Электроны: на задворках атомов

https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/the-structure-of-matter/electrons-on-the-outskirts-of-atoms/
  • Перевод
Электроны, крохотные объекты, населяющие задворки атомов, играют ведущую роль в химии, переносят электрический ток по нашим электрическим сетям и внутри ударов молний, и составляют «катодные лучи», использовавшиеся для создания изображений в телевидении XX века и на экранах компьютеров. Это наиболее типичный пример (вроде бы) элементарных частиц.

Под «элементарными» я подразумеваю, что электроны неделимы и не состоят из частиц меньшего размера. При помощи «вроде бы» я напоминаю, что они элементарны, насколько нам позволяют судить об этом современные знания – то, что мы знаем об электронах, получено в экспериментах, а наши эксперименты не обладают бесконечной властью. Если электроны не элементарны, но настолько малы, что наши текущие эксперименты не могут их разломать – они будут выглядеть элементарными во всех экспериментах, проведённых нами в прошлом и настоящем, но не во всех будущих экспериментах. Так что, когда-нибудь – ведь 80 лет назад люди считали, что протоны могут быть элементарными, но им не хватало знаний, а 150 лет назад люди считали, что атомы могут быть элементарными, но им не хватало знаний – мы можем обнаружить, что электроны не элементарны. Но пока, поскольку все доступные нам эксперименты демонстрируют, что они элементарны, мы будем условно предполагать, что так и есть – помня, что это частично экспериментальный факт, и частично – предположение!

Электрон стал первой из обнаруженных субатомных частиц (первым найденным объектом, чей размер был меньше атома). Во времена его открытия, в 1890-х (обычно пишут 1897 год, но это открытие было в некотором роде постепенным), научные дебаты по поводу того, состоит ли материя из атомов, или же атомы были просто выдумкой, удобной для описания поведения материи, подходили к концу. Но даже те, кто верил в существование атомов, не обязательно считали, что атомы были неделимы (как предполагало их имя, произошедшее от греческого «неразрезаемый»). Поколение спустя, к середине 1930-х, физики подтвердили существование атомов, поняли их базовую структуру и узнали, как подсчитывать их свойства с высокой точностью. Эти подсчёты они провели с помощью уравнений из теории поведения материи 1920-х годов, называемой «квантовая механика», ставшей необходимой потому, что знаменитые уравнения Ньютона не справлялись с описанием работы атомов. Многие ключевые проверки точности квантовой механики были связаны с точными измерениями поведения электронов внутри и снаружи атомов.

Все электроны идентичны и неразличимы; если я поменяю два из них местами, вы не сможете этого обнаружить. Так что я могу писать о «свойстве электрона», а вы можете быть уверены в том, что эти свойства таковы для всех электронов. Какие же свойства присущи им?

Масса!


У электрона есть масса – она мала по сравнению с массой любого атома, поэтому про неё обычно можно забыть в начальных классах химии, но она не настолько мала, чтобы забыть о ней в физике частиц и даже в понимании структуры атомов. Хотя электроны не вносят значительного вклада в массу атома, масса электрона необходима для определения размера атома. В этом, в частности, заключается важность поля и частицы Хиггса. Эту массу можно записать по-разному, и каждый из способов даёт вам свою перспективу:

  • Она равна примерно 9 × 10-31 кг = 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 9 кг.
  • Она равна примерно 0,05% (точнее, 1/1838) массы атома водорода – легчайшего атома в природе. Большая часть его массы содержится в его ядре.
  • Энергия, хранящаяся в массе электрона, E = mc2, равна 0,000 511 ГэВ. Это в 200 000 раз больше энергии, переносимой одним фотоном зелёного цвета. В физике частиц масса частицы часто записывается через обратное взаимоотношение энергии и массы: для стационарной частицы m = E / c2. В этих терминах масса электрона равна 0,000511 ГэВ / c2.

Электрический заряд!


У электрона есть электрический заряд – а значит, на него действуют электрическое и магнитное поля. На электрически заряженную частицу в присутствии электрического поля будет действовать электрическая сила. Именно такие силы удерживают электроны внутри их атомов.

Насколько велик электрический заряд электрона? Представьте себе статическое электричество – вы прошли в ботинках по ковру, а затем, прикоснувшись к дверной ручке, другому человеку или компьютеру (!!!), вы почувствуете искру. Эта искра переносит заряд из одного места в другое – и обычно она в 10 миллионов миллионов раз больше заряда, переносимого электроном. Физики измеряют заряд с использованием произвольно выбранной единицы под названием кулон (так же, как время измеряется в секундах и длина в метрах). В типичном заряде статического электричества содержится одна миллионная доля кулона. Величину заряда электрона обычно обозначают e, и e примерно равно 1,6 × 10-19 Кл.

