Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Под действием гравитации капля медленно падала на нижнюю пластину. Скорость падения зависит от массы капли и сопротивления воздуха (а оно является существенным для столь малого объекта). По формуле английского физика Джорджа Габриеля Стокса (1819–1903) Милликен определил массу капли.

Затем направил на сосуд пучок рентгеновских лучей, под действием которых внутри его образовались ионы (см. гл. 7). Ионы «прилипали» к каплям, и если ион нес положительный заряд, то капля, отталкиваясь от верхней положительно заряженной пластины, устремлялась к нижней со скоростью, большей скорости падения под действием гравитации. Если же ион обладал отрицательным зарядом, то капля, притягиваясь к верхней пластине, летела вверх против силы притяжения.

Изменение скорости падения капли зависело от силы электромагнитного поля и заряда капли. Зная силу поля, Милликен смог вычислить заряд.

Милликен выяснил, что заряд капли зависел от природы и количества адсорбируемых ею ионов. Однако величина всех зарядов сводилась к одному числу, которое можно было принять за минимальный заряд иона, а следовательно, и электрона. Милликену довольно точно удалось рассчитать этот заряд. Принятая сегодня величина минимального заряда электрона равняется 4,80298∙10–10, или 0,000000000480298 электростатических единиц (см. ч. II).

Современная наука утверждает, что любой электрический заряд равен 4,80298∙10–10 электростатическим единицам и может быть как положительным, так и отрицательным. Давайте для простоты представим минимальный заряд как 1 и разделим все частицы на три группы:

1) частицы, заряд которых равен 0, то есть атомы и молекулы;

2) частицы, заряд которых либо равен –1, либо кратен –1. Это отрицательно заряженные ионы и конечно же электрон;

3) частицы с зарядом, равным или кратным +1, то есть положительно заряженные ионы.

Науке пока не известны частицы с зарядом +0,5 или –1,3, да и вообще с нецелочисленным зарядом. Возможно, такие частицы и будут открыты в будущем.

Открытие электронов и субатомных частиц в целом сильно повлияло на таблицу химических элементов. Но прежде чем говорить об этом, давайте сначала посмотрим, как используется поток электронов в вакууме. (Наука о поведении этих электронов и о механизмах их контроля и управления ими получила название электроника.)

В 1883 году американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) наблюдал за потоком электронов в вакууме при весьма необычных обстоятельствах. Четырьмя годами ранее Эдисон изобрел лампочку и теперь продолжал работу над ее совершенствованием. Первая лампочка состояла из угольной нити накала, помещенной в колбу с откачанным воздухом. (Под действием электрического тока нить накаляется добела и в случае присутствия воздуха тут же перегорает.)

Постепенно на внутренней стороне колбы образовывался темный нагар, и, как полагал Эдисон, это происходило потому, что из нити часть углерода улетучивалась и оседала на стенках. Все это приводило к истончению нити и помутнению стекла, и Эдисон начал принимать «контрмеры». Для начала он попробовал поместить рядом с нитью небольшую металлическую пластинку в надежде, что углерод станет оседать на металле, а не на стекле.

Этого, однако, не произошло, но Эдисон обнаружил странный эффект. Если подключить эту металлическую пластинку к «плюсу» батареи, то по ней начинал течь электрический ток, несмотря на то что пластинка и нить не соприкасались. Если же подключить пластинку к «минусу», то цепь не замыкалась. Эдисон не знал, какую пользу можно извлечь из этого феномена (в русской номенклатуре получил название термоэлектронная эмиссия. — Пер.), и поэтому продолжал изучать его дальше.

Как только ученые более глубоко изучили природу катодных лучей, термоэлектронная эмиссия перестала быть загадкой. Горячая нить отдает свои электроны, грубо говоря, они «испаряются» с ее поверхности, и вокруг нити образуется небольшое облако из электронов.

Если же рядом поместить пластину, несущую положительный электрический заряд, то электроны начнут к ней притягиваться. Таким образом, электроны передавались от горячей нити к пластине, т. е. образовывалась замкнутая электрическая цепь, а когда пластину подключали к минусу, то отрицательно заряженные электроны от нее отталкивались, и цепь оставалась разомкнутой. Англичанин Джон Амброс Флеминг (1849–1945), электротехник по профессии, в 1880-х годах консультировал Эдисона и много лет спустя, в 1904 году, вспомнил об эксперименте Эдисона. Предположим, что металлическая пластинка подключена к источнику переменного тока (см. ч. II), то есть заряд пластины будет меняться с положительного на отрицательный 60 раз в секунду (в сети переменного тока 60 Гц), и цепь будет замыкаться только тогда, когда заряд будет положительным.

Таким образом, ток будет течь лишь половину времени, когда цепь замкнута, все остальное время он течь не будет.

Благодаря термоэлектрической эмиссии стало возможным разрывать электрическую цепь простой переменой полярности. Переменный электрический ток, проходя через такую «модернизированную» лампочку, становится постоянным. Конечно, будут присутствовать колебания электрического тока, однако он всегда будет течь лишь в одном направлении. Устройство получило название выпрямитель электрического тока.

Флеминг назвал свое устройство «вентилем», по аналогии с обычным водопроводным, так как оно перекрывало поток электрического тока. В США прижилось гораздо менее говорящее название электровакуумная трубка. Однако лучшим названием является диод («два электрода»), так как углеродная нить и металлическая полоска являются двумя электродами, запаянными в колбу.

Двумя годами позже, в 1906 году, американский изобретатель Ли Де Форест (1873–1961) добавил в трубку еще один электрод, состоящий из нескольких тонких проводков, и получился триод. Проводки являются модулятором.

С помощью модулятора можно управлять потоком электронов с гораздо большей точностью. Диод может либо открывать, либо закрывать поток, как и его водопроводный аналог. Само наличие модулятора не влияет на работу прибора, так как практически все электроны свободно пролетают сквозь зазоры между проводами, и лишь некоторые электроны остановятся, столкнувшись непосредственно с самим проводом.

Однако если подключить модулятор к отдельной электрической цепи и пропустить сквозь него небольшой отрицательный заряд, то каждый проводок начнет отталкивать электроны. То есть за счет электрического поля каждый провод станет, грубо говоря, «толще», заполняя промежутки между проводами, и большинство электронов не смогут долететь до металлической пластины. С увеличением отрицательного заряда модулятора эффект будет лишь усиливаться. И небольшого заряда модулятора достаточно, чтобы полностью разорвать электрическую цепь даже при сравнительно большем заряде пластины, при этом сам «вентиль» будет оставаться открытым.

Этот эффект можно применять для усиления слабых переменных токов. Если цепь со слабым током подключить к модулятору, то лишь небольшие изменения отрицательного потенциала модулятора приведут к большим изменениям напряжения в цепи пластина — нить. Однако эти изменения будут в точности соответствовать изменениям потенциала в цепи модулятора. То есть «сильный» ток по своим характеристикам будет в точности соответствовать «слабому». Так устроен простейший усилитель.