Откуда берутся электроны в электрическом токе. Откуда берётся электричество

Электричество (от греч. elektron – янтарь, так как янтарь притягивает легкие тела), или ток начали использовать только в 1800 году, когда итальянский физик Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта изобрёл первую в мире батарею и тем самым дал первый надёжный постоянный источник электроэнергии.

А как же возникает электричество?

Всё вокруг состоит и малюсеньких частиц, которые не видны человеческому глазу, – атомов. Атом состоит из более мелких частиц: в центре – ядро, а вокруг него вращаются электроны. Ядро состоит из нейронов и протонов. Электроны, которые вращаются вокруг ядра, имеют отрицательный заряд (-), а протоны, которые находятся в ядре, – положительный (+). Обычно количество электронов в атоме совпадает с количеством протонов в ядре, поэтому атом не имеет заряда – он нейтрален.

Бывают такие атомы, у которых может не хватать одного электрона. Они имеют положительный заряд (+) и начинают притягивать электроны (-) из других атомов. И в этих, других атомах электроны слетают со своих орбит, меняют траекторию движения. Движение электронов от одного атома к другому приводит к образованию энергии. Эта энергия и называется электричеством.

А откуда берётся электричество в наших домах?

Мы получаем электричество благодаря большим электростанциям. На электростанциях есть генераторы – большие машины, которые работают от источника энергии. Обычно источник – это тепловая энергия, которую получают при нагревании воды (пар). А для нагревания воды используют уголь, нефть, природный газ или ядерное топливо. Пар, который образуется при нагревании воды, приводит в действие огромные лопасти турбины, а те в свою очередь запускают генератор.

Энергию можно получить, используя силу воды, падающей с большой высоты: с плотин или водопадов (гидроэнергетика).

Как источник питания для генераторов можно использовать силу ветра или тепло Солнца, но к ним прибегают не часто.

Далее работающий генератор при помощи огромного магнита создаёт поток электрических зарядов (ток), который проходит по медным проводам. Чтобы передавать электричество на большие расстояния, необходимо увеличить напряжение. Для этого используют трансформатор – устройство, которое может повышать и понижать напряжение. Теперь электричество с большой мощностью (до 10000 вольт и более) по огромным кабелям, которые находятся глубоко под землёй или высоко в воздухе, движется к месту назначения. Перед тем, как попасть в квартиры и дома, электричество проходит через другой трансформатор, который понижает его напряжение. Теперь готовое к использованию электричество движется по проводам к необходимым объектам. Количество использованного электричества регулируется специальными счётчиками, которые прикрепляются к проводам, которые проложенные через стены и полы. подводят электричество в каждую комнату дома или квартиры. Благодаря электричеству работает освещение и телевидение, различные бытовые приборы.

Если Вам необходима помощь при решении задач по физике или математике, онлайн репетиторы всегда готовы Вам помочь. В любое время и в любом месте ученик может обратиться за помощью к онлайн репетитору и получить консультацию по любому предмету школьной программы. Обучение проходит посредством специально разработанного программного обеспечения. Квалифицированные педагоги оказывают помощь при выполнении домашних заданий, объяснении непонятного материала; помогают подготовиться к ГИА и ЕГЭ. Ученик выбирает сам, проводить занятия с выбранным репетитором на протяжении длительного времени, или использовать помощь педагога только в конкретных ситуациях, когда возникают сложности с определённым заданием.

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Кикоин А.К. Две загадки бета-распада //Квант. - 1985. - № 5. - С. 30-31, 34.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Как известно, естественный бета- радиоактивный распад состоит в том, что ядра атомов одного элемента самопроизвольно испускают бета-частицы, то есть электроны, и при этом превращаются в ядра другого элемента с атомным номером на единицу большим, но с прежней массой («Физика 10», § 103). Символически это превращение записывается так:

\(~^M_ZX \to \ ^M_{Z+1}Y +\ ^0_{-1}e\) .

Здесь X - исходное ядро, Y - продукт распада, е - электрон (верхний индекс «0» показывает, что масса электрона по сравнению с атомной единицей массы очень мала).

Тщательное изучение бета-распада показало, что это явление таит в себе две загадки.

