Текст книги "Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 9 страниц)

Annotation

Никола Тесла был великим мечтателем, идеи которого нашли свое применение только через 100 лет после их появления. Несмотря на то что именно ему принадлежит идея создания двигателя переменного тока, благодаря которому электричество пришло в дома и заводы XX века, этот сербско– американский ученый умер в нищете, забытый своими современниками. Изобретения и открытия, над которыми работал Тесла, бесчисленны: это и пульт дистанционного управления, и самолет вертикального взлета, и беспроводная лампа; также он разработал основы устройства радара, стал предвестником радиоастрономии и проводил опыты по криогенике. Его главной целью было создание технологии передачи электрической энергии и информации в любую точку планеты без проводов – эта идея стоила ему состояния и репутации.

Marcos Jaen Sanchez

Введение

ГЛАВА 1

ГЛАВА 2

ГЛАВА 4

ГЛАВА 5

Список рекомендуемой литературы

Указатель

Marcos Jaen Sanchez

Наука. Величайшие теории: выпуск 36: Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток

Пер. с исп. – М.: Де Агостини, 2015. – 176 с.

ISSN 2409-0069

Еженедельное издание

© Marcos Jaen Sanchez, 2013 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2013

© ООО “Де Агостини”, 2014 2015

Введение

Образ Николы Теслы, изобретателя сербского происхождения, можно назвать воплощением трагического мифа о борце за правду, в одиночку противостоящем сказочным чудовищам. Это архетип героя, который восстал против богов во благо человечества и впоследствии был уничтожен и вычеркнут из памяти людей за свою смелость. Легендарность его личности также дополняется перечнем приписываемых ему «странностей», а бунтарский дух Теслы является этическим идеалом исследователя. Первые лучи его гениальности озарили мир в конце XIX века, во время второй промышленной революции – в период господства промышленных магнатов и банкиров, заложивших основы капитализма. Свет этого гения становился все более ярким по мере того, как электричество брало верх над паровыми машинами, и не гас до тех пор, пока оно не превратилось в главную движущую силу современного мира.

Процесс внедрения электричества в промышленность стал примером взаимодействия таких неразрывно связанных понятий, как наука и технологии. Фундаментальные исследования электричества шли рука об руку с поисками практических решений по генерированию, хранению и транспортировке электроэнергии. Тесла появился тогда, когда феномен электричества был еще внове; но очень скоро ученый продемонстрировал удивительную интуицию, ясно осознав возможности исследований в данной области. В Соединенных Штатах Америки, ставших для изобретателя второй родиной, только утихали кровавые бои гражданской войны, в то время как молодой Тесла заканчивал обучение в Европе и готовил свои первые проекты – незрелые, но свидетельствующие о незаурядном даровании. Совмещая деятельность ученого и инженера, этот человек был типичным представителем своей эпохи.

Хотя улицы некоторых городов уже озарились электрическим светом, были запущены первые трамваи и освещены роскошные особняки, все же, по сути, потенциал электричества пока оставался нераскрытым. Первые электрические аппараты работали на постоянном токе (ПТ): он всегда движется в одном направлении, а его напряжение постоянно во времени. Но данная система оказалась недостаточной для питания больших сетей, призванных удовлетворить промышленность, желающую расти согласно актуальному на тот момент ритму времени. Несмотря на ограничения, связанные с постоянным током, главным его ценителем был сам Томас Альва Эдисон. Он инвестировал миллионы долларов в установки постоянного тока, уверенный в том, что его лампочки, представлявшие собой эволюционировавшую модель лампы накаливания Джозефа Уилсона Суона 1878 года, не будут работать при других условиях. Несмотря на это, некоторые инженеры и предприниматели, в том числе Джордж Вестингауз, уже догадывались о возможностях переменного тока и работали над их реализацией, хотя похвастаться им было нечем – эффективный двигатель переменного тока пока не изобрели. Величина и направление переменного тока циклично изменяются в зависимости от периодической функции времени. Из-за своей переменной природы такой ток требует наличия эффективной сети распределения энергии.

