Покоренный электрон

В некоторых случаях электроны могут не только перескакивать с орбиты на орбиту, но и совсем покидать атом. Такие «свободные» электроны ведут самостоятельное существование, путешествуя в междуатомном пространстве, а иногда и вообще далеко, на миллиарды километров, уходят от атомов.

Особенно «непоседливы» электроны атомов металлов, и причиной этого являются некоторые особенности строения металлов.

Атомы в металлах расположены очень тесно, их оболочки почти соприкасаются. Внешние «пограничные» электроны оказываются не только иод воздействием положительного заряда атома-хозяина, их почти с той же силой притягивают заряды атомов-соседей. «Недостроенные» внешние слои атомов металлов прочностью не отличаются — их внешние электроны пристают то к одному, то к другому атому и кочуют в междуатомных промежутках.

Внутри металла эти почти свободные электроны образуют так называемый электронный газ. Сравнение с газом оправдывается тем, что эти электроны совершают беспорядочное «тепловое» движение и мечутся между атомами металла примерно так же, как мечутся молекулы обычного газа.

Существование в металле свободных электронов было доказано простым и остроумным опытом, в котором кусок проволоки исполнял роль «трамвая», а электроны служили «пассажирами».

Известно, что когда вагоновожатый резко и внезапно тормозит трамвай, то пассажиры, стоящие в проходе, продолжают движение по инерции и падают друг на друга.

Два советских ученых, академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси сделали такой опыт. Они с большой скоростью завертели медное кольцо, а затем его быстро остановили, и тотчас чувствительные приборы отметили возникновение в кольце кратковременного электрического тока. Это — свободные электроны меди, как пассажиры в трамвае, продолжая движение по инерции, ринулись вперед и образовали электрический ток, создавший в свою очередь магнитное поле (рис. 41).

Рис. 41. Когда кольцо остановили, электроны по инерции продолжали движение вперед, образуя электрический ток и сопровождающее его магнитное поле.

Черепашьим шагом

Электрический ток в проводах — это упорядоченное движение электронов. Когда светит лампочка, то это не значит, что в ней пробегают именно те электроны, которые пригнаны с электрической станции.

Ток в городской сети — переменный, он меняет свое направление 100 раз в секунду. Поэтому в лампочке взад и вперед пробегают одни и те же электроны, которые находились в металлическом волоске лампочки тогда, когда она бездействовала.

А электрическая станция по сути дела служит не поставщиком электронов, а только их толкачом.

Даже при постоянном токе, который течет в одном направлении, электроны перемещаются из одного участка провода в следующий очень медленно, примерно со скоростью миллиметра в секунду, часто и того медленнее. Электроны в металле неторопливы — их движение по проводнику похоже на движение воды в трубе, забитой песком, — настолько сильно им мешают атомы металла.

Конечно, возникает законное недоумение: телеграфный сигнал, посланный из Москвы во Владивосток на расстояние в 10 тысяч километров, прибывает на станцию назначения через 1/30 долю секунды, а электрон, посланный по проводу из Москвы, достигнет Владивостока только через триста с лишком лет. Проворством электроны в металлах не отличаются, но… почему же телеграммы идут так быстро?

Скорость сигнала

Когда телеграфист в Москве нажимает на ключ, то на концы проводов, находящихся в телеграфном аппарате, от батареи подается напряжение, и в этот момент по всей длине проводника от Москвы и до ближайшей станции возникает электрическое поле. Это поле распространяется очень быстро, почти со скоростью света, то есть около 300 000 километров в секунду.

Как приказ командующего приводит в движение сразу всю его армию, так и электрическое поле приводит в движение все электроны, находящиеся в тысячекилометровом участке провода. Хотя сами электроны движутся медленно, но зато всякие изменения электрического поля распространяются очень быстро, почти мгновенно. И через приемный аппарат проходят не те электроны, какие посланы из Москвы, а те, какие находились в приемном аппарате до получения сигнала. Телеграфный сигнал только привел их в движение. Следовательно, телеграммы и телефонные разговоры передаются по проводам не столько электронами, сколько колебаниями электрического поля, созданного в проводах.

Поворачивая выключатель или замыкая рубильник, мы тем самым даем толчок всем электронам в проводах и как бы командуем им: «Ток! Марш вперед!». И в то же мгновение все свободные электроны металла, как солдаты по команде, делают первый шаг и начинают свое медленное, неуклонно-дружное движение вперед.

Так возникает в проводнике электрический ток.

Ток, теплота и свет