Повседневный опыт приучил нас, что твердые тела и жидкости имеют плотную, непрерывную структуру. А вместе с тем структура у них, если можно так сказать, ажурная. Любое вещество — вода, бумага, мрамор, сталь — больше напоминает редкую волейбольную сетку, чем плотный клубок ниток. Мы, конечно, не можем увидеть эту ажурность, сетчатость, но точными физическими исследованиями установлено, что в атоме сгустки вещества — атомные ядра и электроны — находятся друг от друга на расстояниях, во много раз превышающих размеры этих частиц. Так, скажем, если предположить, что атомное ядро имеет размеры футбольного мяча, то для соблюдения истинных пропорций нужно представить себе, как вокруг этого мяча на расстояниях в сотни и тысячи метров (!) вращаются электроны размером с горошину. А все остальное — пустота. Ну а расстояния между соседними атомами в этом масштабе совсем уже огромны — это десятки и сотни километров!
Ажурные атомные конструкции, огромные пространства между атомами — вот первая особенность строения вещества, которую важно знать конструкторам электрических заводов, где будут работать электроны.
А вот вторая.
В любом веществе всегда найдется некоторое количество атомов, потерявших электроны со своих внешних орбит. В твердом теле атомы как бы закреплены в определенных точках пространства, связаны друг с другом в прочный каркас. В жидкостях атомы связаны слабее, могут смещаться, именно поэтому жидкость «мягкая», она легко изгибается, течет. Во всех случаях атомы совершают какие-то небольшие движения, колеблются, пошатываются, причем тем сильней, чем выше температура вещества. Только при абсолютном нуле, при температуре 0 градусов по шкале Кельвина (0 К; минус 273,16 градуса по шкале Цельсия; получить такую температуру пока никому не удалось, хотя подошли к ней очень близко — остались миллионные доли градуса), собственные хаотические движения атомов затихают. В процессе этих хаотических, как их называют, тепловых колебаний атомы, грубо говоря, сбрасывают некоторые внешние электроны, те, что сильно удалены от ядра и слабее других привязаны к нему электрическими силами. Вырвавшиеся из атомов электроны беспорядочно слоняются (Т-8) в межатомном пространстве, они свободны, и эти свободные электроны вполне можно было бы использовать в качестве движущихся деталей электрических машин (Р-5;3).
Р-5;3
Запомним, в твердом веществе могут быть свободные электроны. А теперь перейдем к жидкостям и газам.
Атом, потерявший один или несколько электронов, — это положительный ион. В твердых телах такие положительные ионы неподвижны, в жидкостях и особенно в газах они могут двигаться. Кроме того, в жидкостях и газах могут появиться подвижные отрицательные ионы — атомы, в которые попал лишний электрон. Таким образом, в жидкостях и газах может быть сразу три типа работающих деталей — свободные положительные ионы, свободные отрицательные ионы и, как всегда, еще свободные электроны (Р-5;4).
Р-5;4
Итак, в веществе существуют свободные электрические заряды. И есть свободное пространство, где они могут двигаться. Теперь попробуем выяснить, какую пользу можно получить от такого движения зарядов, какую работу эти заряды могут выполнять.
Т-22. Движущиеся свободные электроны (ионы) могут создавать тепло и свет, участвовать в транспортировке вещества. Если бить молотом по куску железа, то оба они сильно нагреются: энергия движущегося молота в процессе удара превращается в тепло. По той же причине быстрый поток песчинок, выбрасываемый пескоструйным аппаратом, попав на гранитную плиту, не только очищает ее, но еще и нагревает.
Если в каком-либо веществе создать поток электронов или свободных ионов, то, сталкиваясь с атомами вещества и друг с другом, эти движущиеся частицы будут нагревать вещество — удар всегда удар. Тепловое действие, нагревание — первая профессия движущихся зарядов (Р-6;1,2).
Р-6;1,2
Вторая их профессия — излучение света. Если хорошо разогнать свободные заряды, то они будут ударять по атомам вещества с такой силой, что те начнут светиться, как, скажем, светится сильно нагретый кусок железа.