Волшебная лампа

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.

И, наконец, в-третьих, мы можем освободить электрон, освещая поверхность металла. Падающие на металл лучи отдают электронам свою энергию, отчего скорость их увеличивается и они вылетают из металла. Такой вид эмиссии называют фотоэмиссией, а вылетающие электроны — фотоэлектронами.

Если поверхность металла покрыть торием, цезием, — окисью бария или стронция, то электроны значительно легче преодолевают поверхностный слой металла.

Итак, с помощью одного из этих способов электрон покинул металл и вырвался на свободу, то есть в пустоту, окруженную стеклянной оболочкой. Из лампы стараются Как можно тщательнее удалить воздух, но создать в ней абсолютный вакуум, то есть пустоту, все же не представляется возможным. Какая-то малая часть воздуха в лампе остается. Хорошим вакуумом считается, если из лампы удалят 999 999 999/1 000 000 000 частей воздуха и в ней останется только одна миллиардная часть его. Однако оказывается, что в каждом кубическом сантиметре такой пустоты все еще осталось по 25 миллиардов молекул воздуха, в 12 с половиной раз больше, чем людей на земном шаре. Какая ж это свобода для электрона? Ведь ему как будто бы и двинуться некуда при таком «перенаселении». Но это не так. Ведь молекулы имеют крошечные размеры. Если бы все предметы увеличить в миллион раз, то чайное блюдечко представлялось бы озером диаметром в 140 километров, рост людей составлял бы 1 700 километров, один шаг такого человека равнялся бы расстоянию от Ленинграда до Москвы, а молекула выросла бы до величины макового зернышка диаметром меньше 1 миллиметра.