П. Беликов
Неуклонно и настойчиво отвоевывает человеческий разум у природы ее тайны. Каждое его завоевание становится ареной новых исканий, оно сейчас же используется техникой и находит свое применение, как новое оружие в общей борьбе человека с природой. Путь науки таков: сначала внимательным наблюдением над тем или другим явлением природы собирается материал — накапливаются факты; потом придумывается какое-либо обобщающее об'яснение всем наблюденным фактам, делается догадка о их общей причине и взаимной связи или, как обычно говорят, строится об'ясняющая эти факты гипотеза, которая затем тщательно проверяется. Если все, что вытекает, как следствие, из этой гипотезы, подтверждается опытом, то сделанное предположение приобретает достоверность, гипотеза превращается в реальное знание, или же, в противоположном случае, она уступает место другой гипотезе, лучше об'ясняющей все наблюденные явления.
Таков же был ход развития учения об электрическом токе. Простейшие электрические явления — какие-то "таинственные" силы, исходящие от натертого тканью янтаря, были известны еще две с половиной тысячи лет тому назад. Но первое научное толкование явлений электричества появилось лишь в 1600 г., изложенное Джильбертом в его книге "О магните". В начале XVII века Стефан Грэй пришел к заключению, что электричество может "течь" по некоторым материальным телам, откуда он решил, что электричество есть "что-то, проникающее наэлектризованное тело и заполняющее его поры".
Вместе с тем создались две теории электричества: обе эти теории признавали электричество некоторой невесомой жидкостью, могущей заполнять тела и "течь" по ним, причем одна из этих теорий утверждала, что таких жидкостей две, соответственно двум сортам взаимно притягивающихся зарядов1), условно называемых положительными и отрицательными ("дуалистическая" теория2) Дюре и Саймера); другая же предполагала лишь однородную невесомую жидкость — "электрический флюид", и все явления, связанные с наличием зарядов, об'ясняла избытком или недостатком этого "флюида" внутри тела ("унитарная" теория3) Грэя и Франклина).
И та и другая теория дает об'яснение электрическому току, понимая под этим, вообще говоря, всякое движение электричества. С точки зрения одной ("дуалистической") теории, ток — это есть одновременное движение двух жидкостей навстречу друг другу. С точки зрения другой ("унитарной") — электрический "флюид" стремится двигаться оттуда, где его много, туда, где его нехватает, до тех пор, покамест не наступит его равномерное распределение.
И в той и в другой теории необходимым условием для возникновения тока является различие в электрическом состоянии тел, между которыми наблюдается движение электричества. "Дуалистическая" теория предполагает для этого необходимым разницу в знаках зарядов, а "унитарная" — различие в "напряженности" зарядов. Представьте себе два металлических шара, заряженных хотя бы одноименным (положительным) электричеством так, что на одной из них заряд "гуще", чем на другом (черт. 1). Так как на левом шаре больший заряд и электричество расположено на нем плотнее, чем на правом, то силы, исходящие из зарядов левого шара, значительнее, чем силы, порождаемые зарядом правого шара. На черт. 1 это схематически изображено большим числом стрелок — сил, исходящих от левого шара. Поэтому силы левого шара могут совершить большую работу (притянуть или оттолкнуть какое-либо заряженное тело), чем силы правого шара. Так как заряд левого шара может произвести большую работу, то он как бы более "энергичен", чем правый заряд, он обладает большей "потенциальной энергией" (в электрическом смысле) или, как обычно говорят, потенциал его больше, чем потенциал правого шара. Если оба шара соединить проволокой, то с того шара, на котором заряд более "энергичен", где больший потенциал, начнется перетекание электричества туда, где потенциал меньше. Таким образом возникает электрический ток — движение зарядов (положительных), всегда направленный от более высокого потенциала к низшему.
Но этот ток длится лишь очень маленькую долю секунды, покамест потенциалы зарядов на наших шарах не сделаются равными. Чтобы движение электричества было длительным, чтобы шел постоянный ток, необходимо, чтобы и разность в потенциалах или, как обычно говорят, разность потенциалов все время поддерживалась без изменения. Этого достиг в 1800 г. Вольта, придумав такое простое, с нашей современной точки зрения, приспособление, как гальванический элемент, в котором две погруженные в кислоту пластиночки разных металлов заряжаются, благодаря химическому процессу, до различных потенциалов, причем разность потенциалов между ними остается неизменной все время до тех пор, покуда идет создающий ее химический процесс.