Загадка первая: «пропажа» энергии

Если ядро X самопроизвольно превращается в ядро Y , то это значит, что энергия W X ядра X больше, чем энергия W Y ядра Y . А энергия вылетающей при этом бета-частицы должна быть равна разности энергий W X - W Y (если пренебречь энергией отдачи).

Поскольку все исходные ядра X одинаковы, равно как одинаковы и все получающиеся из них ядра Y , все вылетающие бета-частицы должны иметь одну и ту же энергию. Опыты же показывают, что энергия практически всех бета-частиц меньше, чем разность энергий W X - W Y . Точнее: β -частицы имеют различные энергии, и все они лежат в пределах от нуля до максимального значения, равного W X - W Y . Например, для бета-частиц, испускаемых ядрами \(~\ ^{210}_{83}Bi\) (период полураспада 5 дней), максимальное значение энергии около 1 МэВ, а средняя энергия, приходящаяся на долю одной частицы, меньше чем 0,4 МэВ.

Создавалось впечатление, что бета-распад - это процесс, в котором, в нарушение закона сохранения энергии, энергия пропадает бесследно. Некоторые физики склонны были думать, что закон сохранения энергии, безусловно верный в мире макроскопических процессов, «необязателен» для некоторых процессов, связанных с элементарными частицами. К этой мысли (о возможности нарушения закона сохранения энергии) склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможно найдутся процессы, при которых энергия не пропадает бесследно (как в случае бета-распада), а наоборот возникает из ничего.

Нейтрино

Закон сохранения энергии был, однако, «спасен» швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули. В 1930 году он высказал предположение, что при бета-распаде из ядра вылетает не только электрон, но и еще одна частица, на долю которой и приходится недостающая энергия. Но почему эта частица никак себя не обнаруживает: не ионизует газ, как это делает электрон; ее энергия при столкновениях с атомами не переходит в тепло и т. д.? Паули объяснял это тем, что придуманная им частица электрически нейтральна и не обладает массой покоя .

Очень странной казалась эта частица, которой итальянский физик Энри ко Ферми дал имя - нейтрино. Все назначение нейтрино состояло в том, чтобы «спасти» закон сохранения энергии. С такими частицами физикам иметь дело еще не приходилось. Тем не менее, идея Паули о новой частице быстро получила всеобщее признание. Советский физик A.И. Лейпунский уже в 1936 году придумал способ ее обнаружения. Однако окончательно ее реальное существование было доказано только в 1956 году, почти через 26 лет после того, как она «родилась» в мозгу физика с богатым воображением - B. Паули.

Загадка вторая: откуда берутся электроны?

Эта загадка бета-распада (ее можно было бы поставить и на первое место) состояла вот в чем.

Как известно («Физика 10», § 107), атомные ядра всех элементов состоят только из протонов и нейтронов. Как же из ядер могут вылетать электроны, которых там нет, и нейтрино, которых там тоже нет?

Объяснить этот удивительный факт (из ядра вылетает то, чего там нет) можно только тем, что частицы - протоны и нейтроны, образующие ядро, способны взаимно превращаться друг в друга. В частности, бета-распад состоит в том, что один из нейтронов, входящих в ядро радиоактивного элемента, превращается в протон.

При этом в ядре оказывается одним протоном больше, чем было, а общее число частиц остается прежним. Просто один из нейтронов стал протоном. Но если бы дело только тем и ограничилось, был бы нарушен закон сохранения электрического заряда. Природа таких процессов не допускает! Так вот, оказывается, что вместе с превращением нейтрона в протон в ядре рождаются электрон, отрицательный заряд которого компенсирует положительный заряд появившегося протона, и нейтрино, которое уносит определенную долю энергии. Таким образом, при бета-распаде в ядре происходит превращение одного из нейтронов в протон и рождение двух частиц - электрона и нейтрино. Протон остается в ядре, электрон же и нейтрино, которым в ядре быть «не полагается», вылетают из него.

Заметим, что процесс бета-радиоактивного распада несколько напоминает процесс испускания светового кванта (фотона). Бета-частица и нейтрино рождаются в момент перехода ядра из одного состояния в другое, аналогично тому как фотон испускается атомом при переходе электрона, входящего в состав электронной оболочки атома, с одного энергетического уровня на другой.

