100 великих научных открытий

Далее Ом сравнил поведение тока в проводниках, находящихся в огне и в воде со льдом, и заключил: чем жарче, тем сопротивление больше; чем холоднее, тем сопротивление меньше. Кроме того, ученый ввел понятия электропроводности (характеристики вещества, противоположной сопротивлению) и электродвижущей силы — способности источника тока поддерживать определенное напряжение на входе и на выходе из цепи. Открытия Ома сыграли такую значимую роль в развитии физики, что немецкий ученый О. Ломмель назвал их ярким факелом, который озарил ранее темную сферу электричества.

В 1879 г. американский ученый Э. Холл обнаружил любопытный эффект — возникновение электрического напряжения на нижней и верхней кромках тонкой золотой пластины, установленной вертикально между двумя магнитами. Это можно было объяснить только тем, что магнитный поток «разгоняет» на края пластины некие крошечные частицы, которые несут в себе заряд. Существование таких частиц, входящих в состав атомов, было подтверждено опытами английского физика Дж. Дж. Томсона 18 лет спустя, и впоследствии носители заряда получили название электронов. Перед учеными встала задача объяснить явление сопротивления с позиции атомного строения вещества, и решить ее вызвался немец Пауль Друде (1863–1906).

Согласно его теории, структура металлического проводника представляет собой решетку из атомов. Каждый атом окружен внешней оболочкой из свободных электронов, которыми можно обмениваться с «соседями». Некоторые из этих электронов отправляются в вольное плавание и превращаются в нечто похожее на идеальный газ. Когда в проводнике возникает напряжение — то есть при замыкании цепи, — электроны сразу же выстраиваются и начинают упорядоченно разгоняться. Но по пути они натыкаются на кристаллическую атомную решетку и тормозят до скорости примерно 2 мм в секунду — так и возникает сопротивление. Со своей стороны, атомы от столкновений слегка раскачиваются, из-за чего проводник нагревается. Несмотря на медлительность электронов, свет в лампах зажигается сразу, поскольку при нажатии на кнопку выключателя частицы срываются с места одновременно.

Описывая свободные электроны, Друде разработал формулу, где проводимость вещества определяется концентрацией, массой, зарядом электронов и средним временем их движения между столкновениями. Эта теория смогла объяснить многие процессы, касающиеся электропроводности, и развивать ее взялся немецкий ученый Карл Рикке (1845–1915). Пропуская электрический заряд через металлы, Рикке установил, что, в отличие от жидких проводников, они не меняют своих химических свойств, то есть их молекулы не распадаются на заряженные атомы — ионы.

В 1913 г. русские ученые Л. Мандельштам и Н. Папалекси экспериментально показали, что заряженные частицы, создающие в металлах электрический ток, обладают массой. Для этого ученым понадобилась проволочная катушка и… динамики. Подключив динамики к катушке, исследователи раскрутили ее, затем резко остановили — и услышали щелчок. Тот же результат дало раскручивание в другую сторону, и ученые заключили, что из-за резкой остановки электроны отбрасывает в конец провода, словно пассажиров автобуса. Инерция становится электродвижущей силой — по проводу пробегает импульс тока. А это значит, что у частиц, так же как у людей, должна быть масса. Таким образом, Мандельштам и Папалекси подтвердили предположения Друде о возникновении тока вследствие движения частиц — носителей заряда — через кристаллическую решетку.

Через три года американцы Р. Толмен и Т. Стюарт благодаря гальванометру сумели определить массу электрона. Подсоединив прибор к катушке из 500-метрового провода, ученые раскрутили ее до скорости 500 м/с, а затем остановили. В ходе раскручивания гальванометр фиксировал появление инерции, исполняющей роль сторонней электродвижущей силы, так что после остановки катушки исследователи интегрировали (то есть суммировали) эти показания по всей длине провода — и получили формулу ЭДС. Затем, собрав все данные (ЭДС, длину провода и его сопротивление, радиус катушки, направление и скорость вращения, время остановки), они вычислили удельный заряд частицы — отношение ее элементарного заряда к массе. А попутно выяснили, что знак заряда, который несут изучаемые частицы, отрицательный. Данное открытие стало фундаментом классической теории электропроводности металлов.

Постепенно сформировалось шесть базовых положений этой теории:

1. Чем больше в металле свободных электронов, тем выше его способность проводить ток.

2. Все металлы имеют разное сопротивление, поскольку количество электронов в их кристаллических решетках не одинаково.

3. По мере роста температуры внутри металла его сопротивление увеличивается.

4. Чтобы в металле возник ток, необходима внешняя сила, которая упорядочит хаотичное движение электронов.

5. Ток возникает в тот самый момент, когда начинается воздействие на электроны.

6. Сила тока в металле соответствует закону Ома.