Итак, непременное условие движения электричества есть разность потенциалов; ее называют поэтому электродвижущей силой. Знаменитый закон ома, установленный из опытов, говорит о том количестве электричества, которое проходит через металлический провод за каждую секунду, и которое коротко называется силой тока. Согласно этому закону, сила идущего по проводнику тока тем больше, чем больше разность потенциалов, заставляющая двигаться электрические заряды, и чем меньше сопротивление, которое встречает движущееся электричество со стороны самого металлического провода. Коротко этот основной закон формулируется так:
причем сила тока должна быть измерена амперами, разность потенциалов — вольтами и сопротивление — омами.
Сопротивление провода зависит, как известно, от трех причин: его длины, его толщины и еще от материала, из какого он сделан. Любопытно отметить такой факт: чем лучше проводит какой-нибудь материал электричество, тем лучше он передает через себя и теплоту. Или, коротко говоря, чем лучше электропроводность материала, тем лучше и его теплопроводность. Очевидно, это зависимость не случайная; а если это не случайность, то должно быть и об'яснение этой закономерности. Старые теории не смогли дать истолкования этому факту, точно так же, как не смогли они дать из'яснений и многим другим наблюдениям. Гораздо более полный ответ на все недоуменные вопросы, дает электронная теория тока, с которой читатели нашего журнала уже знакомы по статье Рексина в № 4—5 журнала за 1925 г.
Эта теория, как и первоначальные предположения Грэя, говорит, что существует "что-то", что заполняет поры металлического проводника; но это "что-то" не есть какая-то таинственная невесомая жидкость, а это мельчайшие заряды отрицательного электричества — электроны. Поток свободных, несоединенных с материей электронов был впервые наблюдаем в 1859 г. Плюккером в виде так называемых катодных лучей.
В стеклянной трубке, из которой насосом удален воздух и в которую впаяны две металлических пластинки (черт. 2), мчатся через пустоту свободные отрицательные заряды от пластинки, имеющей меньший потенциал, к пластинке с большим потенциалом (при условии, что разность потенциалов между пластинками достаточно велика). Это есть движение отрицательного электричества от низкого потенциала к высокому, что вполне равносильно обратному движению — положительного электричества от высокого потенциала к низшему. Это движение электронов тоже, конечно, представляет собою электрический ток, но проходящий не через металл, а через пустоту. Аналогичное явление мы имеем в каждой катодной лампочке.
По гипотезе, разработанной Дж. Томсоном, Лоренцом и Друде, между молекулами (частицами) всякого металла находятся мириады свободных электронов. (Чтобы выразить сколько их, примерно, заключается в 1 куб. сант. металла — надо написать такое число: 1 и за ней 22 нуля (или 1022). По мысли авторов этой гипотезы, электроны ведут себя так же, как молекулы, составляющие какой-либо газ, т.-е. они находятся в непрерывном и очень быстром движении, в результате чего они постоянно сталкиваются друг с другом и массивными, по сравнению с электронами, молекулами металла; благодаря столкновениям, электроны отскакивают то в ту, то в другую сторону, и как бы толкутся на одном месте, так что тут не может быть и речи о переносе электричества в какую-нибудь сторону.
Так как эта смелая гипотеза предполагает, что поведение электронов таково же, как поведение молекул газа, то все, что было к этому времени известно о движении газовых молекул, можно перенести и на движение электронов внутри металла. А так как трудами многих выдающихся физиков вопрос о движениях молекул, составляющих собою какой-либо газ, разработан очень подробно, то, пользуясь этой же готовой и вполне точно проверенной теорией, можно высчитать, например, что свободные электроны движутся в металле с громадными скоростями — около 100 клм. в секунду при 0°, и что скорость их значительно возрастает, если температура металлического тела повышается. Можно далее подсчитать, что каждый электрон успевает при этом, в среднем, пробежать до столкновения с другим таким же беспокойным электроном или с массивной молекулой лишь совсем незначительный путь — всего только
Все эти сведения теория дает для того случая, когда металл находится вне каких-либо электрических воздействий. Теперь вообразите, что концы металлического предмета находятся при различных потенциалах; мы знаем уже, что должно быть в результате этого. Если бы в металле были положительные заряды, то они стали бы отгоняться от большего потенциала к меньшему. Но отрицательные электроны под действием появившейся электродвижущей силы начнут двигаться противоположно — в сторону большего потенциала, не прекращая при этом своей безудержной пляски. Как-будто легкий ветерок дует сквозь металл и сдувает всю беспорядочно толкущуюся кучу электронов к концу, где потенциал выше. Добавочная скорость, которая при этом приобретается электронами, очень мала по сравнению с обычной скоростью их беспорядочных движений (около 1 м. в сек.), но все же этим уже создается перенос электрических зарядов, т.-е. то, что мы именуем током.