Этот вопрос, как капуста, его раскрываешь-раскрываешь, а до "фундаментальной" кочерыжки всё ещё далеко. Хоть вопрос, видимо, касается этой самой кочерыжки, придётся всё же попробовать одолеть всю капусту.

На самый поверхностный взгляд природа тока кажется простой: ток - это когда заряженные частицы движутся. (Если частица не движется, то тока нет, есть только электрическое поле.) Пытаясь постичь природу тока, и не зная из чего состоит ток, выбрали для тока направление, соответствующее направлению движения положительных частиц. Позже оказалось, что неотличимый, точно такой же по действию ток получается при движении отрицательных частиц в противоположном направлении. Эта симметрия является примечательной деталью природы тока.

В зависимости от того, где движутся частицы природа тока тоже различна. Отличается сам текущий материал:

• В металлах есть свободные электроны;
• В металлических и керамических сверхпроводниках - тоже электроны;
• В жидкостях - ионы, которые образуются при протекании химических реакций или при воздействии приложенного электрического поля;
• В газах - снова ионы, а также электроны;
• А вот в полупроводниках электроны несвободны и могут двигаться "эстафетно". Т.е. двигаться может не электрон, а как бы место, где его нет - "дырка". Такая проводимость называется дырочной. На спайках разных полупроводников природа такого тока рождает эффекты, делающие возможной всю нашу радиоэлектронику.

У тока две меры: сила тока и плотность тока. Между током зарядов и током, например, воды в шланге больше различий, чем сходства. Но такой взгляд на ток вполне продуктивен, для понимания природы последнего. Ток в проводнике это векторное поле скоростей частиц (если это частицы с одинаковым зарядом). Но мы обычно для описания тока не учитываем эти детали. Мы усредняем этот ток.

Если мы возьмём одну только частицу (естественно заряженную и движущуюся), то ток равный произведению заряда и мгновенной скорости в конкретный момент времени существует ровно там, где находится эта частица. Помните, как было в песне дуэта Иваси "Пора по пиву": "...если климат тяжёл и враждебен астрал, если поезд ушёл и все рельсы ЗА-БРАЛ..." :)

И вот мы пришли к той кочерыжке, которую упоминали вначале. Почему частица имеет заряд (с движением вроде всё ясно, а что же такое заряд)? Наиболее фундаментальные частицы (вот теперь уж точно:) вроде бы неделимые) несущие заряд - это электроны, позитроны (антиэлектроны) и кварки. Отдельно взятый кварк вытащить и исследовать невозможно из-за конфайнмента, с электроном вроде проще, но тоже пока не очень-то ясно. На данный момент видно, что ток квантуется: не наблюдается зарядов меньше заряда электрона (кварки наблюдаются только в виде адронов с совокупным зарядом таким же или нулевым). Электрическое поле отдельно от заряженной частицы может существовать только в связке с магнитным полем, как электромагнитная волна, квантом которой является фотон. Возможно, какие-то интерпретации природы электрического заряда лежат в сфере квантовой физики. Например, предсказанное ею и обнаруженное сравнительно недавно поле Хиггса (есть бозон - есть и поле) объясняет массу ряда частиц, а масса - это мера того, как частица откликается на гравитационное поле. Может быть и с зарядом, как с мерой отклика на электрическое поле, обнаружится какая-то похожая история. Почему есть масса и почему есть заряд - это в чём-то родственные вопросы.

Многое известно о природе электрического тока, но самое главное пока нет.

Слово «электрон» в переводе с греческого означает «янтарь» .

Еще Фалес Милетский (за 600 лет до н э.) заметил, что, если янтарь сильно потереть о ткань, он начнет притягивать к себе легкие предметы. Довольно долго считалось, что таким свойством обладает только янтарь. Однако то же самое происходит с предметами из пластмассы и других синтетических материалов. Вы легко можете наблюдать это явление с расческой и волосами: после расчесывания расческа начинает притягивать волосы (а сами расчесанные волосы, обратите внимание, начинают отталкиваться друг от друга).

