Попробуем соединить положительно заряженный шар с отрицательно заряженным бруском металла. Мы увидим, что заряды обоих шаров будут расти до тех пор, пока не станут одинаковыми.
При этом есть два варианта, которые не являются взаимоисключающими.
• Возможно, положительные заряды через металл перешли от положительного шара к отрицательному. Это снизило заряд первого шара и компенсировало отрицательный заряд второго.
• Возможно, отрицательные заряды через металл перешли от отрицательного шара к положительному. Это снизило заряд второго шара и компенсировало положительный заряд первого (➙ рис. 12.2).
Рис. 12.2 – Ток между двумя заряженными объектами
В любом случае в металле произошло перемещение зарядов, то есть возник электрический ток. Исторически сложилось, что условным направлением тока считается движение положительных зарядов, то есть обратное отрицательным зарядам.
Увы, после открытия в конце XIX в. электрона стало ясно, что по металлу перемещаются только отрицательные заряды (электроны). Действительно, электроны (со знаком «минус») могут оторваться от своих атомов и более или менее свободно перемещаться. В то время как протоны (со знаком «плюс») остаются сгруппированными в глубине атомного ядра, не имея возможности выйти наружу.
Поскольку перемещаются всегда только электроны, вероятно, стоило скорее обозначить направление тока как направление движения электронов (а не наоборот!). Но исторически сложившееся определение сохраняется и по сей день.
Вернемся к нашему опыту. Если для соединения двух заряженных шаров мы вместо металла используем пластик, то заметим, что заряд обоих шаров не изменился. То есть присутствие подвижных зарядов свойственно не каждому материалу. Рассмотрим все более детально на микроскопическом уровне.
В атомах металла электроны привязаны к ядру электростатической силой. Но все атомы соединены друг с другом: влияние соседних атомных ядер со счетов не сбросишь. Между тем не все электроны в атоме расположены на одном расстоянии от ядра, некоторые довольно значительно удалены, так же как некоторые планеты Солнечной системы удалены от Солнца. Именно удаленные электроны сильнее притягиваются ядрами соседних атомов. Благодаря этому соседству они могут оторваться от своего ядра, чего они не смогли бы сделать, если бы атом был одиночным. Так они могут путешествовать от атома к атому, при этом говорят, что они находятся в зоне проводимости. Говорят также, что они стали свободными электронами.
Разница между проводниками и диэлектриками в способности атомов легко отдавать электроны, что зависит от их природы. Глава 25 поможет понять суть этих разных способностей.
Мы можем провести аналогию с твердыми телами и жидкостями: в диэлектрике электроны остаются привязанными к атому, тогда как в проводнике они могут перемещаться от атома к атому. Это немного напоминает устойчивость молекул твердого тела и способность передвигаться от одной к другой у молекул жидкости.
Также заметим, что, если мы значительно увеличим температуру, электроны могут приобрести «энергию выхода» и быть вырваны из вещества. Именно так Томсон сумел впервые отделить электроны от атома, сильно нагрев металл. И вновь мы видим аналогию с переходом от жидкого состояния к газообразному.
В итоге это объясняет наблюдения за нашими заряженными шарами: поскольку пластик является диэлектриком, электроны не могут в нем перемещаться, то есть не может возникнуть ток, который уравняет заряды. Металл же, напротив, является проводником: свободные электроны вещества спешат покинуть отрицательно заряженный шар и присоединиться к положительно заряженному шару, что быстро восстанавливает равновесие зарядов.