13-11-2012_19-44-53 / материалы для воспитателя

http://naf-st.ru/articles/base/

Самые основы

• Введение

• С чего все начиналось

• Электрическое поле

• Электрон. Что это такое?

• Магнитное поле

• Каким мир представляется нам?

• Мир глазами элементарных частиц

• Сила из скорости. Часть первая

• Сила из скорости. Часть вторая

• Сила из скорости. Часть третья

• Что такое фотон

• Движение. Момент движения. Интеграл движения

• Каким может быть движение

• Постоянная Планка

• Что такое спин

• Волновые свойства электрона

• Строение атома. Часть первая. Начало

• Строение атома. Часть вторая. Трудности

• Строение атома. Часть третья. Волны

• Строение атома. Часть финальная

• Принцип запрета Паули или еще раз про спин

• Внутри атома

• Образование молекул

• Междусловие

• Твердое тело. Часть первая. Кристалл

• Твердое тело. Часть вторая. Энергетические уровни

• Проводники, изоляторы, полупроводники

• Электрический ток

• Эффект Холла или что такое дырка

• Кое-что о сопротивлении или что такое фонон

• Управление. Вступление. Диод

Что такое электрон? Что такое напряжение, электрический ток? Что означают слова "электрическое поле", "магнитное поле". Как протекает электрический ток? Почему большинство металлов проводят электрический ток, а воздух, бумага, дерево - нет?

Об электричестве люди начали задумываться очень давно, и очень давно пытались исследовать сие загадочное явление. Не будем лезть глубоко в историю, а заглянем в древнюю Грецию...

Жил-был такой древнегреческий мудрец Фалес в городе Милете в VII-VI вв до н.э. Так вот, Фалес считал, что основа всех вещей - вода. И люди, и растения без воды жить не могут. Даже магнит притягивает металлические предметы потому, что испускает особую, невидимую воду. Позже еще один греческий ученый - Аристотель - пытался доказать, что под "водой" Фалес подразумевал "душу" вещей, однако ничего такого Фалес не говорил. Под словом "вода" Фалес подразумевал именно воду, жидкую, только невидимую.

Так вот, стоит, значит, Фалес однажды и смотрит, как работают ткачи. Вдруг видит, разворачивают они кусок ткани, а ткань слипается. Заинтересовало это Фалеса. Взял он кусочек шерстяной ткани, потер о янтарь и видит, как и к янтарю, и к шерстяной тряпочке притягиваются мелкие пылинки. Еще раз потер - то же самое.

Янтарь в переводе с греческого - электрон, а по сему и силу, которая притягивает пылинки, Фалес назвал электрической. Он считал, что электрическая сила - это тоже вода, жидкость.

Ну а потом в истории человечества наступил мрачный период - средневековье, все, чему учил Фалес и другие ученые начисто забылось, а что не забылось, стали толковать по-другому, например, как Аристотель.

И лишь в 1600 году, спустя более двух тысяч лет, некий Уильям Гильберт (1544-1603) снова потер янтарь о шерсть.

Гильберт был придворным врачом, а на досуге интересовался магнитами. И вот, значит, потер Гильберт янтарь о шерсть и увидел тоже самое, что и Фалес пару тысяч лет назад - притягиваются к янтарю пылинки и всякие мелкие предметы. Так же, как и Фалес назвал эти явления Гильберт электрическими, от все того же слова "янтарь", т.е. "электрон".

Пробовал Гильберт и алмаз, и горный хрусталь, стекло, смолу - то же самое - если их шерстью или мехом натереть, проявляют притягательную силу. А еще он заметил, что в сухом воздухе электрическая сила сохраняется дольше, чем в сыром. Ну и написал обо всем этом Гильберт книгу, в которой, кроме того, говорил, что электрические и магнитные явления совсем разные вещи.

Отто фон Герике, прославившийся опытом с магдебургскими полушариями, поставил следующий опыт. Взял шар из серы, насадил его на ось. Шар на оси вращается, а его руками натирают. Чем дольше натирают, тем сильнее шар электризуется, и так электризуется, что воздух вокруг светиться начинает. Также Герике заметил, что если к наэлектризованному шару прикоснуться другим шариком из серы, поменьше, то маленький шар тоже электризуется. Прям как Фалес когда-то говорил: электрическая жидкость с большого шара на маленький перетекает. А если от одного большого шара наэлектризовать два маленьких, то такие шарики друг от друга отталкиваются.