Если опять воспользоваться теми же формулами, какие применяются в теории газов, помня, что движения электронов внутри металла таковы же, как движения газовых молекул, то можно подсчитать, каково должно быть количество электричества, переносимого за секунду. Оказывается, что, рассуждая таким образом, мы приходим к такой же формуле, какою выражается закон ома. Установленный задолго перед тем опытным путем закон оказывается возможным вывести теоретически, если только признать правильность предположений относительно механизма прохождения тока через металлы. Это ли не подтверждение сделанной гипотезы?
Но это еще не все. Согласно этой теории сильный ток — это быстрое движение электронов в сторону большего потенциала; но при быстрых движениях электроны чаще ударяют по молекулам; из-за этого молекулы начинают чаще и сильнее вздрагивать, раскачиваться и сами начинают проделывать размашистые движения; но движения молекул — это есть теплота. Так происходит превращение электрической энергии (движения электронов) в тепловую (движение молекул) — известный факт нагревания провода при прохождении по нему тока. При еще более сильном токе и вызываемом им еще большем нагревании, скорость электронов может даже стать настолько большой, что некоторые из них будут выбрасываться из металла наружу. И этот факт тоже хорошо известен: это происходит внутри катодной лампы, где из накаленного металлического волоска выскакивают не удержавшиеся в нем электроны.
Этою же теорией об'ясняется и то известное наблюдение, что при нагревании металла увеличивается его сопротивление прохождению тока: само собой очевидно, что электронам труднее пробираться между молекулами, когда они находятся в состоянии быстрых и размашистых движений, как это имеет место, когда металл нагрет; а чем труднее электронам проходить между молекулами, тем, значит, сопротивление проводника больше.
Наконец, та же электронная теория металлов делает понятным и тот факт, о котором мы уже упоминали — связь между теплопроводностью и электропроводностью. Если один конец металлического стержня нагревается, то у этого конца электроны начинают двигаться быстрее. Их быстрые движения передадутся к следующим, от этих еще далее, а от электронов приобретают движения и молекулы. Понятно, что там, где условия для беспорядочных движений таковы, что электроны оказываются более подвижными, там они легче пробираются между молекулами, т.-е. легче проходит электрический ток, — у такого металла хорошая электропроводность. Но в то же время, если электроны удобоподвижны, то они легче и скорее передадут свои движения электронам и молекулам, значит в таком теле легко перелается из края в край теплота — тот же металл должен поэтому быть и хорошим проводником тепла. Чем меньше электронов рассыпано между молекулами тела, тем менее оно способно к передаче электрического тска и, наконец, те сорта веществ, которые вовсе не имеют внутри себя свободных электронов, совсем неспособны проводить электричество: это — не проводники или диэлектрики.
Итак, эта теория, родившаяся около 25 лет тому назад, завоевала себе прочное место. Она не только об'ясняет многие факты, которые не могли получить истолкования от других теорий, но и дает возможность теоретически вывести те законы, которые были установлены ранее чисто опытным путем. Развитие учения об электрическом токе — типический пример того пути, каким идет наука. Первоначальные гипотезы об электричестве и его движении были в свое время полезны и нужны, поскольку они помогали собирать и систематизировать опытный материал, до тех пор, пока на смену не явилась другая теория, могущая дать более точное и детальное пояснение всему, что известно об этом явлении. Как видоизменится эта теория в дальнейшем, какие поправки и дополнения войдут в нее, покажет будущее.
1) О взаимодействиях зарядов см. статью М. Боголепова в №3 "Радио Всем".
2) Дуалистическая теория — признающая два основных, действующих начала.
3) Унитарная теория — признающая одно действующее начало.