В основе описанных явлений лежит явление электричества . Оно заключается во взаимодействии микроскопических частиц, обладающих зарядом - положительным или отрицательным. Частицы, имеющие одинаковый заряд, отталкиваются, а частицы с противоположными зарядами притягиваются. Электроны - это мельчайшие элементарные частицы, обладающие электрическим зарядом. Имя электронам дал англичанин Дж. Дж. Стоуни. Он предложил называть так неделимую частицу заряда.

Как вы уже знаете, все вещества состоят из атомов - микроскопических частичек. Каждый атом, в свою очередь, состоит из ядра и оболочки. Ядро образовано протонами и нейтронами, а вот оболочка состоит из электронов, и поэтому называется электронным облаком.

Электрический заряд есть не только у электронов, но и у протонов (нейтроны электрически нейтральны, как и говорит их название). В атоме электроны притягиваются к ядру, потому что у него положительный заряд за счет заряда протонов, а у электронов - отрицательный. Но, несмотря на эти свойства, электроны с ядром полностью не соединяются, так как находятся в постоянном движении. А сам атом полностью является электрически нейтральным, потому что в атоме число протонов равно количеству электронов.

В металлах часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться. Направленное движение этих электронов обусловливает явление, без которого мы с вами вряд ли можем представить себе нашу жизнь - электрический ток. Поэтому металлы называют проводниками : они могут проводить электрический ток. Вещества, которые не могут проводить ток, называют изоляторами , или диэлектриками .

Вернемся к началу нашего повествования и ответим на вопрос: почему же электризуется янтарь? Прежде всего, обратите внимание, что трением можно наэлектризовать только изоляторы. При трении двух тел часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате тела обретают противоположные заряды. Наэлектризовать трением можно только изоляторы, потому что только в этих телах электроны, перебравшиеся с одного тела на другое, остаются там, куда они попали. В проводниках они начинают свободно перемещаться.

Как вы уже, наверно, догадываетесь, суммарный заряд пары тел, которые терли друг о друга, равен нулю, то есть такая паря электрически нейтральна .

Янтарь электризуется трением очень легко, так же как эбонит, стекло или кошачий мех.

металле, как и во всех твёрдых телах, каждый атом занимает определённое место. Правда, при некоторых условиях атомы твёрдых тел могут покидать свои места, но во всяком случае они долгое время остаются «привя­занными» к определённому месту. В зависимости от тем­пературы каждый атом более или менее сильно колеб­лется около этого места, не удаляясь от него сколько - нибудь далеко. В отличие от других твёрдых тел металлы обладают одной интересной особенностью: в пространстве между атомами металлов движутся свободные электроны, то-есть электроны, не связанные с определёнными атомами.

Откуда берутся такие свободные электроны?

Дело в том, что в атомах не все электроны одинаково прочно удерживаются ядром. В электронных оболочках атомов металлов всегда есть один, два или три электрона, очень слабо связанных с ядром. Поэтому, например, при растворении различных солей входящие в их состав атомы металлов легко отдают эти электроны другим ато­мам, а сами превращаются в положительные ионы. Отрыв электронов от атомов происходит и в куске любого ме­талла, но все электроны, утерявшие связь с атомами, остаются в самом металле между образовавшимися ионами.

Число свободных электронов в металле огромно. Их примерно столько же, сколько атомов. Тем не менее весь кусок металла остаётся, конечно, незаряженным, так как положительный заряд всех ионов в точности равен отри­цательному заряду всех электронов.

Таким образом, строение металла мы может себе представить в таком виде. Атомы металла, потерявшие по 1-2 электрона, стали ионами. Они сравнительно прочно сидят на своих местах и образуют, можно сказать, жёсткий «скелет» куска металла. Между ионами быстро движутся по всем направлениям электроны. Некоторые из электронов при движении тормозятся, другие ускоря­ются, так что среди них всегда есть и быстрые и мед­ленные.

Движение свободных электронов вполне беспорядочно. Нельзя уловить в нём никаких струек или потоков, ника­кой согласованности. Свободные электроны движутся в металле приблизительно так, как мечутся мошки в тёп­лом воздухе летним вечером: в рое каждая из мошек ле­тает сама по себе то быстрее, то медленнее, а весь рой стоит на месте.