На этом перекрестке эпох никому не известный эмигрант из Европы прибыл в США, имея в кармане лишь несколько центов и смятые бумаги с описанием идей. Будучи еще в Европе, молодой человек в порыве вдохновения раскрыл принцип вращающегося магнитного поля, который помог ему разработать очень простой и эффективный асинхронный электродвигатель. Таким образом «волшебник» Никола Тесла раскрыл тайну единственной возможности массового развития электричества – переменного тока. С помощью Вестингауза он разработал электрическую сеть в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, в то время как другой великий изобретатель – Эдисон – уже планировал жестокое и бесчестное сражение, известное как «война токов».

Несомненный успех переменного тока превратил Теслу в пророка, но лишь немногие знали о жертвах, которые он принес во имя дальнейшего развития. Король в лаборатории, он был дилетантом в финансовых делах. Тесла настолько слепо верил своим догадкам, что не сомневался: будущее даст ему все, что требуется. Однако, возможно по причине такой слепой веры, ошибки в финансовых делах обернулись для него огромными потерями.

Периодом триумфа Теслы стало последнее десятилетие XIX века, когда он мог пользоваться своей славой для развития новых технологий, раздвигающих границы науки. Речь идет об электромагнитных волнах, существование которых было доказано Генрихом Рудольфом Герцем в 1887 году согласно теории Джеймса Клерка Максвелла. Это была эпоха небывалой активности, самая продуктивная и незабываемая в жизни Теслы: именно тогда появились проекты, настолько опережавшие свое время, что современники не всегда могли понять их, так же как, возможно, не мог до конца понять их и сам Тесла. Но кроме того это была эпоха растрат. Не слушая мудрых советов друзей, интенсивно работая одновременно во многих направлениях, изобретатель не имел достаточно времени, чтобы закончить свои исследования и задокументировать их, не говоря уже о получении патентов. В последующие годы это поразительное число достижений позволило сделать много открытий и способствовало развитию только зарождавшихся направлений науки. При этом очень часто вся выгода доставалась кому-то другому. Даже сегодня мы обращаемся к работам Теслы того периода, когда занимаемся поисками происхождения тех или иных базовых принципов или открытий в науке и технологии, кажущихся, бесспорно, современными.

Эксперименты, которые Тесла ставил в ту благословенную эпоху, были опасны и не могли проводиться в больших городах. Изобретателю пришлось продолжать свои работы в легендарном убежище в Колорадо-Спрингс, расположенном у подножья Скалистых гор. Там он специально построил станцию и в течение нескольких месяцев проводил серию очень важных опытов, впервые для него – детально документированных. В тот период Тесла сделал фундаментальные открытия: например, стационарные электромагнитные волны Земли. В конце концов изобретатель созрел для того, чтобы совершить самый решительный карьерный скачок и попытаться воплотить идею всей своей жизни. Он решил создать общемировую систему беспроводной передачи информации и электроэнергии. Данный проект должен был принести ему славу, во много раз большую, чем слава человека, открывшего возможности переменного тока.

В поисках необходимых средств Тесла склонил на свою сторону, иногда не гнушаясь и обманом, главных финансовых деятелей Северной Америки. Его заявления и статьи, посвященные проекту, шокируют современного читателя. В них описаны, с использованием языка того времени, базовые понятия, являющиеся частью повседневной жизни современного общества – мира коммуникаций, основанного на использовании мобильных телефонов, интернета, систем геолокации, Wi-Fi, Bluetooth... Невозможно не удивиться, читая пророческие слова Теслы, написанные еще до окончания XIX века: «В будущем газеты будут печататься в домах без проводов в течение одной ночи».

На заре XX века Тесла прилагал все возможные усилия, чтобы мир его мечты стал реальностью. Он был уверен, что достигнет этого в течение нескольких месяцев. При финансовой поддержке банкира Джона Пирпонта Моргана (1837-1913) изобретатель построил на Лонг-Айленде первую станцию беспроводной передачи, названную Ворденклиф. Башня Ворденклиф стала символом ее создателя. Хотя Тесла занимался теоретической и практической разработкой установок по радиопередаче с 1893 года, весь мир в этом плане удивил Маркони, отправив на стыке веков беспроводные сигналы через Атлантику. Морган рассчитывал, что амбициозный проект его «сотрудника» по строительству башни сможет затмить подвиг итальянца. Проблема заключалась в том, что Тесла плохо себе представлял, какую цель он преследует; Морган не знал, что Ворденклиф будет не только станцией радиопередач, но и первой в мире станцией по эффективной беспроводной передаче электричества с использованием электромагнитного резонанса Земли. Могли ли промышленные магнаты допустить переход к новому миру коммуникаций, свободной информации и дешевой энергии?

