1

Лометров — элек­трическое поле по­явится мгновенно: сразу во всех прово­дах, во всех лам­почках и моторах свободные электроны начнут двигаться туда, куда гонит поле; сразу загорятся лампочки, зара­ботают моторы и т. д.

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 путь, проходимый электронным по­током за одну секунду, измеряется миллиметрами.

Итак, практическое использование электричества ос­новано, прежде всего, на том, что в металлах есть сво­бодные электроны, которыми мы можем легко управлять с помощью электрического поля.

Электронный поток в проводе можно в некотором от­ношении сравнить с поездом, движение которого направ­ляется рельсами. Машинист не нуждается в руле; его единственная забота — ускорять или тормозить поезд. Провод для электронного потока то же, что и рельсовый путь для поезда. Электроны в обычных условиях не мо­гут выйти из проводника. Нужно только создать необхо­димое напряжение на концах, и по проводнику любой формы потечёт ток.