Среди беспорядочно движущихся электронов всегда есть такие, которые летят по направлению к поверхности металла. Будут ли они вылетать из металла? Ведь если оставить открытым сосуд с газом, молекулы которого также находятся в беспорядочном движении, как и электроны в металле, то молекулы газа быстро рассеются в воздухе. Однако электроны в обычных условиях не вы­летают из металла. Что же их удерживает? Притяжение ионами. Когда электрон поднимается немного над по­верхностью металла, над ним уже нет ионов, а внизу, на поверхности, есть. Эти ионы притягивают поднявшийся электрон, и он падает обратно на поверхность металла, как падает на землю брошенный вверх камень.

Если бы камень имел достаточно большую началь­ную скорость, он мог бы преодолеть притяжение Земли и

Улететь в межпланетное пространство, как улетает пу­шечное ядро в романе Жюль Верна. Очень быстрые элек­троны тоже могут преодолеть силы электрического притя­жения и покинуть металл. Это и происходит при нагре­вании.

При нагревании металла усиливается движение не только атомов, но и электронов, и при высокой темпера­туре из металла вылетает столько электронов, что их поток можно обнаружить. Посмотрите на рис. 7. На нём изображена необычная электрическая лампочка. В её баллоне на некотором расстоянии от нити накала укреп­лена металлическая пластинка. Пластинка называется анодом, а нить - катодом. К одному концу нити (всё равно к какому) и к аноду присоединена батарея, а между батареей и анодом в так называемую «анодную» цепь включён прибор, показывающий наличие электрического тока. Прибор этот называется гальванометром. Сама нить лампы включена в электрическую сеть и раскалена. Если анод соединён с отрицательным полюсом батареи, а нить с положительным, то тока в анодной цепи не будет (рис. 7 слева). Теперь попробуем поменять полюсы и присоеди­ним пластинку к «плюсу» батареи. В цепи сейчас же появится ток (рис. 7 справа). Этот опыт показывает, что раскалённая нить лампы действительно испускает отри­цательные заряды - электроны, которые отталкиваются от анода, если он заряжен отрицательно (рис. 7 слева), и увлекаются электрическими силами к аноду, если он присоединён к положительному полюсу батареи (рис. 7 справа).

Испускание электронов накалёнными металлами имеет огромное практическое значение. Достаточно сказать, что оно используется во всех радиолампах (о радиолампах мы ещё будем говорить в последнем разделе книжки).

Увеличить энергию электронов и заставить их выле­тать из металла можно не только нагреванием, но и освещением. Такие явления изучил в 1888 году русский физик, профессор Московского университета А. Г. Сто­летов. Поток световых лучей несёт энергию, и если свет падает на металл, то часть этой энергии поглощается ме­таллом и передаётся электронам. Получив добавочную энергию, некоторые электроны преодолевают притяжение ионов и вылетают из металла. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом. Фотоэффект используется в очень важном для техники приборе - фотоэлементе. Схема фотоэлемента показана на рисунке 8.

Стеклянный баллон, из которого удалён воздух, по­крыт изнутри слоем металла, обычно натрия, калия или цезия, подвергнутого особой обработке (из этих металлов электроны легко вырываются при действии видимого света); не покрыто металлом только небольшое окошечко для пропускания света. Слой металла служит катодом фотоэлемента (фотокатодом). В середине баллона поме­щается или тонкая металлическая проволочка или сетка. Это - анод. Фотокатод соединяется с отрицательным по­люсом батареи, а анод - с положительным. Как только на фотокатод упадут световые лучи, некоторые электроны приобретают большую энергию и вырываются с его по­верхности. Сила электрического притяжения гонит их к аноду, и в цепи появляется ток. Если же освещение пре­кращается, ток исчезает). Заметим, что обоими описан­ными способами удается извлекать из металлов только очень небольшую часть имеющихся в них свободных электронов.

Легко понять, что электризация трением представляет собой процесс вырывания электронов. Так, например, при трении стекла о кожу электроны, извлечённые из стекла, переходят на кожу.

Итак, мы знаем, что электроны можно извлечь из ато­мов. Посмотрим теперь, как можно управлять электро­нами, покинувшими атомы.