Ответ очевиден. Когда Морган вышел из проекта, башня превратилась в бездонную финансовую бочку. Тесле так и не удалось оправиться после этой катастрофы. Тогда же он проиграл и гонку за радио. Первые годы XX века принесли ему разочарования и горечь. Изобретатель постарался реабилитироваться, последние искры его гениальности породили новейшие устройства и провидческие постулаты. Но время Теслы ушло. Новое поколение ученых – исследователей атома и университетских преподавателей, специализирующихся на определенной тематике, – пришло на смену многогранным личностям, ученым-инженерам-изобретателям-предпринимателям викторианской эпохи.

Тесла все дальше летел в финансовую и профессиональную бездну, что, к сожалению, вело к его несправедливому забвению. В истории науки и технологии имя изобретателя заменили имена его противников, часто имевших меньше бескорыстных идеалов и больше коммерческой жилки. Возможно, трагедия в данном случае крылась в самой природе порабощающего гения, в том, что в сугубо прагматичной среде он чаще выдвигал общие положения, чем конкретные идеи новшеств. Успехи Теслы достигались с помощью вдохновения. Его лекции открыли дорогу многим ученым, перенесшим идеи изобретателя на практику, поэтому влияние Теслы на мир сложно перевести в звонкую монету. В свои последние дни он покорился судьбе и жил ради будущего.

Сегодня, словно неосязаемая тень, образ Теслы просматривается за многими основными технологическими и научными достижениями XX века в пространстве-эфире, где взращивались чудесные семена его гения. По-другому и не могло быть: размах этой личности чувствовался с первой же минуты ее появления на свет, когда во время ночной бури в горах Хорватии будущего гения приветствовала молния. В истории науки редко когда реальность и легенда сходятся так близко.

1856 Никола Тесла родился 10 июля в деревне Смилян на территории современной Хорватии в сербской семье.

1875 Получает стипендию и поступает в Технический университет Граца. Оставляет учебу, когда заканчиваются деньги. Затем в качестве вольного слушателя посещает Университет Карла-Фердинанда в Праге.

1882 Работает в Будапеште, где экспериментально обнаруживает вращающееся магнитное поле.

1884 После работы в парижском филиале «Континентал Эдисон Кампании эмигрирует в США. Эдисон немедленно берет его на работу.

1885 Эдисон обещает заплатить ему 50000 долларов, если он улучшит его динамо-машины. У Теслы это получается. Когда он просит свое вознаграждение, Эдисон смеется над ним. Тесла увольняется.

1888 Первая лекция в Североамериканском институте электроинженеров (AIEE): рассказывает о вращающемся магнитном поле и индукционном двигателе. Подписывает договор с Вестингаузом для разработки своей системы.

1891 Вторая лекция в AIEE, где Тесла представляет беспроводную систему электричества. Разрабатывает устройство катушки, носящей его имя.

1893 Тесла и Вестингауз реализуют проект снабжения электричеством Всемирной выставки в Чикаго, выигрывают конкурс на разработку Ниагарского водопада. Тесла представляет свои разработки в области радио.

1895 Пожар в лаборатории на Пятой Авеню в Нью-Йорке наносит изобретателю огромный ущерб.

1898 Представляет прототип лодки на дистанционном управлении.

1899 С помощью опытов в Колорадо-Спрингс подтверждает существование земных стационарных электромагнитных волн.

1901 Подписывает контракт с Дж.П. Морганом на постройку башни, предназначенной для беспроводной передачи информации и электроэнергии, получившей название Ворденклиф.

1906 После нескольких лет финансовых трудностей строительство станции Ворденклиф прекращается. Тесла пытается спасти положение, изобретая устройства, приносящие немедленную прибыль.

1916 Объявляет о банкротстве после продажи станции Ворденклиф для уплаты долгов.

1943 Умирает в Нью-Йорке 7 января в возрасте 86 лет. Правительство изымает его архивы для дальнейшего изучения.