Было также замечено, что электричество, полученное от стекла, натертого шерстью, отталкивает "другое" электричество, тоже полученное от стекла, и наоборот, притягивает электричество, полученное от смолы, натертой мехом. Так и считали, что есть два электричества - стеклянное и смоляное

Американский писатель, ученый, политик Вениамин Франклин (1706 - 1790) назвал стеклянное электричество положительным, а смоляное - отрицательным. Также, как и предшественники, он считал, что все электрические явления объясняются электрической жидкостью. Если жидкости избыток, тело заряжено положительно. Если недостаток - отрицательно.

Положительное и отрицательное электричества притягиваются. Положительное электричество отталкивает положительное, отрицательное отталкивает отрицательное. Силу, с которой электричества притягиваются и отталкиваются взялся измерить Шарль Огюстен Кулон (1736-1806).

Построил, значит, Кулон специальные крутильные весы. На тоненькой нити повесил палочку, а на конце палочки - маленький шарик. Второй шарик Кулон укрепил неподвижно недалеко от первого. Если оба шарика наэлектризовать, или, как принято говорить, зарядить одноименным электричеством - положительным, либо отрицательным - шарики отталкиваются, палочка поворачивается и закручивает нить. По углу, на который поворачивается палочка, можно судить о силе электричества.

В общем, много опытов проделал Кулон, установил, что взаимное притяжение электрической жидкости, называемой положительной, к электрической жидкости, называемой обыкновенно отрицательной, обратно пропорционально квадрату расстояния. Ну а позже, установив зависимость электрической силы от зарядов шариков, Кулон вывел общий закон, который вошел в историю физики как закон Кулона: Отталкивательное, так же как и притягательное действие двух наэлектризованных шаров, а следовательно, и двух электрических молекул, прямо пропорционально плотности электрического флюида обеих электрических молекул и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними или попроще: Два количества электричества, мысленно сосредоточенные в двух точках, взаимно отталкивают друг друга, если они одноименны, и взаимно притягивают друг друга, если они разноименны, с силою, которая пропорциональна произведению этих количеств и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Что это за "количества электричества" и как их "мысленно сосредоточить в одной точке" разберемся в дальнейшем, а пока опять вглубь истории...

В итальянском городе Болонье жил Луиджи Гальвани (1737-1798). Был даже профессором акушерства с 1792 г. И вот как-то раз готовил суп из лягушачьих лапок, уж очень любил его, и подвесил подготовленную лапку на медном крюке на железную решетку балкона. Ну и заметил Гальвани, на ветру лапка легонечко раскачивается, а как только коснется железной решетки - сразу начинает дергаться, прям как живая!

Еще кучу опытов Гальвани проделал, не только с лапками и все, что наблюдал, подробно описал в своих трудах. Узнал об этих опытах другой итальянец - Алессандро Вольта (1745-1827). Вольта давненько, лет с восемнадцати изучал всякие электрические явления. А как про опыты Гальвани прослышал, спор у них возник о природе "сокращений". Но суть не в этом. Вольта доказал, что если соединить два разнородных металла, например, медь и цинк, то между этими металлами возникает, как теперь говорят, электрическое напряжение. А если взять два кружочка - медный и цинковый - да проложить между ними промакашку, смоченную соленой водой и соединить кружочки проводом, то по проводу потечет электрический ток. Электрический ток - это когда по проводу, как по трубе, заряженные частицы двигаются, причем двигаются в определенном направлении. Или говоря по-научному: электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц.

В общем, стал складывать Вольта из медных и цинковых кружочков и промоченных соленой водой промакашек столб, причем чередуя разнородные металлы. И получилась первая электрическая батарейка - вольтов столб

С вольтовым столбом много ученых ставили опыты, как, например, Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851). Он заметил, что если рядом с проволокой, по которой течет электрический ток, разместить компас, то стрелка компаса начинает показывать не на север, а неизвестно, куда. Эрстед сделал открытие, что когда по проволоке движутся электроны, вокруг них образуется магнитное поле!

