§ 135. Несамостоятельная проводимость в комнатном воздухе с видимыми носителями. Объяснение закона Ома.
В § 133 мы пользовались в качестве носителя электричества ложечкой, которую мы передвигали от руки между молекулами воздуха. Это было неудовлетворительно. Поэтому мы повторим теперь оба опыта I и II (стр. 279) в несколько более тонком варианте.
На рис. 361 осуществлен случай I: атомы электричества снимаются носителями с электродов и переносятся ими к противоположным электродам. В качестве носителей применяются пылинки алюминиевой краски. Двигаясь взад и вперед в поле, они образуют серебристое мерцающее облако. Чем плотнее это облако, тем сильнее ток.
На
рис. 362 осуществлен случай II: в пространство между электродами вводится
одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных носителей, которые
притягиваются к электродам. Электроды совместно образуют цилиндрический конденсатор.
В качестве носителей применяются крупинки серы (—) и манной крупы (+). Заряд
на них создается процессом электризации при трении. Оба порошка вдуваются
струей воздуха через металлическое сопло пульверизатора D. Прикосновение к
стенкам и к краю сопла создает на них заряды. Гальванометр показывает удивительно
постоянный ток около 10-8 А.
Рис. 361
и 362. Электропроводность воздуха с пылевидными носителями электричества.
На рис. 361 носителями являются частицы алюминиевого порошка, схематически
изображенные точками.
На рис. 362 струя воздуха с заряженными частицами пыли продувается через цилиндрический
конденсатор.
Дадим току проходить в течение нескольких минут в одном направлении, как это показано на рис. 362, а затем откроем конденсатор. Мы увидим, что поверхность внутреннего цилиндра — катода— равномерно покрыта слоем крупы, а внутренняя поверхность внешнего цилиндра — анода — таким же слоем серы. Носители электричества, отдав свою ношу — атомы электричества,—пристали к границам поля, или к электродам. Выражаясь шутливо, можно сказать, что мы получили «гальванопластическое покрытие манной крупой или соответственно серой», подобно тому как с помощью электролиза осуществляют никелирование и т. п. (ср. § 145).
Под отдачей заряда мы с атомистической точки зрения понимаем в случае положительных и отрицательных носителей формально одно и то же. Отрицательный носитель отдает свои излишние электроны. Положительный носитель вытягивает электроны из металлических электродов и пополняет таким образом свой запас электронов. ,
В целом описанные опыты не являются уже модельными. Это —подлинная, несамостоятельная проводимость воздуха, и притом с хорошо видимыми носителями.
Этот опыт позволяет еще дальше разъяснить механизм несамостоятельной проводимости. Этой цели служит важный экспериментальный результат: повторим наш опыт не с напряжением в 220 в, а с меньшим напряжением. Мы увидим, что ток и напряжение пропорциональны. В созданных нами условиях справедлив закон Ома. До сих пор мы были знакомы с законом Ома только применительно к металлическим проводникам при постоянной температуре (стр. 29). Здесь мы встречаемся с другим особым случаем его применимости. Это важно для нас, так как дает воз* можность естественного истолкования этого простого закона.
Для того чтобы упростить геометрические соотношения, представим себе, что опыт с пылевидными носителями электричества выполнен в пластинчатом конденсаторе. Цилиндрическая форма конденсатора на рис. 362 ведь нужна была нам только для того, чтобы обеспечить более равномерное продувание струи воздуха с пылинками.
Ток, создаваемый
перемещающимися пылевидными носителями электричества, равен
В этом заключается фактическое содержание закона Ома; в случае электропроводности
с пылевидными носителями отношение I/U имеет постоянное значение, ток и напряжение
пропорциональны друг другу. Из равенства (250) видно, что это обусловлено
выполнением следующих двух условий.
Первое: произведение
(nzе), т. е. общий заряд носителей одного знака, остается постоянным, оно
не изменяется заметно в результате ухода носителей из поля.
Второе: подвижности
v+ и v_ остаются постоянными; это значит, что скорости носителей и пропорциональны
напряженности поля
Выполнение первого условия это вопрос чисто технический: нужно только через конденсатор, содержащий носители, продувать воздух в достаточном количестве и с достаточной скоростью.
Как же
обстоит дело со вторым условием? Электрическое поле постоянно действует на
носитель с определенной силой ). Как может, несмотря на это, скорость и оставаться
постоянной и пропорциональной напряженности поля? Ответ на этот двойной вопрос
мы можем найти в «Механике»: движение носителей электричества происходит при
решающем воздействии трения, и притом в данном случае внутреннего трения воздуха.
Вспомним о шариках разного веса, но одинакового размера, которые падают в
глицерине. После кратковременного начального ускорения скорость падения их
становится постоянной и пропорциональной весу шарика. В случае пылевидных
носителей электричества силой тяжести можно пренебречь, ее место занимает
электростатическая сила.