ГЛАВА 1

Мир электричества

Процесс популяризации электричества – пример симбиоза науки и технологии; изучение данного явления шло параллельно с развитием методов его генерации, хранения и транспортировки. С ранней молодости сербский ученый Никола Тесла демонстрировал интуитивное понимание сути электричества и его технологических характеристик, что привело изобретателя к открытию вращающегося магнитного поля. Таким образом он смог достичь невероятного для той эпохи результата – сконструировать электрический двигатель переменного тока, имевший более высокую эффективность, чем другие двигатели, существовавшие на тот момент.

В автобиографии Никола Тесла подробно останавливается на эпизоде, который произошел холодным февральским днем 1882 года в Будапеште: тогда он, еще будучи инженером-электриком, вышел на прогулку в парк Варошлигет вместе со своим другом Аниталом Сигеты. Солнце клонилось к закату, и будущий великий изобретатель, в голове которого возникали самые амбициозные планы и идеи, смотрел на линию горизонта. Он все еще чувствовал слабость после недавно перенесенной нервной болезни. Врачам не удалось поставить точный диагноз, хотя сегодня, основываясь на последних достижениях науки, мы можем сказать, что симптомы Теслы напоминают расстройство, называемое синестезией, которое заключается в том, что восприятие одного органа чувств смешивается с восприятием другого органа чувств, который в данном случае не должен быть задействован. Иногда это сопровождается сильнейшими зрительными галлюцинациями.

Возможно, в описываемый момент, в парке, у Теслы произошла одна из вспышек его болезни. Сигеты вдруг понял, что идет по парку один, и обернулся. Никола (в то время не оставлявший навязчивой мысли о создании индукционного энергетически эффективного двигателя) стоял как парализованный, с потерянным взглядом. Вдруг он очнулся от транса, принялся искать палку и, схватив ее, стал что-то рисовать на земле. Сигеты, который тоже был инженером, сразу понял, что каракули, в спешке начерченные его другом, – схема магнитного поля, образованного несколькими электрическими токами. Когда он спросил, что это значит, Никола объяснил, что обнаружил решение проблемы создания индукционного двигателя, то есть двигателя, приводимого в действие переменным током. Его изобретение было значительно более эффективным и простым, чем другие, существовавшие на тот момент в данной области.

В возрасте 26 лет этот молодой серб благодаря своему мощнейшему «больному» интеллекту разработал схему, означавшую радикальную перемену в использовании электричества как источника энергии. Правда, рассказать о простейшем принципе и невероятных возможностях переменного тока перед членами Американского института электроинженеров он смог только через шесть лет. Тогда, 16 мая 1888 года, представляя свой доклад, Тесла использовал по сути ту же схему, которую нарисовал палкой на земле в парке Варошлигет. После доклада он был уверен в своем триумфе и даже не представлял, сколько трудностей ему придется преодолеть в течение жизни вместо того, чтобы пользоваться заслуженной поддержкой и реализовывать свои гениальные идеи.

ГЕНИЙ ПРИХОДИТ В ЭТОТ МИР

Никола Тесла родился в 1856 году, в полночь с 9 на 10 июля. Он появился на свет в доме рядом с православной церковью в деревне Смилян, расположенной на горном хребте Велебит, тянущемся вдоль побережья. Хорватия на тот момент должна была превратиться в приграничную провинцию Австро-Венгерской империи Габсбургов. Отец будущего изобретателя, преподобный Милутин Тесла, служил приходским священником. Семья происходила с запада Сербии и относилась к перемещенному религиозно-этническому меньшинству.

Детство Николы прошло на фоне буколических сельских пейзажей хорватских гор, но надо сказать, что ни место, ни время его рождения не способствовали интеллектуальному развитию мальчика. Безграмотность была всеобщей, и для маленького Нико существовали три дороги: работа в поле, пополнение рядов армии или церковная карьера. При этом в его семье не было земледельцев, а самого преподобного Милутина Теслу в свое время исключили из офицерской академии за плохую дисциплину. В этой ситуации три указанные возможности сводились к одной – служению Богу.

