А вот вторая…
В твёрдом теле атомы как бы закреплены, связаны друг с другом в прочный каркас. В жидкостях атомы связаны слабее, могут смещаться, именно поэтому жидкость «мягкая», она легко изгибается, течёт, принимает форму сосуда. Ну а в газах у атомов вообще полная свобода — лети куда хочешь. И во всех случаях — в твёрдом теле, в жидкостях и в газах — атомы совершают какие-то небольшие движения, колеблются, пошатываются (Т-8), причём тем сильнее, чем выше температура вещества. Эти колебания и пошатывания прекращаются только при абсолютном нуле, при температуре 0 градусов по шкале Кельвина (ноль градусов Кельвина записывается так — 0 К), а это минус 273,16 градуса по шкале Цельсия. Получить такую низкую температуру пока никому не удалось, хотя подошли к ней очень близко — остались тысячные доли градуса.
ВК-38. Чтобы количественно оценить электрический ток (обычно обозначается буквой I), существует единица измерения ампер (А) — это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит электрический заряд 1 кулон, например 6,28∙1018 электронов. Если за секунду проходит заряд в 2 кулона, то ток, естественно, в два раза интенсивней, то есть составляет 2 ампера, а если 1 кулон проходит через поперечное сечение проводника за 2 секунды, то ток составляет 0,5 ампера.
Р-10. ПЯТЁРКА ГЛАВНЫХ СИЛ ПРИРОДЫ. Тот, кто интересовался научными дискуссиями, проходившими сорок-пятьдесят лет назад, наверняка помнит одну из их тем — «Основные силы природы». Она называла пять основных сил, полученных нашим миром при его рождении, — это силы гравитационные (1), электрические (2), магнитные (3), а также действующие только в микромире ядерные сильные силы (4) и ядерные слабые силы (5). Главными эти силы назвали потому, что всё происходящее в мире сводится к действию одной или нескольких сил из этой пятёрки.
Уже давно было известно, что электрические и магнитные силы есть нечто единое по имени электромагнетизм, что в эту группу уже нужно включить слабые ядерные силы, назвав их электрослабыми. На этом рисунке Р-10 мы сознательно повторили вольность своих коллег, предложив читателям всю пятёрку природных сил с учётом их способности действовать самостоятельно и без учёта родственных связей. Мы ещё поговорим о союзе электричества и магнетизма, на котором основана чуть ли не вся электротехника. Вспомним мы и о сильных ядерных силах, их породил так называемый барионный заряд протона и нейтрона, который начинает действовать на очень малых расстояниях. Но зато сильные силы во много раз сильнее электрических сил и поэтому успешно противодействуют развалу атомных ядер (4) из-за расталкивания протонов с одинаковым электрическим зарядом (см. Р-2). И без ядерных слабых сил не мог бы существовать наш мир, они участвуют в превращении атомов водорода в более сложные атомы гелия (5), а этот процесс кормит энергией большинство звёзд, в том числе и наше Солнце.
При температуре выше абсолютного нуля в процессе хаотических, как их называют, тепловых колебаний атомы металлов — серебро, медь, алюминий, железо и другие — грубо говоря, сбрасывают некоторые внешние электроны, те, что сильно удалены от ядра и слабее других привязаны к нему электрическими силами. Вырвавшиеся из атомов электроны беспорядочно слоняются (Т-8) в межатомном пространстве, и эту огромную армию свободных и безработных электронов вполне можно было бы использовать в качестве движущихся деталей электрических машин.
Запомнив, что в некоторых твёрдых веществах могут быть нужные нам свободные электроны, перейдём к жидкостям и газам. Здесь в результате всё тех же тепловых колебаний атомов тоже появляются свободные электроны, но вместе с ними и другие свободные электрические частицы. Вспомните: атом, потерявший один или несколько электронов, из-за избытка протонов имеет положительный электрический заряд — это положительный ион. В твёрдых телах такие положительные ионы неподвижны, в жидкостях и особенно в газах они могут двигаться. Кроме того, в жидкостях и газах могут появиться подвижные отрицательные ионы — атомы, в которые попал лишний электрон. Таким образом, в жидкостях и газах может быть сразу три типа работающих деталей: свободные положительные ионы, свободные отрицательные ионы и, как всегда, свободные электроны (Р-14). Первое, что обычно делает электротехника, — она создаёт поток этих свободных частиц и заставляет его выполнять какую-либо полезную работу. Напомним, что организованный таким образом поток частиц получил название «электрический ток».
Т-34. Участвующие в электрическом токе электроны и (или) ионы, могут создавать тепло и свет, а также перемещать вещество. Если бить молотом по куску железа, то оба они сильно нагреются — энергия движущегося молотка в процессе удара превращается в тепло. По той же причине быстрый поток песчинок, выбрасываемый пескоструйным аппаратом, попав на гранитную плиту, не только очищает её, но ещё и нагревает. Поток электронов или свободных ионов в каком-либо веществе, сталкиваясь с его атомами, будет нагревать вещество — удар всегда удар. Тепловое действие, нагревание, — первая профессия движущихся зарядов (Р-16, Р-1, Р-2).
