Но все же, что такое электрон? Конечно, замавчиво предположить: то, что мы считаем электроном, только мысленная точка, центр масс. Сама масса электрона, она же энергия, распределена в электрическом поле, окружающем эту точку. Но такое предположение не вяжется с другими известными свойствами, например с наличием у электрона момента количества движения — спина. Обо всем этом мы еще поговорим, а пока дадим возможность читателю немножко пофантазировать.
Электрический ток
Наверное, не стоит излагать здесь содержание учебника физики, поэтому ограничимся короткой справкой. Электрическим током называется движение электрических зарядов. Соответственно силой тока называют количество зарядов, прошедших за единицу времени через поперечное сечение проводника. Ток 1 А — это такой ток, когда за 1 с через поперечное сечение проводника проходит 1 Кул.
Но только давайте сразу внесем ясность. Во-первых, движение каких зарядов? Мы установили, что реальными носителями электрического заряда могут быть либо электроны, либо протоны. Другие заряженные частицы живут настолько мало, что, во всяком случае, в явлениях, описываемых в этой главе, они никакого участия не принимают. Во-вторых, какое движение? Если электроны или положительно заряженные ионы (мы не оговорились, положительный заряд иона — это заряд протонов атомного ядра) движутся совершенно беспорядочно, никакого тока нет. Ток возникает тогда, когда движение становится хотя бы частично упорядоченным, т. е. когда среднее количество движения всех заряженных частиц оказывается отличным от нуля.
Здесь в точности та же ситуация, как и в рассмотренных раньше примерах с теплотой и механическим движением. Соответственно и понятие электрического тока можно определить по-другому. Можно сказать, что сила электрического тока равна количеству заряженных частиц, участвующих в процессе, умноженному на среднюю скорость этих частиц. При вычислении средней скорости нужно учитывать реальные скорости, причем скорости положительно заряженных частиц брать со знаком плюс, а отрицательных — со знаком минус.
Протекание электрического тока по проводнику сопровождается преобразованием электрической энергии в тепловую. До чего же завидно становится, когда думаешь, какой простой и прозрачной была физика XIX века. Вот, например, электрический ток. Движется по проводнику рой маленьких твердых блестящих шариков — электронов. Двигаясь, они сталкиваются тоже с твердыми блестящими, но побольше размером, шариками — атомами. Что случается, когда сталкиваются два шарика? Тот, который двигался, отдает часть своей энергии и замедляется, а тот, который был неподвижен (атом), начинает двигаться. Поскольку заранее никак не угадать, с какой стороны и в какой бок ударит по атому электрон, то и движение атомов оказывается совершенно беспорядочным. А это и есть тепловое движение.
Прелесть, а не картина! До того все хорошо, что даже в самых современных книгах мы нет-нет да и пытаемся объяснить электрическое сопротивление именно таким образом. Но вот ведь беда какая! Охладим этот самый проводник до температуры, близкой абсолютному нулю. Что произошло? Электроны остались, атомы остались и даже в еще большей степени находятся на своих местах, чем в случае нагретого проводника. Под действием электрического поля электроны могут двигаться — им до температуры никакого дела нет. Однако электрическое сопротивление, правда, не у всех проводников, но у многих, падает до нуля. Проводник превращается в сверхпроводник. Почему-то электроны перестают сталкиваться с атомами.
Скорость электрона, движущегося в проводнике, примерно 1 см/с. На пути в 1 см электрон встречает около 100 млн. атомов и не сталкивается ни с одним. Скажем, более того: на сегодня единственная возможность как-то объяснить многочисленные явления, связанные с поведением электронов в твердом теле, состоит в том, чтобы полностью отказаться от взаимодействия электронов с атомами. Холодный проводник или нагретый — электроны свободно проходят через всю чащу атомов или, точнее, атомных ядер, не взаимодействуя ни с одним из них. 0;»;.Цо з>лектрическое сопротивление все же есть? Да, есть.' И причина в том, что электроны взаимодействуют с особого рода частицами, называемыми фононами.