Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток

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.

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.

В XVIII веке, поражаясь искрам и треску, производимым лейденской банкой, немало ученых должны были задуматься, не являются ли гром и молнии явлениями того же типа. Определенно именно этот вопрос привел Бенджамина Франклина к знаменитому опыту с воздушным змеем, который лучше не пытаться повторить, так как, по словам самого ученого, самым удачным результатом было то, что ему удалось выжить.

Во время грозы знаменитый изобретатель Бенджамин Франклин (известный также тем, что стал одним из отцов-основателей США) запустил воздушного змея с проволокой на конце, привязав к нему шелковую нить, — внизу на нити был металлический ключ.

Когда он приближал руку к ключу, от ключа летели искры; это доказывало, что электричество проходит по нити. С помощью такой процедуры он заряжал лейденские банки. Испытывая тот же детский восторг, с каким столетие спустя маленький сербский мальчик Никола Тесла наблюдал статическое электричество на снегу и на шерсти кота, Бенджамин Франклин открыл, что молния и гром являются эффектами от некоего подобия космической лейденской банки, в которой электрически заряженные грозовые облака — один из полюсов, а земля — другой. Так совершился решительный шаг на пути к пониманию электрических явлений, хотя путь этот будет еще долгим.

Благодаря неутомимому любопытству и способности к самостоятельному обучению в шесть лет Нико уже знал примитивные основы электрических явлений. Как раз тогда его отца перевели в Госпич, главный город провинции, и вся семья перебралась туда вместе с ним. В школе в Госпиче таланты и интеллект Нико расцвели, особенно его отличали по математике. Поступив в десять лет в реальную гимназию, он смог позволить себе не сдерживать своей природной склонности к физике — благодаря не только поддержке преподавателей, но и наличию хорошо оснащенной лаборатории. (Позже в мемуарах Тесла писал, что мечты об экзотических приключениях были забыты ради таких необыкновенных понятий, как энергия, сила природы, ветер, солнце, вода...) Прочитав про Ниагарский водопад, Нико представил своей семье проект турбины, которая позволила бы воспользоваться природной мощью воды; он утверждал также, что однажды поедет строить эту турбину в Америку. Вряд ли мальчик тогда мог представить, что через 30 лет его «американская мечта» сбудется.