У Нико были старший брат Дане и три сестры. Его мать, Джука Мандич, принадлежала к роду умелых мастеров, которые создавали различные механические приспособления для работы по дому и в сельском хозяйстве. От них она унаследовала талант и практическую сметку. Джука сама мастерила множество приспособлений для повседневных домашних дел. Например, одним из ее изобретений был автоматический взбиватель яиц. Вспоминая о матери, Никола Тесла всегда с горечью говорил, что при других обстоятельствах она могла бы, несомненно, далеко пойти.

Соединение этих двух разных миров (отца – образованного человека с исключительной памятью, декламировавшего длинные отрывки из классической поэзии – и умелой, своевольной матери) дало Нико большую чуткость мировосприятия и железную силу воли. Возможно, именно под влиянием матери в раннем возрасте он начал задумывать удивительные устройства, такие как безлопастное гидравлическое колесо, предшествовавшее его будущей безлопастной турбине, или двигатель, приводимый в действие жуками. Любопытство мальчика не знало границ. Чего он только ни делал: например, однажды в ветреный день попытался взлететь с крыши хлева, используя зонтик, или не раз принимался разбирать дедовские часы, чтобы потом безуспешно пытаться собрать их.

В воспоминаниях Теслы присутствует и повествование о том, как он в детстве починил новый пожарный насос, обнаружив засор в шланге, выкачивающем воду из реки. До него никто в деревне не обращал на это внимания. Обрадованные соседи носили Николу на плечах, и он был так счастлив, что решил стать инженером, хоть это решение и предвещало в дальнейшем конфликт с отцом.

Когда брату будущего изобретателя, Дане, исполнилось 12 лет, он погиб из-за несчастного случая, связанного с лошадью. Эта трагедия очень травмировала маленького Николу и тревожила его всю оставшуюся жизнь. Некоторые биографы предполагают, что, возможно, Тесла был частично виноват в несчастном случае, испугав лошадь. Как бы то ни было, память о том ужасном происшествии окрасила в черный цвет его детские воспоминания и сильно повлияла на его личность. Как рассказывал сам Никола, его брат был очень умным мальчиком, гордостью родителей, и после его гибели Милутин и Джука сосредоточили все свои чаяния на образовании младшего сына, постоянно занимаясь тренировкой его памяти и дисциплиной. Нико, со своей стороны, постарался возместить им утрату и горечь несбывшихся надежд, поэтому его детство прошло под знаком невероятных усилий и постоянного недовольства собой. Впоследствии он начал отдаваться работе с поистине монашеским аскетизмом, что вкупе с его необыкновенными личностными характеристиками вызвало к жизни различные мании и фобии, близкие по своей природе к маниакальному неврозу.

Не думаю, что есть какое-либо более сильное ощущение для изобретателя, чем то, когда он видит, что его создания работают. Это ощущение заставляет забыть о еде, о сне – обо всем.

Никола Тесла

Спасением Теслы всегда было живое воображение, вероятно, связанное с его прекрасными способностями к визуализации мыслей. Ему нравилось представлять себе путешествия, в которых он знакомился с самыми разными людьми, он мог создавать у себя в голове целые вселенные. Годы спустя Тесла окажется чрезвычайно ленив в вопросах подготовки набросков и чертежей. Изобретатель заверял всех, что предпочитает совершенствовать модели в уме. То есть он обладал способностью, свойственной незаурядному интеллекту. Отвращение Теслы (имевшего фотографическую память) к планам и схемам вызывало раздражение партнеров и недоверие коллег, а также делало затруднительным процесс получения патентов на изобретения.

Уже в старости Тесла вспоминал, что его проницательный ум впервые столкнулся с явлением электричества холодным зимним вечером, когда их дом оказался засыпан снегом. Он вышел на улицу поиграть и увидел, что ходьба людей по снегу сопровождалась свечением, а бросив снежок в камень, заметил, как возникли искры, похожие на те, которые появлялись, когда его тетка большим ножом колола сахарную голову. Вернувшись домой, пока его мать готовила ужин, Тесла смотрел в окно на заснеженные поля, и его кот Мацак подкрался к нему поближе. Никола увидел, что бок животного светится, а когда погладил кота, засверкали искры. Мать сказала ему бросить играть с Мацаком, если он не хочет устроить пожар, а отец объяснил, что эти искры называются электричеством. Это объяснение очень впечатлило Нико и запомнилось ему на всю жизнь: мальчику еще не приходилось слышать о настолько могущественной невидимой силе, способной вызвать пожар в доме. Позже, когда в комнате стало совсем темно, Никола увидел, что Мацак переступает лапами так, будто движется по мокрой поверхности, а шерсть кота освещается и образует ауру.

