Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Представим себе соприкосновение двух металлов, к примеру цинка и меди. Каждый металл содержит электроны, с большей или меньшей силой привязанные к атомам этого металла. В атомах цинка электроны с ядром связаны слабее, чем в атомах меди. На границе между металлами электроны стремятся перемещаться из цинка в медь. Можно описать этот процесс как перетягивание атомами меди электронов из атомов цинка. Это продолжается недолго, так как атомы меди накапливают отрицательный заряд (благодаря перескочившим к ним электронам), а атомы цинка — положительный.

Дальнейшее перемещение электронов из положительно заряженного цинка в отрицательно заряженную медь быстро становится невозможным, и равновесие устанавливается на том уровне, когда заряд в обоих металлах еще очень мал. Однако заряд получается достаточно большим, чтобы его можно было распознать, и, поскольку противоположные заряды разделены, между металлами возникает контактная разность потенциалов.

Сила привлечения атомами электронов изменяется пропорционально изменению температуры, однако у разных металлов это изменение различно. Представим длинную полоску из цинка и длинную полоску из меди, соединенные только двумя концами, причем имеющими различную температуру (это называется термопара).

На каждом конце полос есть контактная разность потенциалов, но с двух концов она различна. Конец А медной полосы накапливает больше электронов, чем конец В, потому что температура увеличивает его силу притяжения электронов из цинка.

Поскольку концентрация электронов в меди на конце А больше, чем на конце В, то электроны из точки А устремятся по медной полосе в точку В. Теперь в В слишком много электронов, чтобы атомы могли их удержать при обычной температуре. Поэтому они начинают перескакивать к атомам цинка. Однако конец А, потерявший часть электронов, снова получает возможность приобретать их из цинка.

Процесс будет продолжаться бесконечно — электроны будут перемещаться из края А в край В внутри медной пластины и снова из края В в край А внутри цинковой, и так до тех пор, пока поддерживается разность температуры на концах пластин. Такое термоэлектричество впервые обнаружил в 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек (1770–1831).

Практическое применение этого явления несложно придумать. Количество постоянного тока, который проходит через термопару, зависит от температурной разницы на концах пластин. Следовательно, такое приспособление можно использовать как термометр. Так, если брать высокоплавкие металлы, например платину, то можно измерять температуры гораздо более высокие, чем те, которые способен выдержать обычный термометр. И еще, поскольку термопара улавливает и измеряет даже самые незначительные электрические потоки, то с ее помощью определяют очень слабые источники тепла, например, можно измерить тепло, исходящее от Луны или Венеры [101] Так как электрический поток может поддерживаться одной температурой, то мы способны вырабатывать постоянный ток посредством сжигания керосина (без какого-либо движения). Как мы увидим в главе 12, в XIX веке были очень популярны и другие способы получения постоянного тока при помощи сжигания топлива, но именно возможности термоэлектричества вызвали обновленный интерес в XX веке. Особенно интересна возможность использования Солнца в качестве источника производства температурной разницы, тогда солнечную энергию станет возможным использовать для генерации термоэлектричества, которое будет производиться в огромных масштабах. Это стало бы наиболее желанным дополнением к энергоресурсам человека. .

Соединение разных металлов посредством токопроводящего раствора создает эффект, похожий на эффект термопары, но в данном случае изменение температур уже не обязательно.

Предположим, к примеру, что полоску из цинка наполовину опустили в раствор сульфата цинка. Известно, что цинк вступает в реакцию с раствором. Каждый атом цинка, переходя в раствор, теряет по два электрона, следовательно, на стержне накапливается отрицательный заряд. Атомы цинка, потерявшие электроны, становятся положительно заряженными. Их положительный заряд по величине равен отрицательному заряду потерянных электронов. Заряженный атом называется ионом. Итак, мы имеем: положительно заряженные ионы цинка в растворе и атомы цинка на полоске, накапливающие отрицательный заряд.

Теперь представим полоску меди, опущенную в раствор сульфата меди. В растворе уже имеются положительные ионы меди, поэтому новые ионы образовываться не будут, наоборот, ионы меди станут возвращаться к полоске вместе со своим положительным зарядом. Теперь представим, что сосуд с кислотой, в которую погружена цинковая пластина, и сосуд с сульфатом меди, в который погружена медная пластина, соединены пористым мостиком, так что жидкости могут постепенно проникать из одного сосуда в другой.

У нас есть цинковая полоска с небольшим отрицательным зарядом и медная полоска с небольшим положительным зарядом. Если две полоски соединить проводом, то избыточные электроны с цинковой пластины легко перейдут на медную, на которой недостаток электронов. Так как цинк потеряет свои избыточные электроны и, как следствие, его отрицательный заряд уменьшится, то новые атомы цинка начнут вступать в реакцию с раствором для создания новых избыточных электронов. На медной полоске, наоборот, из-за перебежавших к ней электронов положительный заряд уменьшится, а значит, все больше новых положительных ионов меди устремятся из раствора на полоску.

Итак, электроны по проводу перебегают от цинка к меди, а затем посредством раствора возвращаются к нему. Процесс будет длиться до тех пор, пока все атомы цинка не растворятся или пока все ионы меди не осядут (или пока не случится и то и другое вместе). В термопаре поток электронов поддерживался разницей температур; в вольтовом столбе — химической реакцией.

Хотя электроны перебегали по проводу от цинка к меди, ученые, основываясь на неправильном предположении Франклина (см. гл. 10), пришли к заключению, что ток движется в направлении от положительного полюса (медь) к отрицательному (цинк).

Поколением позже экспериментов Вольты Фарадей придумал термин для обозначения металлических стержней, которые опускались в растворы и служили полюсами. Он назвал их электродами (от греческого слова, означающего «направление электричества»). Положительный полюс получил название анод (верхний), отрицательный — катод (нижний), поскольку Фарадей представлял электричество в виде потока, стремящегося вниз.