С такими поверхностными знаниями об электричестве нельзя было понять сущность открытого Эдисоном явления, и оно осталось на долгое время загадочным «эффектом».
Но время шло. Наука все глубже и глубже проникала в тайны строения вещества, в тайны электричества.
Ученые узнали, что простейшие вещества, или, как их еще называют, элементы, вовсе не так просты, а состоят из атомов.
Атомы различных веществ, соединяясь друг с другом в группы — молекулы, образуют сложные вещества. Так, например, два атома водорода, соединившись с одним атомом кислорода, образуют молекулу воды.
В свою очередь, атом также имеет сложное строение. В центре атома расположено ядро, состоящее из частиц, заряженных положительно, — протонов, и частиц не заряженных — нейтронов. Ядро в целом поэтому обладает положительным зарядом.
Вокруг ядра вращаются чрезвычайно маленькие частицы отрицательного электричества, которые называются электронами. По величине заряд электрона равен заряду протона.
В зависимости от того, из какого числа электронов, протонов и нейтронов состоит атом, получается тот или иной элемент. Простейший из атомов — атом газа водорода — состоит из одного протона и одного электрона.
«ПОРТРЕТ» ЭЛЕКТРОНА
Электроны так малы, что их нельзя увидеть даже в самый сильнейший микроскоп, но ученым все же удалось узнать интересные подробности об этих мельчайших частичках электричества.
Действительная форма электрона ученым пока еще не известна, но размеры его, массу и электрический заряд они уже установили. Если предположить, что электрон имеет форму шарика, то диаметр его будет около 3/10 000 000 000 000 сантиметра. Чтобы удобнее было читать и главное осознавать такие цифры, принято писать эту дробь так: 3·10-13 сантиметра.
Вот это и есть «диаметр» электрона.
Примерно такие же размеры имеет и протон. Но объем атома значительно больше электрона и протона.
Если бы мы увеличили атом водорода до размеров футбольной площадки, то ядро его представляло бы шарик, величиной с маленькую горошинку, лежащую на середине площадки, а вокруг по беговой дорожке каталась бы другая такая же горошинка — электрон. Между ядром и электроном простирается пустота, но проникнуть в нее никаким другим «горошинам» — электронам и протонам — не так-то просто.
Масса электрона составляет 9·10-28 грамма. Насколько мала эта масса, можно заключить из следующего примера: чтобы получить 1 грамм электронов, их надо взять больше 1027 штук. Если бы мы захотели сосчитать эти электроны и засадили бы за счетную работу всех людей в мире — два миллиарда человек, а для ускорения разрешили бы им перекладывать электроны порциями по одному миллиону штук в одну секунду, то при условии, что они считали бы без перерыва дни и ночи, им потребовалось бы для этого малопродуктивного занятия 17 600 лет.
Ученые определили также, чему равен электрический заряд электрона. Он настолько мал, что через обычную электрическую стосвечовую лампочку, включенную в сеть напряжением в 220 вольт, проходит в течение каждой секунды колоссальное, воистину астрономическое количество электронов, равное 1 430 000 000 000 000 000!
«ДОМОСЕДЫ» И «ПУТЕШЕСТВЕННИКИ»
Суммарный отрицательный заряд вращающихся вокруг ядра электронов равен положительному заряду ядра, поэтому атом представляется электрически нейтральным — незаряженным. Но если каким-либо способом удалить из атома один или несколько электронов, то положительный заряд ядра не будет уравновешиваться зарядом электронов и атом в целом будет обладать некоторым положительным зарядом. Такой заряженный атом называется ионом. Ион, обладая положительным зарядом, стремится притянуть к себе могущие оказаться поблизости свободные электроны, чтобы снова стать нейтральным атомом.
В некоторых веществах электроны прочно связаны со своими атомами. Как публика в театре занимает места «согласно взятым билетам», так и электроны в таких веществах крепко держатся за осой ядра и не лезут в «чужие» атомы.
Электрический ток, представляющий собой организованное передвижение электронов в каком-либо определенном направлении, в таких веществах невозможен. Такие вещества являются изоляторами, или, как их еще называют, диэлектриками.
В других веществах, называемых проводниками, к которым относятся главным образом металлы, электроны, наоборот, очень слабо связаны со своими атомами. Они могут самопроизвольно отделяться от атома и передвигаться в различных направлениях по междуэлектродному пространству. Движение это совершенно беспорядочное, хаотичное. Электроны «бродят» по металлу без всякого соблюдения «правил уличного движения», словно толпа на базаре.
Если к каким-либо точкам металла приложить электродвижущую силу, то есть создать в одной точке избыток, а в другой недостаток электронов, то свободные электроны, сохраняя свои беспорядочные движения, начнут всей массой смещаться в ту точку, где ощущается их недостаток. Такое «организованное» перемещение электронов как раз и является электрическим током.
Задолго до открытия электронов люди условились считать, что ток течет от положительного полюса (плюс) к отрицательному полюсу (минус).
Но выходит, что от плюса (то есть от места, где недостает электронов) к минусу (где имеется избыток электронов) ничего не течет, а наоборот, от минуса электроны двигаются к плюсу.
Таким образом действительное направление движения электричества — движение электронов — оказалось обратным тому, которое считалось направлением движения тока.
Но, чтобы не переделывать установившихся понятий, законов и правил, решили по старой памяти считать, что ток течет от плюса к минусу. На самом же деле электроны двигаются от минуса к плюсу.
Электроны по проводнику двигаются от минуса источника тока к плюсу.
Правда, в растворах и газах движение электричества происходит несколько по-иному. Там атомы, а следовательно и ионы, не связаны прочно друг с другом, как в твердых телах. И поэтому при воздействии электродвижущей силы ионы не стоят на месте, а также начинают двигаться, и положительные ионы действительно перемещаются от плюса к минусу.
ИЗ ТЮРЬМЫ НА СВОБОДУ
Почему свободные электроны, беспорядочно бродя по металлу — проводнику, все же не покидают его? Что удерживает их в границах металла?
Наука ответила на этот вопрос: электроны удерживаются окружающими их ядрами. И для того, чтобы электрон мог вырваться из металла на свободу, надо сообщить ему такую скорость, чтобы он с ее помощью преодолел силу притяжения ядер и выскочил за поверхностный слой металла.
Как же придать электрону такую скорость?
Во-первых, повышением температуры металла. Нагревая какой-либо проводник, мы увеличиваем скорость хаотического движения электронов. Ведь нагретое тело тем и отличается от холодного, что скорость движения его частиц (молекул, атомов, электронов) больше. При очень высокой температуре отдельные электроны начинают двигаться так быстро, что им удается преодолеть притяжение и вылететь из проводника во внешнее пространство. Этот процесс излучения электронов накаленным металлом называют термоэлектронной эмиссией.
Во-вторых, электрон можно вырвать из проводника внешними ударами других быстро летящих электронов или ионов. Подобно камню, вызывающему при падении в воду брызги, быстро летящий электрон или ион при ударе о металлическую поверхность также может вызвать «разбрызгивание» электронов. Этот вид эмиссии называют вторичной эмиссией.