С того далекого дня Тесла не переставал думать о силе, вызывающей столь невероятные явления. Как он вспоминал впоследствии, его мучил вопрос: нельзя ли сравнить электричество с огромным котом, прекрасным и беспомощным, но при этом страшно опасным? Способно ли электричество стать его другом, как Мацак? Мог ли он погладить его и собрать непослушные искры? Маленький Нико настолько увлекся, что начал читать книги по физике, стремясь найти ответ на самый главный вопрос, который вертелся у него в голове: что такое электричество?

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

У материи есть особое свойство – электрический заряд. Он может быть двух видов – положительный и отрицательный, – и надо сказать, что разноименные электрические заряды притягиваются с необыкновенной силой, как это происходит внутри атомов. Носителем элементарного положительного заряда является протон, отрицательного заряда – электрон. Электрический заряд вызывает физические явления, в основном связанные с взаимодействием и энергией электронов и проявляющиеся в самых разных формах – термических, механических, световых, а также химических.

Обычно когда мы говорим об электричестве, то имеем в виду свойство материи. Но понятие «электричество» имеет еще два определения: форма энергии, основанная на указанном свойстве, и раздел физики, изучающий электрические явления. В любом из трех своих значений слово «электричество» играет фундаментальную роль для человеческого общества. Современный мир не был бы возможен без него. Тем не менее человечество обходилось без электричества до начала XX века.

Хотя явления, связанные с электричеством, можно наблюдать в природе, люди прошли долгий путь до полного понимания данного свойства материи и возможности контроля над ним, что позволило значительно повысить уровень жизни. Уже греки наблюдали, как один из видов ископаемой смолы приобретает свойство притягивать перья, нитки и пух при натирании его куском кожи. Этот вид смолы мы знаем сегодня как янтарь; греки же называли его электрон. В елизаветинскую эпоху англичанин Уильям Гильберт (1544-1603), исследователь магнетизма, открыл, что трение придает данное свойство и другим материалам. Именно благодаря ему в языке закрепились слова «электричество» и «электрический» – от греческого «электрон».

В 1733 году французский химик Шарль Дюфе (1698-1739) открыл, что два стержня из одного материала – янтаря или стекла – при натирании взаимно отталкиваются. При этом стержни из разных материалов притягиваются (см. рисунок 1).

РИС. 1

Поведение стержней Дюфе при натирании. Стержни из одного материала испытывают силу отталкивания (F); если материалы стержней разные, то возникает сила притяжения.

Подобным образом ведут себя и полюса магнита. Если же стержни соприкасаются, взаимодействие прекращается. Поэтому казалось, что существуют два разных вида «электричества».

Североамериканский политик, ученый и изобретатель Бенджамин Франклин (1706-1790) первым стал говорить о наличии положительного и отрицательного заряда. Когда он тер стеклянный стержень, «электричество» текло внутрь стержня, «положительно заряжая его», а при трении янтаря «электричество» выходило из него, «заряжая отрицательно». Соприкосновение стержней с противоположными зарядами заставляло перетекать положительный заряд в отрицательный до момента достижения равновесия. В 1785 году Шарль Кулон измерил отношение и величину притягивания и отталкивания зарядов. Закон Кулона утверждает, что сила обратно пропорциональна квадрату разделяющего заряды расстояния и пропорциональна величине зарядов.

Что происходило внутри стержней, которые бережно держали в руках столько знаменитых ученых? Чтобы понять это, нужно было исследовать материю, структуру атома настолько глубоко, насколько мы изучили их сегодня. В несколько упрощенном виде можно сказать, что атом состоит из ядра, в которое включены протоны и нейтроны. В ядре сконцентрирована основная часть массы атома, другую часть массы представляют электроны, вращающиеся по орбитам вокруг ядра. Структура атома является стабильной в большой степени благодаря электромагнитной силе. Общий заряд протонов положительный, у нейтронов, как следует из их названия, – нейтральный, у электронов – отрицательный. Атом в своем единстве является нейтральным. При этом в некоторых материалах электроны обладают достаточной степенью независимости от ядер и могут перемещаться относительно них.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

