Покоренный электрон

Электрон, выбитый из оболочки атома, перестает быть его «пленником». Электрон начинает самостоятельно странствовать. Это странствование продолжается до тех пор, пока он не попадет «в плен» к какому-либо другому атому.

Нагревание заставляет некоторые электроны вылетать за пределы раскаленного вещества.

Еще в 1733 году ученые заметили, что воздух вблизи раскаленного металла становится проводником электричества. С этим явлением ученые сталкивались постоянно, но объяснения ему не находили. Слишком мало тогда знала наука об электричестве.

То же самое приходилось наблюдать во время опытов с катодными трубками. Раскаленный катод выбрасывает значительно больше электронов, чем холодный.

Все эти наблюдения доказывают, что нагревание заставляет электроны двигаться быстрее, а большая скорость и, следовательно, большая энергия помогает им вылетать за пределы металла. Раскаленный металл всегда окружен легким, невидимым облачком электронов.

Бегство электронов из нагретого тела получило название термоэлектронного эффекта, или термоэлектронной эмиссии. Слово эмиссия означает — выход, выпуск.

Электроны освобождаются из оболочек атомов не только при воздействии высокой температуры. Опытами Столетова доказано, что и свет освобождает электроны.

В приборе Столетова ультрафиолетовые лучи, обрушиваясь на цинковый кружок, выбивали электроны за пределы металла. Совершив воздушный полет, они «приземлялись» на сетчатом электроде.

Это действие света на электроны получило название фотоэлектронной эмиссии или фотоэлектронного эффекта. Но эти термины употребляются сравнительно редко. Физик Казанского университета профессор В. А. Ульянин, который исследовал фотоэлектронную эмиссию одновременно со Столетовым, предложил другое, более короткое и простое название — фотоэффект; оно и получило общее признание.

Прибор Столетова, усовершенствованный другими физиками (рис. 43), называется теперь фотоэлементом.

Рис. 43. Схема фотоэлемента. Свет, падая на поверхность фотокатода, выбивает из нее электроны, и в цепи прибора возникает ток.

Таким образом люди научились освобождать электроны из невидимой крепости атома. Тем самым был совершен переворот, положивший начало новой эре в истории науки и техники.

Было установлено, что электроны могут двигаться не только по проводам (там они движутся очень медленно).

В предельно разреженных газах (в высоком вакууме) электроны при определенных условиях развивают скорости, немногим отличающиеся от скорости света.

Именно здесь они могут полностью проявить свои замечательные свойства.

Управление движением электронов по проводам дало человечеству телеграф, телефон, электрические двигатели, электрическое освещение (лампами накаливания).

Уменье использовать для практических целей различных областей техники движения электронов в разреженных газах составило новую эпоху в развитии электротехники. Эту молодую отрасль электротехники назвали электронной техникой или электроникой.

Глава пятая. Служба свободных электронов

Недоумение Томаса Эдисона

Электрическую лампочку изобрел русский инженер Александр Николаевич Лодыгин. Привилегию на свое изобретение Лодыгин получил 11 июля 1874 года, и в том же году Академия наук присудила ему Ломоносовскую премию. Вскоре началось производство «русских лампочек», которые пользовались большим спросом как в России, так и за границей.

В 1877 году лейтенант флота Хотинский, отправляясь в служебную командировку в Америку, захватил с собой несколько лодыгинских лампочек. Хотинский показал эти лампочки известному американскому изобретателю Томасу Эдисону. Эдисон быстро оценил все достоинства нового способа освещения и принялся усовершенствовать русскую электрическую лампочку.

Наиболее существенное изменение, какое предприимчивый американец внес в устройство лампочки, состояло в том, что он заменил короткий и толстый угольный стерженек в лампочке Лодыгина длинным и тонким, то есть сделал лампочку с угольной нитью.

Пользуясь широкой рекламой, Эдисон беззастенчиво попытался выдать изобретение Лодыгина за свое. В Америке, где не знали о «русских лампочках», Эдисону это удалось. В Европе необоснованные претензии Эдисона встретили решительный отпор. Патентные бюро всех государств отказали Эдисону в выдаче привилегий «на изобретение», предложив ему ограничиться привилегией «на усовершенствование».

Французский электротехнический журнал, высмеивая притязания американцев, писал: «Почему бы не сказать уже, что и солнечный свет изобретен в Америке?»

А. Н. Лодыгин, продолжая совершенствовать лампочку, вскоре заменил угольную нить нитью из тугоплавкого металла вольфрама, то есть создал электрическую лампочку в ее современном виде.

Эдисон же в это время продолжал малоуспешные опыты с угольными нитями и никак не мог понять, что с ними происходит. Его лампочки выходили из строя чрезвычайно быстро и необыкновенно странным образом. Угольная нить почему-то перегорала как раз в том месте, где она соединялась с проволокой, ведущей к положительному полюсу батареи или динамомашины. Даже на глаз было отчетливо видно, что анодный конец нити нагрет сильнее и светит ярче, чем катодный.

Значит, нить недоброкачественна, решил Эдисон, один ее конец тоньше и поэтому он перегорает быстрее. Была сделана идеально ровная нить, но и она перегорела в том же самом месте. Тогда Эдисон стал менять местами проводники, ведущие к лампочке от динамомашины. Он присоединял к положительному проводнику то один конец нити лампочки, то другой, и во всех случаях раскалялся и сильнее светил именно тот конец, который вел к положительному полюсу.

Причина гибели лампочек заключалась не в качестве нити, а именно в разнице между плюсом и минусом. После нескольких лет бесполезных исканий, Эдисон пришел к выводу, что отрицательные электрические заряды могут как бы «испаряться» или «улетучиваться» из раскаленной нити электрической лампочки. На эту же мысль наводили и опыты с катодными трубками, в которых раскаленный катод усиливал излучение.

Эдисон поместил внутри лампочки возле нити металлическую пластинку и вывел наружу проволочку, прикрепленную к этой пластинке (рис. 44).

Рис. 44. Над раскаленной нитью вьется облачко электронов. Прибор показывает присутствие тока между нитью и пластинкой.

Между проводником, подводящим в лампочку ток, и проволочкой, припаянной к металлической пластинке, Эдисон включил чувствительный гальванометр. Когда лампочку зажгли — гальванометр отметил присутствие тока. Это доказывало, что электрические заряды действительно «улетучиваются» или «испаряются» с раскаленной нити и перелетают на металлическую пластинку. По цепи, состоящей из накаленной нити, металлической пластинки и сильно разреженного пространства между нитью и пластинкой, проходил электрический ток.

Так на опыте было доказано существование термоэлектронного эффекта или термоэлектронной эмиссии.

Однако до конца в этом явлении Эдисон не разобрался, и загадка преждевременной гибели лампочек раскрылась только 14 лет спустя, когда «электронная теория» разъяснила, что именно происходит в раскаленной нити лампочки.

Причина гибели лампочек

По раскаленной нити электрической лампочки движутся электроны. Нить тонка. Путь для электронов затруднен: пробираясь между атомами, электронам приходится преодолевать, большое сопротивление. Электроны энергично расталкивают атомы. Колебания атомов достигают большого размаха и силы, иначе говоря, температура волоска подымается.