Фрэнсис Ролт-Уилер - Как мальчик Хюг сам построил радиостанцию Страница 10

Вещества, электроны которых передвигаются легко, называются «хорошими проводниками электричества». Элементы, атомы которых стесняют передвижение своих свободных электронов, известны, как плохие проводники[2]. Если так, то очевидно, что «твердые» тела в сущности вовсе не тверды. В атоме урания в солнце имеются 240 положительных электронов (из которых действующими считаются 92). а также 148 отрицательных. Вокруг этого солнца вращаются, как планеты, 92 отрицательных электрона. В атоме гелия четыре положительных и два отрицательных электрона составляют «солнце», а еще два отрицательных электрона вращаются вокруг них, как планеты.

Эти «планеты» находятся не близко от своего «солнца». Относительно гелия расстояния выяснены с довольно большой точностью: если бы «солнце» было величиной с футбольный мяч, то отстоящие на одну с четвертью мили в каждую сторону два мячика для гольфа представляли бы планетные отрицательные электроны. Расстояние, таким образом, довольно большое.

Сами атомы чрезвычайно малы. Если измерить атом, исходя из расстояния между электронами в атоме гелия (два мячика для гольфа, удаленные друг от друга на две с половиной мили), окажется, что диаметр атома равен приблизительно одной двухсотмиллионной части дюйма. Как же малы должны быть электроны!

Диаметр «солнца» приблизительно равен одной десятитысячной всего атома, а электрон меньше «солнца» приблизительно во столько раз, во сколько раз мячик для гольфа меньше футбольного мяча. Потребовались бы миллионы биллионов электронов, чтобы наполнить ушко тончайшей иголки.

Несмотря на бесконечно малую величину электронов, их удалось взвесить, сосчитать, измерить, и даже определить их индивидуальный электрический заряд. Точно известно, что шесть миллионов биллионов отрицательных электронов дают столько электричества, сколько дает в течение одной секунды ток в один ампер.

Если бы мисс Фергюсон знала все эти новейшие достижения научной мысли, она могла бы точнее объяснить Хюгу, отчего получилась искра в лейденской банке. На самом деле случилось вот что: биллионы электронов совершили безумный скачек через пространство, являющееся для них большим, чем расстояние от земли к какой-нибудь отдаленной звезде.

Когда мальчик прикоснулся медной шишечкой банки к отрицательному полюсу машины, свободные отрицательные электроны, скопившиеся на этом полюсе, найдя открытый путь в такое место, где не было их избытка (внутренняя оболочка) биллионами бросились по этому пути. Когда Хюг убрал шишечку, внутренняя оболочка была заряжена всеми электронами, которые могла вместить. В то же время в положительном полюсе машины был недостаток отрицательных электронов.

Поэтому, когда мальчик коснулся проволокой к наружной оболочке положительного полюса машины, свободные электроны атомов наружной оболочки поспешили по новому пути восполнить недостаток на положительном полюсе машины. Когда банка была окончательно убрана от машины, состояние ее было таково, что во внутренней оболочке был избыток электронов, а в наружной недостаток. Внутренняя оболочка отталкивала, наружная готова была притягивать. Между обеими металлическими оболочками банки, или, как обыкновенно говорят, между обеими пластинками конденсатора, была «разность потенциалов». Употребляя общепринятое выражение, банка была «заряжена электричеством».

Мисс Фергюсон напомнила, что тела, заряженные одноименным электричеством, отталкиваются, разноименным — притягиваются. Если знать природу электронов, причину этого легко понять. Два тела, оба заряженные отрицательно, т.-е. содержащие в избытке отрицательные электроны, должны отталкиваться, так как ни у того ни у другого нет потребности в отрицательных электронах. Но если два тела заряжены разноименным электричеством, т.-е. если одно из них имеет избыток, а другое недостаток электронов того или другого рода, они, стремясь к установлению равновесия электронов в атомах, будут притягиваться. Поэтому в банке Хюга существовала еще причина для тока. Отрицательные электроны в атомах стекла, не имея возможности двинуться, потому что стекло плохой проводник и крепко сдерживает свои атомы, отошли, как могли, дальше от внутренней жестяной оболочки, каждый из биллионов отрицательных электронов стекла с силой устремился к своему «солнцу». Так как всякое неэлектропроводное или изолирующее тело, будь это стекло, бумага, масло, сухой воздух или слюда, находящееся между двумя проводниками, называется непроводящим или диэлектрическим, то и такое состояние называется диэлектрическим. Его сила прибавляется к разности потенциалов между внутренней и наружной жестяной оболочкой.

