Что такое свободные электроны? Каков их заряд? Что такое электрический ток, его природа, свойства и причины возникновения? Чтобы иметь хоть малое представление об этом более чем сложном процессе, сначала вспомним характеристики электрона.
Заряд - 1,6*10-19 Кул. Масса – 9,31*10-31кг.
Выясним, сколько зарядов электронов в одном кулоне? Образно. 1 Кулон - это как сосуд, в который входит
6250 000 000 000 000 000 электронов.
Сила тока Ампер это, когда за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит один Кулон или:
1А сек = 1Кул 6250 000 000 000 000 000=6250*1015 электронов.
Представим себе, что через сечение проводника прошло
6250 000 000 000 000 000 электронов. Допустим, что диаметр проводника равен
2 мм. Тогда площадь сечения равна
S = TT* R2=3.14*12=3,14мм2 Итак, через сечение в 3 мм2 при токе в 1 А, должно пройти 6250 000 000 000 000 000=6250*1015электоронов.
Возникает мысль о том, что уж очень много свободных электронов. Если опираться на существующее в физике мнение (рис.1), то проводники состоят сплошь из ионов и свободных электронов. Приходит мысль: «Не металлы, а электролиты в твердом исполнении». Попробуем разобраться в сути понимания свободного электрона. Официальная физика это трактует так:
Рис.1.
На картинке красочно изображены свободные электроны, покинувшие свои атомы и образовавшие электронный газ. На рисунке изображены атомы, которые потеряли электроны и приобрели положительный заряд, стали заряженными ионами.
Возникают вопросы, на которые попытаемся дать ответы.
1. Что заставило электроны покинуть свои атомы?
Если опираться на рисунок 1, то видимых причин разделения атомов нет. Очевидно, чтобы это случилось нужна внешняя сила. Об этом ниже.
2. Почему положительные ионы не захватывают обратно электроны, которые, как видим на картинке, движутся хаотично?
Если покинувшие атом электроны движутся хаотично, то это означает, что они потеряли связь со своим атомом (ионом) и не поглощаются другими ионами.
Коль скоро это так, то они могут легко покинуть проводник, который будет заряжен остаточным положительным зарядом. Но такого никто не фиксировал, но тем не менее, почему свободные электроны должны покинуть проводник? Об этом тоже чуть ниже.
3. Что происходит с электроном, который покинул атом? Как изменилась его скорость? Как взаимодействуют эти электроны между собой?
Ответов на эти вопросы физика не дает. Все же совершим попытку и объяснить
поведение «свободных» электронов. Сделаем экскурс в школьную физику. Вспомним опыт с натертой стеклянной и эбонитовой палочками.
Если прикоснуться к специальному месту электроскопа натертой стеклянной палочкой, то лепестки электроскопа разойдутся. Чтобы его разрядить, надо к этому же месту прикоснуться рукой или заземленным проводником, то есть, обнулить электрическое поле. Заряды стекают в руку или в землю. Лепестки опустятся.
К чему я описываю элементарную работу электроскопа? К тому, что, прикоснувшись рукой к проводу со свободными электронами, то по аналогии, мы удалим их из него. Если взглянуть на это шире, то в природе не будет материалов со свободными электронами, так как любое касание проводника со свободными электронами к любым предметам лишает его свободных электронов. Исходя из этого можно сделать вывод, что свободного разделения атомов не происходит и, как следствие, так называемых свободных электронов, нет. Но в тоже время, надо признать, что поток электронов есть, это электрический ток. Попробуем разрешить это противоречие.
Так называемые «свободные» электроны находятся в структуре атомов на энергетических уровнях. Им еще предстоит стать электрическим током, но для этого надо их заставить покинуть атомы. Как? Не надо быть гением, чтобы понять, что нужно внешнее воздействие. Этим воздействием является разность потенциалов на клеммах проводника. Смотри рис. 2.
На рисунке 2, изображена схема, с помощью которой на клеммы проводника - С, подается разность потенциалов (напряжение). После включения выключателя по проводнику потечет электрический ток, который контролируется с помощью амперметра А, а величина тока регулируется с помощью переменного резистора R.
Итак, по проводнику течет электрический ток, что происходит в проводнике? Разность потенциалов (напряжение) образует в проводнике электрическое поле, которое заставляет электроны покидать внешние оболочки атома, причем, чем больше будет разность потенциалов на концах проводника, тем больше отрывается электронов, тем больше электрический ток в проводнике.
Зависимость тока в проводнике описывается формулой Ома для участка цепи. Этот закон звучит так: «Ток I, проходящий через проводник, прямо пропорционален разности потенциалов на концах проводника U (напряжению) и обратно пропорционален его сопротивлению R». То есть, чем больше напряжение U, тем больше ток в проводнике, чем больше сопротивление проводника, тем меньше ток, и наоборот. Формула закона Ома. I= U/R описывает это математически.
В формуле Ома фигурирует сопротивление. Как его понимать?
Сопротивление проводника складывается из двух факторов. Первый, это когда атом сопротивляется электрическому полю, он пытается удержать электрон на оболочке, второй, это когда электроны сформировались в поток, а ионы пытается их вернуть. Другими словами, ионы пытаются вернуть электроны на свои оболочки, но электрическое поле, созданное разностью потенциалов, не позволяет это сделать.