Вторая их профессия — излучение света. Если хорошо разогнать свободные заряды в веществе, то они будут ударять по неподвижным атомам с такой силой, что те начнут светиться, как, скажем, светится сильно нагретый кусок железа. Нить электрической лампочки светится именно потому, что в ней создаётся достаточно мощный поток свободных электронов и они с огромной силой ударяют по атомам металла, из которого изготовлена нить.
ВК-39.Мы привыкли к тому, что вес, а значит, и сила (её обычно обозначают буквой F) измеряются в граммах, килограммах и тоннах. Официально эти единицы используют для оценки массы в системе единиц СИ, которая принята в технике. А для оценки силы (веса) есть другая единица — ньютон (Н), это примерно 102 привычных грамма веса (силы), полстакана воды или молока весят примерно 1 ньютон. Иногда вес и силу указывают в килограммах, каждый из них это почти 10 ньютонов.
Р-11. БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ — НАЧАЛО НАШЕЙ ИСТОРИИ. Примерно сто лет назад в среде физиков и астрономов началось особо активное обсуждение истории Вселенной. В значительной мере это связано с появлением новых описаний нашего мира, таких, в частности, как опубликованная в 1916 году Общая теория относительности. Глубокие размышления, смелые расчёты и, казалось бы, безупречные математические модели поначалу рисовали совершенно разные картины — от неподвижного, как бы застывшего огромного звёздного мира до мира, который родился в немыслимом взрыве и вот уже почти 15 миллиардов лет разлетается, превращаясь в атомы, пылевые облака, звёзды, галактики.
Иногда на помощь теоретическим построениям приходят результаты, так сказать, практических работ — изучения реальных астрономических характеристик, которые могут что-то рассказать о далёком прошлом Вселенной. К числу таких работ относятся опубликованные в 1929 году итоги многолетнего изучения галактик. Эту работу выполнил американский астроном Эдвин Хаббл, очень поддержав её результатами сторонников Большого взрыва. Оказалось, что все галактики как бы уходят из области, где начинался взрыв.
Движение галактик оценивалось по изменению известной длины волны (частоты) их светового излучения, которое появляется, когда электроны переходят на более близкую к ядру орбиту. Мы точно знаем появившуюся при этом частоту (длину волны) излучения, если оно создавалось в неподвижной звезде (2). Более того, заглянув в свой справочник, мы можем сказать, какое вещество создало излучение именно с этой длиной волны (частотой). Так, по спектрограмме солнечных лучей в 1868 году на Солнце был открыт химический элемент гелий, который на Земле, где гелия мало, нашли лишь через много лет.
Но если излучение создаётся в веществе, которое быстро удаляется от приёмника спектроскопа (3), то принятая им волна окажется длиннее. Это явление называется эффект Доплера, оно известно широкой публике: когда поезд удаляется от нас, гудок становится более низким, более басистым, длина услышанной нами звуковой волны становится больше. На экране спектроскопа удлинение световой волны отразится так — чёрточка, соответствующая принятой волне, сдвинется вправо, в сторону более длинных волн, чаще всего в сторону красного цвета. Как принято говорить, произойдёт красное смещение.
И ещё одна профессия движущихся зарядов, в данном случае свободных ионов. Создать поток ионов — это означает создать поток вещества. Ионы ведь тоже атомы, и не страшно, если у них недостаёт одного-двух электронов или есть лишняя пара электронов. Потому что атом — это, прежде всего, ядро, недостающие электроны всегда можно где-нибудь подхватить (Т-8), а лишние сбросить. В то же время ион хотя и атом, но не обычный, не нейтральный, а всё же особый — наэлектризованный. И можно двигать ионы электрическими силами, перебрасывать из одного района в другой. Так, например, перебрасывая из растворов на поверхность какого-либо предмета ионы меди, никеля, хрома, серебра, золота, наносят на этот предмет тонкие металлические покрытия.
Мы пока ещё, к сожалению, не готовы к рассказу о главной профессии электрического тока, то есть упорядоченного потока свободных электронов и ионов, — с их помощью можно выполнять механическую работу, например вращать дискету, двигать диффузор громкоговорителя, тянуть электропоезда. Но даже уже известные нам профессии движущихся зарядов — производство тепла, света, транспорт вещества — стоят того, чтобы подробнее познакомиться с машинами и установками, где эти движущиеся заряды работают.
Т-35. Проводники, полупроводники, изоляторы — вещества с различным содержанием свободных электрических зарядов. Не во всяком веществе есть свободные электрические заряды в заметном количестве, а там, где они есть, их количество зависит от многих факторов. Например, от чистоты вещества: бывает, что небольшая добавка, небольшая доля примеси очень способствует появлению свободных зарядов. У некоторых веществ число свободных электронов можно значительно увеличить, если облучать эти вещества светом, — свет просто выбивает электроны из атомов. У других веществ такой же эффект наблюдается под действием рентгеновского излучения. Количество свободных зарядов зависит