4.2. ИЗОЛЯТОРЫ И ПРОВОДНИКИ

Электрические свойства различных тел прежде всего определяются тем, насколько свободно в них могут передвигаться электрические заряды.

В изолирующих телах (таких как фарфор, масло, смола, бумага) электрические заряды занимают определенное положение и не могут свободно перемещаться.

Свободное движение зарядов не может происходить и в газах, если большинство его молекул и атомов находится в нейтральном состоянии. В обычном состоянии газы , (в том числе и воздух) являются хорошими изоляторами, так как лишь ничтожное количество его частиц находится в ионизированном состоянии.

В растворах солей, щелочей и кислот (электролиты) атомы соединяются в группы, обладающие положительным или отрицательным зарядом («+» и «-» ионы). Протекание тока через такие растворы обусловлено подвижностью ионов и обязательно сопровождается переносом атомов от одного электрода к другому. В металлах электроны могут легко перемещаться между положительными ионами, образующими жесткий костяк тела (кристаллическая решетка из связанных между собой ионов). В какой-то мере свободные электроны внутри металла похожи на жидкость, заполняющую пористое губчатое тело. Протекание тока через металл, обусловленное движением электронов, не сопряжено с переносом атомов: если, например, в цепь тока, образованную медными проводами, вставить кусок проволоки из другого металла, скажем, из серебра, то сколь бы долго по такой цепи ни проходил ток, атомы меди не войдут в серебряную проволоку и атомы серебра не войдут в медную.

Электроны в медной и серебряной проволоках одинаковы, поэтому их переход из одной в другую не связан с наблюдением каких бы то ни было химических изменений.

Заметим здесь, что заряды (электроны и ионы) при протекании даже больших токов движутся сравнительно медленно — огромная скорость распространения электромагнитного состояния вдоль проводов электрической цепи совпадает со скоростью распространения электромагнитной волны, а не со скоростью движения заряда в проводах.

Электролиты и металлы — хорошие проводники, их удельное сопротивление очень мало.

Хорошими проводниками являются и многие газы (в том числе и воздух), но только тогда, когда их атомы (или молекулы) находятся в ионизованном состоянии. В ионизованном газе электроны, вырванные из атомных оболочек, могут свободно передвигаться между положительными ионами (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схематическое изображение тока в ионизированном газе. Тяжелые положительные ионы передвигаются в направлении силы электрического поля (§ 4.3). Легкие более подвижные электроны движутся навстречу. Важно обратить внимание на то, что общий заряд газа при этом может быть равен нулю (одинаковое количество отрицательных и положительных зарядов)

Ионизация газа может быть вызвана разными причинами.

Введем внутрь стеклянной трубки, заполненной разреженным газом, металлические электроды (проволоки, пластины) и присоединим их к источнику достаточно высокого напряжения.

Если напряжение постепенно увеличивать, то легко заметить, что сначала ток в цепи чрезвычайно мал, но как только напряжение достигнет известного предела, ток резко возрастет. Это и значит, что произошла ионизация газа. В тот момент, когда через трубку с газом начнет протекать ток, газ в трубке начнет светиться. Трубка зажжется.

Свечение газа обусловлено сильной и непрерывной ионизацией его. Атомы излучают свет, когда электроны отрываются от одних атомов и затем соединяются с другими или даже меняют свое положение внутри атомной оболочки.

В рассмотренном случае ионизация вызвана электрическим напряжением.

Ионизацию газа вызывает и свет. Особенно сильная ионизация наблюдается при освещении газа кварцевой лампой. Еще сильнее ионизируют газ рентгеновские лучи. Обычный окружающий нас воздух также содержит небольшое число ионизированных атомов.

Нагретые металлы испускают в окружающую их среду свободные электроны. Тепловое испускание электронов похоже на испарение нагретой жидкости. При нагревании увеличивается скорость движения частиц, образующих нагреваемое тело. При высокой температуре скорость движения отдельных частиц (в том числе и электронов) настолько возрастает, что эти частицы, преодолевая сдерживающие силы, вылетают наружу.

Испускание свободных электронов легче всего наблюдать, когда нагреваемый металл помещен в трубку с откачанным из нее воздухом (если испускаемые электроны попадают в воздух, они быстро теряют подвижность, сталкиваясь с частицами газа).

Это явление широко используют в электровакуумных приборах.

Испускание электронов поверхностью металла происходит также при освещении металла светом — чем сильнее свет, падающий на поверхность металла, тем больше электронов вырывается с его поверхности.

Первое обстоятельное исследование воздействия света на образование свободных электронов (фотоэффекта) было произведено в Москве проф. А. Г. Столетовым в 1888 г. Открытие фотоэффекта нашло применение в устройстве фотоэлементов — элементов электрической цепи, проводимость которых зависит от их освещения.

В настоящее время в электротехнике широко применяются электронные и ионные приборы. Мы еще вернемся к рассмотрению некоторых из них, а сейчас перейдем к описанию нескольких простых опытов с неподвижными (статическими) зарядами. Эти классические опыты позволили установить ряд основных законов.

Рассмотрение этих опытов должно внести ясность в понимание важнейших положений науки об электричестве.