Величайший физик XIX столетия Майкл Фарадей (1791-1867) начинал как подмастерье у известного английского химика Гемфри Дэви. Много открытий в химии сделал Фарадей, например, открыл жидкий хлор, но нам интересны другие достижения.

Помимо всего прочего, занимался Фарадей электролизом. Наливает он, значит, в емкость раствор поваренной соли, опускает две проволоки - электроды - и пропускает через раствор электрический ток. Поваренная соль - это соединение твердого натрия и газа хлора. Когда через раствор соли проходит электрический ток, соль распадается. На одном электроде остается чистый натрий, на другом - хлор. Хлор поднимается пузырьками из раствора и уходит в воздух, а натрий остается на электроде. Когда Фарадей достал и взвесил проволку, на которой натрий осел, открыл еще один закон: количество вещества, выделившееся на электроде в процессе электролиза, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшего через раствор. Но поскольку натрий, как и другие вещества, состоит из атомов (в то время об этом уже знали довольно хорошо), каждый атом переносит с собой какую-то частицу этого самого "количества электричества". А раз "прямо пропорционально", значит у всех атомов данного вещества эта частица одна и та же.

Еще много всяких опытов ставили после Фарадея, и в 1881 году на заседании Лондонского химического общества, посвященному памяти Фарадея, выступал немец Людвиг Фердинанд фон Гермгольц. Он прямо так и сказал, существует, типа, атом электричества (атом значит неделимый, меньше не бывает) и давайте называть этот атом электроном

Александр Григорьевич Столетов - знаменитый ученый, занимался физикой в Гейдельберге, Геттингене, Берлине, Париже, и опять же, в Гейдельберге в лаборатории небезызвестного Кирхгофа. Столетов ставил опыты с тем, что сам назвал актиноэлектрическим эффектом. Самый простой опыт выглядел следующим образом.

Столетов взял плоскую цинковую пластину А и металлическую сетку B и составил из них конденсатор (см. рис.). Пластинки соединил с электрической батареей и гальванометром.

Рис. 1 - Опыт Столетова

В результате соединения цинковая пластина оказалась заряжена отрицательно, а металлическая сетка - положительно. Гальванометр, естественно, ничего не показывал, т.к. между пластинками воздух, а в обычном состоянии воздух - это изолятор, диэлектрик.

Затем Столетов осветил цинковую пластинку светом электрической дуги (рис. 2). И сразу гальванометр показал наличие тока.

Рис. 2 - Опыт Столетова

Раз протекает ток, значит отрицательно заряженная пластина теряет ток и он переносится через воздух к металлической сетке, заряженной положительно.

Подобных опытов Столетов поставил много и установил:

• Тело теряет заряд только в том случае, если оно заряжено отрицательно. Заряд тела не пропадает под влиянием света, если оно заряжено положительно.

• Явление вызывается преимущественно ультрафиолетовыми лучами.

• Разряжающее действие лучей пропорционально их энергии.

• Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между началом освещения и началом разряда не протекает заметного времени.

Столетов повторял свой опыт, помещая пластинку и сетку в вакуум. Пластинки он брал не только из цинка, но и из других металлов. Актиноэлектрический эффект проявлялся в вакууме и с любыми металлами. Ныне актиноэлектрический эффект называется фотоэффектом.

В Кембриджском университете в Англии работали два знаменитых физика. Один из них более знаменитый, он же Уильям Томсон, он же лорд Кельвин (1824-1907), второй немножко менее знаменитый - Джозеф Джон Томсон, он же Джи-Джи (1856-1940). Кстати, Джи-Джи прозвали его ученики, среди которых был и не менее известный Резерфорд

Итак, Джи-Джи повторил опыты Столетова и стал думать-рассуждать: раз между пластинами вакуум, значит ничего такого, чтобы проводило ток, между ними нет. Наблюдается актиноэлектрический (фото-) эффект только тогда, когда освещают отрицательно заряженную пластину. Остается предполагать только то, что от пластины отрываются частички отрицательного электричества и через вакуум переносятся к положительно заряженной сетке. Именно эти частички и есть электроны, предположил Джи-Джи. Ему удалось даже сосчитать количество отдельных частичек.