Так обстояло дело, когда Хюг удалил от машины заряженную банку.

Если в таком случае быстро привести в соприкосновение проволоку, соединяющую наружную оболочку, с медной шишечкой внутренней оболочки, то по этой проволоке (проволока хороший проводник), устремятся биллионы лишних электронов внутренней оболочки и восполнят недостаток их в наружной.

Это случилось с Хюгом, когда он испытал такой сильный толчок.

Его тело, являющееся таким же хорошим проводником, как и проволока, послужило мостом для электронов.

Быстрое прохождение биллионов электронов по его пальцу, вверх по его руке, по его туловищу и вниз к другой руке, которая держала наружную оболочку, и было причиной сотрясения.

Но это сотрясение было вызвано не только единичным прохождением электронов по телу мальчика. Сила, вызванная разностью потенциалов обеих оболочек, была слишком велика. Стремление электронов уменьшить напряжение (или привести разность потенциалов к нулю) было так велико, что слишком большое количество их перешло в наружную оболочку. Меньше чем в миллионную долю секунды положение изменилось. Теперь в наружной оболочке было слишком много электронов, а во внутренней слишком мало; в то же мгновение электроны устремились в обратном направлении.

Легко объяснить движение в обе стороны. Сначала случилось то, что бывает, если ведро воды вылить в узкое длинное корыто: вода будет колебаться взад и вперед, пока не достигнет своего настоящего уровня и станет неподвижной.

Через миллионную долю секунды положение снова изменилось: внутренняя оболочка опять была перезаряжена, но уже не так сильно. И так электроны устремлялись то взад, то вперед, через тело Хюга, каждый раз в меньшем количестве, подобно пружине, колебания которой все короче и короче (время одного колебания то же), или качелям, которые толкнули только одни раз, и они качаются взад и вперед все менее и менее высоко, пока не остановятся совершенно. Так, в лейденской банке Хюга электроны колебались туда и сюда, пока не сравнялась разность потенциалов. Это заняло меньше времени, чем потратил Хюг, чтобы бросить банку. Если бы Хюг знал все это, он бы без труда понял, как получилась искра во время его вторичного опыта. На этот раз, когда он взял своими деревянными щипцами, снабженными стеклянными кончиками, проволоку, ведущую от наружной жестяной оболочки, он фактически не коснулся медной шишечки, а только поднес проволоку близко к ней. Таким образом, путь был проложен не до конца, как будто между двумя городами проходит большая хорошая дорога, а в середине ее канава настолько широкая, что человеку ее не перепрыгнуть.

Воздух плохой проводник, как и стекло (хотя и не в такой степени), и он-то и не давал электронам возможности перейти через маленькое пространство между концами проволоки и медной шишечкой; когда же проволока приблизилась еще больше, напряжение достигло такой степени, что электроны могли перескочить. Если продолжить сравнение с канавой, можно сказать, что рабочие начали ее засыпать и нетерпеливый прохожий перешагнул через нее, как только она настолько сузилась, что это стало возможным.

(Еще больше энергии дало бы еще большую искру, как спортсмен перескочил бы более широкую канаву, чем ребенок).

Электрический толчок, испытанный Хюгом, был вызван не одним переходом электронов, а несколькими переходами их взад и вперед. Но как же обстояло дело с искрой? Если вся сила электронов нужна была для первого прыжка, каким же образом, при последующих качаниях, когда количество электронов было меньше, сила их все-таки была достаточно велика еще для одного прыжка?

Ответ на этот вопрос имеет значение в области беспроволочного телефона.

Во время первого прохождения через воздух, электроны его наэлектризовали. Яснее это можно выразить так: стремительные электроны создали в пространстве между проволокой и шишечкой напряженное электрическое поле, в результате чего некоторые молекулы воздуха оказались заряженными, другие же разложились на атомы составляющих их газов. Вследствие быстрых столкновений, электроны многих атомов лишились части своих планетных отрицательных электронов, оказались неполными и заряженными положительно. Такие неполные атомы называются «ионами», воздух же в таком состоянии называется «ионизированным».