Прикоснувшись к проводнику, можно получить весьма сильный удар током. Как объяснить появление потенциала на проводнике? Приходит на ум то, что мы же его подключили к источнику тока, поэтому и появился потенциал. Но это не доказательство, так как на концах (клеммах) этого проводника подключены положительный и отрицательный потенциалы, которые создают электрическое поле в проводнике. Если вместо проводника вставить диэлектрик, например, стекло, то эл. тока нет, потенциала на стекле не будет. Получается, что потенциал может появиться только при прохождении по проводнику тока. Но не всегда это так. Потенциал на проводнике может появиться при условии, если проводник находится в сильном переменном электромагнитном поле. Об этом ниже. Проводник, заполненный электронами, становится отрицательно заряженным. Если наблюдать ночью в туманную погоду за линией электропередач с напряжением 110 кВ и выше, то слышен характерный звук и видно свечение у проводов. Это объясняется тем, что напряженность поля на поверхности провода очень высока, вода тумана создает условия для выхода электрона из провода. Электроны покидают поверхность провода. Чтобы ослабить напряженность поля на проводах, делают расщепленную фазу, то есть, увеличивают площадь поверхности проводов, их монтируют по два на одну фазу.
Вернемся к схеме рис.2.
Какой по величине появляется потенциал на проводнике? Его величина зависит от величины поданного напряжения на клеммы проводника. Если увеличивать это напряжение, то все большее количество электронов отрывается от атомов, отрицательный заряд проводника растет по величине. Отрыв электрона от атома сопровождается выделением тепла, проводник греется. Если увеличивать разность потенциалов (напряжение) на концах проводника, он нагреется до красна, затем расплавится.
Это можно пояснить законами Ома для участка цепи и для полной цепи.
Под действием напряжения на клеммах, электроны уходят из проводника, но тут же пополняются из источника напряжения - генератора. Источник напряжения постоянно поддерживает разность потенциалов на клеммах, тем самым создает электрическое поле в проводнике. Именно этим объясняется создание потока электронов.
Для наглядности приведу пример. Водяной насос работает на замкнутый трубный контур. Очевидно, что выталкиваемая им в напорный трубопровод вода, уходит из насоса, но тут же через всасывающий патрубок, насос заполняется. То же и происходит с потоком электронов. Надо сказать, что поток воды ведет себя так же, как и электрический ток.
Если отключить источник электрической энергии, то электрическое поле в проводнике исчезает, а электроны попадают под притяжение ионов и встраиваются в атом.
Есть еще одно доказательство того, что при обычных условиях, в проводниках нет свободных электронов.
У промышленных трансформаторов напряжением 6-10/0,4 кВ заземляется нулевая точка вторичной обмотки 0,4 кВ. Если бы свободные электроны присутствовали в ней, то они до включения трансформатора в работу, покинули бы эту обмотку.
Но есть противоречие. Если в природе нет свободных электронов, а они вырываются из атомов, то получается так, что любое вещество способно отдавать электроны и быть проводником. Но это далеко не так. Есть проводники, есть полупроводники и есть изоляторы. Как это объяснить? «Нежелание» электронов покидать атом даже под действием разности потенциалов, объясняется структурой диэлектрика и атомами веществ диэлектрика.
Сухая древесина не проводит электрический ток. В этом повинна структура атомов и самого дерева. Химический состав древесины зависит от пород дерева, которые состоят в основном, из целлюлозы.
· Из древесины производится древесный уголь. Его удельное электрическое сопротивление его (~1 × 106 Ом × м). Уголь сохраняет многие химические элементы древесины, но становится проводником, пусть и с большим удельным сопротивлением, но проводником. Элементы те же, но структура древесины изменилась, уголь стал проводником электрического тока. Можно ли говорить, что древесный уголь содержит свободные электроны? Конечно же нет. Он содержит химические элементы, у которых изменились условия и которые выделяют электроны при воздействии на них напряжения. Например, магний.
«Свободные» электроны готовы покинуть свои атомы еще в случае попадания проводника в магнитное поле. Проводник в сильном переменном магнитном поле, приобретает напряжение, которое называется наведенным. Такое напряжение возникает при близком прохождении любой линии вдоль работающей ЛЭП с переменным напряжением 110 кВ и выше. Из школьной физики помним вращающуюся рамку в магнитном поле.
Это называется электромагнитной индукцией.
· Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении магнитного поля во времени или при движении материальной среды в магнитном поле.
Вывод. Свободных электронов не существует. Атомы, попадая в магнитное или электрическое поля, теряют слабо удерживаемые ядром электроны, которые устремляются от одного полюса к другому. Это направленный полем поток электронов – электрический ток. После снятия напряжения с клемм проводника, в нем исчезает электрическое поле, но электроны не получают свободы, а вновь встраиваются в атомы. Можно встретить описание скорости электрона в проводнике. Эту величину скорости оценивают в сантиметрах в секунду. Какова скорость электрона в атоме? Если скорость движения электронов в электрическом токе будет равна нескольким сантиметрам, то электрон не сможет встроится в атом. Поэтому скорость движения электронов в электрическом токе будет равно скорости движения его по орбите.
А. Золотов
х. Камышев октябрь 2021г.