Какое-то время работал в Англии советский физик Абрам Федорович Иоффе (1880-1960). Помимо научных достижений, был также известен своим заботливым отношением к ученикам, которые называли его не иначе, как "папа Иоффе". Так вот, взял Иоффе круглый стеклянный сосуд, поместил туда два электрода и соединил сосуд трубкой со стеклянной банкой побольше. В банку Иоффе поместил конденсатор. В верхней пластине конденсатора проделал отверстие и в это отверстие пропустил трубку от верхнего сосуда.

Рис. 3 - Опыт Иоффе

Электроды в верхнем сосуде Иоффе соединил с источником высокого напряжения. Между пластинами возник электрический разряд, пластины начали распыляться, и мельчайшие металлические пылинки падали вниз, попадая в пространство между пластинами конденсатора. Падая, пылинки заряжались электричеством в результате трения о воздух. Вниз пылинки тянет сила тяжести, вверх (если правильно подобрать знаки зарядов на пластинах) пылинки тянет сила электрического поля, равная qE, где q - заряд пылинки, а E - напряженность электрического поля, которая в плоском конденсаторе повсюду одинаковая.

Заряды на пластинах конденсатора можно подобрать таким образом, что сила, действующая со стороны поля, уравновесит силу веса, и пылинка неподвижно повиснет в воздухе. За такими неподвижными пылинками в воздухе Иоффе наблюдал через стенку банки в микроскоп.

Затем Иоффе осветил неподвижно висящие пылинки ультрафиолетовыми лучами. Получился эффект Столетова, в результате чего пылинки начали терять свой заряд и падать вниз (рис. 4). Но Иоффе не дал им спокойно упасть. Он увеличил заряды на пластинах конденсатора, т.е. увеличил напряженность поля и снова уравновесил пылинки

Рис. 4 - Опыт Иоффе

Осталось только подсчитать: сила, действующая вверх, для того, чтобы пылинка не падала и не поднималась, должна быть в точности равна весу пылинки. Если заряд пылинки уменьшился на какую-то величину, то на такую же величину нужно увеличить напряженность поля. На какую именно величину надо увеличить напряженность поля, Иоффе знал из опыта, он ведь сам менял поля. Стало быть, он знал, какое количество заряда теряет пылинка. Отрицательно заряженная пылинка может потерять свой заряд одним единственным способом - если под влиянием освещения ультрафиолетовыми лучами с нее уходят отрицательно заряженные электроны. Вот так-то и можно вычислить заряд электрона.

Похожий опыт немного раньше ставил американский ученый Милликен. Результаты опыта Милликена много раз проверялись. Теперь досконально известно: заряд электрона, или количество отрицательного электричества, содержащееся в электроне равно 1,601x10^-19 кулона.

Ну что ж, заряд электрона нам известен. Попробуем поставить еще один эксперимент. Возьмем все ту же бутылку, из которой воздух выкачан, т.е. бутылку с вакуумом. Около горлышка бутылки поместим металлическую проволочку, ну, например, из нихрома. Подключим проволочку к источнику напряжения. Что получится? Правильно, проволочка будет разогреваться. Разогреем ее хорошенечко. В результате разогрева проволоки из нее начнут вылетать электроны. Почему это происходит, поясним в дальнейшем, пока нам интересно другое. Так вот, около проволочки поставим металлическую пластину с небольшой дыркой. Среди электронов, вылетающих из нагретой проволки будут очень шустрые. Если такой шустрый электрон вылетел из проволоки, то и деваться ему больше некуда, как долететь до дна бутылки. Воздуха в бутылке нет, ничто не мешает электрону этого сделать. С какой скоростью вылетел из проволоки, с такой же до дна и долетит.

Дно бутылки смазано специальным веществом - "люминофором". Электроны, долетающие до дна, заставляют люминофор светиться. На дне бутылки мы увидим световое пятно. Теперь поместим в бутылку конденсатор. Зарядим пластины конденсатора. Верхнюю пластину зарядим положительно, нижнюю - отрицательно. В конденсаторе возникает электрическое поле, а значит, сила, стремящаяся поднять вверх пролетающий через конденсатор электрон.