Кроме проводников и изоляторов, сегодня известен еще один вид материалов – полупроводники. Они могут вести себя как проводники или изоляторы при воздействии определенных обстоятельств, например давления или температуры. Полупроводники чрезвычайно важны для электронных устройств. Согласно знаменитой зонной теории энергетических уровней, орбиты электронов, вращающихся вокруг ядер, называются энергетическими «уровнями» или «слоями». Существуют три зоны уровней: зона валентности, зона проводимости и запрещенная зона. В зоне валентности вращаются электроны, которые атом может отдать в случае их привлечения зоной валентности другого ближайшего атома. В зоне проводимости находятся электроны, которые участвуют в проводимости, то есть могут перемещаться под действием электрического поля. Запрещенная зона разделяет две предыдущие, электронам нужно перескочить через нее для того, чтобы переместиться из одной зоны в другую. Речь идет не о пустом пространстве, а о необходимой энергии для разрыва связей между электронами. Количество энергии, требующееся электрону для того, чтобы перескочить через запрещенную зону, определяет электропроводимость данного материала.

У металлов нет запрещенной зоны, поэтому электроны могут свободно перепрыгивать из зоны валентности в зону проводимости.  

Зона проводимости – Пустая зона проводимости.

Запрещенная зона – В изоляторе энергия, требующаяся для перескакивания через зону (Eg), очень высока, электроны не могут ее преодолеть.

Зона валентности – Заполнена электронами, которые не могут пройти через запрещенную зону.

Зона проводимости – Со свободными электронами.

Запрещенная зона – В полупроводнике Eg низкая, атомы могут преодолеть ее при наличии дополнительной энергии, добавляющейся к собственной энергии.

Зона валентности – С дырками.

Перемещение (поток) электронов и называется электрическим током. Большая часть вариантов практического применения электричества связана с потоком электронов, который наблюдали, но не замечали первые исследователи.

После открытия базовых аспектов электричества ученым пришлось приложить много усилий, чтобы исследовать явление более глубоко. Экспериментаторы XVIII века заметили, что электричество свободно проходит через одни тела, такие как металлы (сегодня мы называем их «проводники»), и не может с легкостью пройти через другие, такие как стекло или янтарь, которые сегодня известны как «изоляторы». Возникла мысль об использовании данного свойства для того, чтобы «поймать» и, возможно, хранить электричество. Для достижения этих целей нужно было постепенно накопить большой электрический заряд в проводнике, затем изолировать его стеклом или слоем воздуха, чтобы препятствовать потерям электричества.

Прибором, отвечавшим всем перечисленным требованиям и известным сегодня как конденсатор, стала лейденская банка, которую одновременно и независимо друг от друга создали в 1745 году немецкий профессор Георг фон Клейст (1700-1748) и голландский физик Питер ван Мушенбрук (1692-1761). Сосуд – стеклянную банку – заряжали с помощью металлического стержня, проходящего через пробку; заряд накапливался в стекле. Британец Уильям Уотсон (1715-1787) добавил к этой конструкции в 1747 году еще одну деталь: он предложил оклеивать банку листами олова, что увеличивало заряд (см. рисунок 2). Благодаря сильному заряду банки восхищенные зрители могли наблюдать целый спектакль с искрами и треском, а при соприкосновении с банкой возникал разряд. Так что же происходило внутри?

РИС. 2

Элементы и устройство лейденской банки.

Лейденская банка объясняет основные электрические явления. Электроны естественным образом стремятся перейти из зоны с высокой плотностью заряда в зоны с меньшей плотностью. Сила, влекущая за собой электроны, или, другими словами, дающая импульс движению зарядов, называется «электродвижущей силой» (ЭДС), или, с позиции энергии, «электрическим потенциалом». Если электрический потенциал возрастет в достаточной степени, электроны займут пространство, разделяющее отрицательный и положительный полюса. Тогда они будут проходить по воздуху, испуская искры и издавая треск. Искры возникают из-за столкновения электронов с молекулами воздуха; звук происходит от расширения воздуха при резком нагревании. Разность потенциалов между двумя точками проводника определяется с помощью физической величины, называемой электрическим напряжением; прибор для измерения напряжения – вольтметр.