В результате наблюдается такая картина на дне бутылки: когда конденсатор разряжен, в центре дна бутылки наблюдается световое пятно, когда же конденсатор заряжен, пятно поднимается вверх. Вроде бы все логично. Электроны пролетают через заряженный конденсатор, а значит, через электрическое поле и на них начинает действовать сила, направленная вертикально вверх. Следовательно, электроны отклоняются от своего пути, пятно на дне бутылки перемещается вверх. Но тогда возникает вопрос. Пока электроны летят в вакууме, на них никакие силы не действуют. Когда электроны попадают в заряженный конденсатор, на них действует одна единственная сила, как уже говорилось, направленная вертикально вверх. Ну и летели бы они вертикально вверх к положительно заряженной пластине. Так нет же! Долетают до дна, правда, перемещаясь вверх. Но долетают!

Что?! Кто сказал "по инерции"? Правильно! Еще Ньютон установил: всякое тело стремится сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока другое тело не выведет его из этого состояния. Так и электроны стремятся сохранить состояние. Только вот под действием поля движение становится криволинейным, но равномерным оно остается. Вроде бы и тут все верно. Однако закону Ньютона (закону инерции) подчиняются только тела, обладающие массой. Получается, что и электрон должен обладать массой. Но кто его знает, что там, в вакууме происходит, может инерция, а может еще что...

Решили ученые проверить сие обстоятельство. Если электрон обладает массой, значит способность двигаться по инерции должна проявляться повсюду, а не только в электрическом поле. Русские ученые Мандельштам и Папалекси поставили в 1913 году следующий опыт. Взяли катушку с проводом и стали раскручивать ее в разные стороны. Мотив был таков: раз электрон обладает массой, значит, когда катушка останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. А движение электронов по проводу есть не что иное, как электрический ток. Подсоединили к концам провода телефон и услышали звук. А раз есть звук, значит по проводу ток протекает.

Этот опыт повторили американцы Толмен и Стюарт в 1916 году. Только вместо телефона к катушке подсоединили прибор для измерения заряда. Поэтому им удалось доказать не только наличие у электрона массы, но и измерить ее. Данные Толмена и Стюарта в последствии неоднократно проверялись и уточнялись, и на сей момент известно, что масса электрона 9,109x10^-31 кг.

Ну и что же такое электрон? Это шарик маленький, очень малюсенький, заряженный отрицательным электричеством. Поскольку заряжен, значит вокруг этого шарика имеется электрическое поле, напряженность которого изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от центра этого поля. Почему именно шарик, а не кубик, или, скажем, пирамидка? Да потому что, сколько опытов ни ставили, ни разу не было замечено, чтобы поле электрона в одном направлении как-то отличалось от поля в другом направлении. А таким свойством обладает электрическое поле заряженного шара.

Помните, где то здесь про Эрстеда говорилось, точнее про его наблюдение о том, что магнитная стрелка отклоняется, если возле нее находится провод, по которому протекает электрический ток? Магнитная стрелка может отклониться только в том случае, если на нее действует сила, т.е., в пространстве есть еще одно поле - магнитное.

Магнитное поле возникает вокруг провода, когда по нему течет ток, и исчезает, когда тока нет. Но электрический ток - это ведь движение электронов. Вот и получается, что если электрон двигается, то вокруг него образуется магнитное поле. С одной стороны, магнитное поле похоже на электрическое, с другой - нет. Похоже оно тем, что в каждой точке магнитного поля действует сила, которую так и называют - магнитная индукция.

Если для электрического поля напряженность - это сила, действующая в данной точке пространства на единицу количества электричества, то, по аналогии, магнитной индукцией следует назвать силу, которая действует на единицу количества магнетизма. Вот тут то начинаются проблемы! Дело не только в том, что магнетизм бывает не положительный и отрицательный, а северный и южный, дело в том, где эту единицу магнетизма взять. Эрстед ставил опыты с магнитной стрелкой: стрелка отклонялась, силу можно было измерить, но вот у стрелки один конец северный, один южный, и никак северный от южного не отделить. Возьмите магнитную стрелку, один конец (полюс) северный, другой - южный. Разрежьте пополам - все равно, один северный, другой южный. И так, сколько не режьте...

Фарадею удалось разгадать эту загадку, об этом позже, но и Эрстеду хотелось индукцию измерить. Опередил их обоих француз Андре Мари Ампер. Ампер заметил, что не только провод с электрическим током на магнитную стрелку действует, но и два провода, по которым токи текут, также друг на друга действуют. Причем, если токи текут в одинаковых направлениях, то провода притягиваются, если в противоположных - отталкиваются. Провод - это уже не "мысленно сосредоточенное" непонятно что, его подержать можно, пощупать, да и силу тока в проводе в те времена измерять могли прибором, который в дальнейшем в честь Ампера так и назвали - амперметр.

Так вот, значит, вывел Ампер свои знаменитые законы. Вот первый из них: если по проводу течет электрический ток I, а рядом с проводом выбрать некоторую точку А, то каждый кусочек провода длиной Δl создает в этой точке магнитную индукцию (рис. 1).

Рис. 1 - Вектор магнитной индукции

Направлена индукция в плоскости, перпендикулярной оси провода, под прямым углом к вектору r.

Что же такое электрический ток? Если представить, что провод - это вроде как труба, а по этой трубе, как вода в водопроводе, протекают электрические заряды, это и есть электрический ток. Главное, чтобы заряды двигались, а провод - это действительно как труба. Он только заставляет их перемещаться в нужном направлении. А если заряды и без того могут в нужно направлении двигаться, то провод вроде как бы и не нужен (как, например, электрон летит в вакууме).

Посмотрите теперь на рисунок ниже. Попробуем сравнить магнитное поле электрона с электрическим

Общее между полями то, что в каждой точке окружающего электрон пространства действует сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния от электрона до этой самой точки. Вот, собственно, и все сходство. А различия таковы.

Сила электростатического поля повсюду направлена от той точки, где она измеряется, прямо к центру электрона. А магнитная индукция расположена в плоскости, перпендикулярной к направлению движения электрона, и составляет прямой угол с линией, проведенной из центра электрона в точку, где эта индукция измеряется. Если по аналогии с электростатическим полем, как мы на предыдущей странице делали, провести линии магнитного поля, то это будут окружности. Густота линий тем больше, чем ближе к траектории электрона. В этом поля опять сходны.

Если напряженность электростатического поля одинакова во всех без исключения точках пространства, находящихся от электрона на одном и том же расстоянии, то с магнитным полем не так. Если взять точку, находящуюся от электрона на некотором расстоянии r, но лежащую при этом точно на оси движения электрона, то магнитная индукция в этой точке будет равна нулю, как бы близко эта точка к электрону не была расположена. В остальном - поле, как поле. И энергией это поле также обладает.

Не будем вдаваться в подробности и рассуждения определения энергии полей, все это довольно давно рассчитали и определили. Стоит только отметить, что радиус электрона равен 1,88x10^-15 метра, а энергия электрического поля:

Полная энергия магнитного поля электрического заряда q, равномерно распределенного на поверхности сферы радиуса r, движущейся поступательно с постоянной скоростью v равна:

где с - скорость света. Следовательно, если электрон двигается со скоростью v, то энергия магнитного поля электрона равна:

Как видно, при v=c энергия магнитного поля немногим меньше, чем полная энергия электростатического поля, а точнее - ровно половина. Ну а при v=0, другими словами, когда электрон никуда не двигается, никакого магнитного поля нет, соответственно энергия магнитного поля равна нулю.

Таким образом, если электрон находится в движении, то его окружают сразу два поля - электрическое и магнитное. Полная энергия этих полей равна сумме энергии электрического поля и энергии магнитного поля. На самом же деле, принято считать, что поле есть только одно - электромагнитное. Характеризуется это поле сразу двумя величинами: напряженностью электрического поля и магнитной индукцией. Обе эти величины имеют направление, и заметьте, эти направления перпендикулярны! Такие вот дела...