Размер?


Размер электрона неизвестен; он может оказаться точечным объектом без размера, или у него может быть чрезвычайно малый размер, радиус которого не превышает 10-18 м. Это, по меньшей мере, в 100 000 000 раз меньше радиуса атома. В ином случае мы бы видели признаки размера электрона в экспериментах.

Как на самом деле выглядит электрон? Как я писал в статье про атомы, определить понятие размера элементарной частицы сложно, поскольку электрон, хотя его и называют частицей, не является какой-нибудь пылинкой или крупинкой соли или песка. У него также есть и волновые свойства. В атоме электроны в каком-то смысле распределены по всему атому, как распространяется звуковая волна от барабана. В этом смысле, находясь внутри атома, они имеют размер всего атома.

Но это контекстуальный, а не присущий самому электрону размер. Я так и буду называть это «контекстуальным размером». Измените контекст – выньте электрон из атома, поместите его в маленькую металлическую коробку – и распределение электрона может вырасти или ужаться. У протона, наоборот, есть присущий ему размер, примерно в 100 000 раз меньше атома. Ни в каком смысле нельзя сделать протон меньше присущего ему размера, не разломав его. Короче, контекстуальный размер не может быть меньше внутреннего размера. Уменьшив контекстуальный размер электрона до минимума, в основном через рассеяние электронов высокой энергии с других частиц, мы искали их внутренний размер. Пока что ничего не нашли.

Так что, можно сказать, что эксперименты показывают, что присущий электрону размер меньше, чем 10-18 м. А как далеко электрон распространяется в виде волны, зависит от контекста.

Спин@


Про это свойство вы могли и не слышать. Оно может покорёжить вам мозг (как покорёжило мне!)

Среди странных свойств квантового мира есть очень странный факт (впервые открытый в 1920-х Гаудсмитом и Уленбеком, пытавшимися осмыслить данные, полученные с измерений электронов в атоме) — элементарные частицы могут крутиться, даже не имея размера! Представить это невозможно: мне, по крайней мере, это недоступно. Скажем это в практическом смысле: электроны и многие другие частицы природы ведут себя так, будто это маленькие вращающиеся волчки – если их поглощает другой объект, это заставляет этот объект немного крутиться. Представьте себе, как вращающийся кусок мягкой глины падает на способный крутиться стол. Глина прилипнет к столу, и стол начнёт вращаться.

Что ещё более странно, каждый из типов частиц всегда вращается с одной и той же скоростью! Мы говорим, что у электронов спин равен 1/2; это самая малая ненулевая скорость вращения, которой способна обладать частица. Нам также известны другие типы элементарных частиц со спином 1/2, 1, и (как мы думаем) 0, и не-элементарных частиц со спинами 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, и далее, до очень больших значений.

Магнетизм↑


Электрически заряженный вращающийся шар вёл бы себя, как магнит, и вы можете догадаться, что поскольку у электронов есть заряд и спин, они ведут себя, как магниты. И вы правы! То, что электроны ведут себя, как маленькие магниты, помогает подтвердить тот факт, что они на самом деле вращаются. Обычные, повседневные магниты, сделанные из, допустим, железа, приобретают свой магнетизм от электронов; множества и множества электронов, чьи спины аккуратно выровнены, могут создать большой магнит из множеств и множеств маленьких!

А вы уверены в том, что электроны реально существуют?


Не пора ли в этой статье продемонстрировать изображение электрона?


Электрически заряженная частица проходит через специально подготовленную пузырьковую камеру, оставит за собой след из пузырьков. Пузырьки быстро раздуваются до видимого размера, а затем этот след можно сфотографировать. Магнитное поле изгибает путь частиц; направление изгиба сообщает вам, был ли заряд частицы положительным или отрицательным. Это знаменитое фото 1933 года демонстрирует тонкий искривлённый путь пузырьков, отмеченный красными стрелками, ведущий себя точно так же, как след электрона – за исключением того, что след электрона выгнулся бы вправо. Изгиб не в ту сторону доказывает, что у частицы, оставившей след, заряд положительный, и поэтому след оставлен позитроном, античастицей электрона. Горизонтальная черта и диагональные линии – это артефакты фотографии и экспериментальной установки.

В отличие от молекул и атомов, достаточно крупных для того, чтобы сделать их фотографии при помощи особых микроскопов, изображение электрона сделать невозможно. Он просто слишком мал и неуловим. Мы можем делать изображения следов электронов, проходящих сквозь материю, как на рисунке (там показан антиэлектрон, позитрон, но электрон выглядел бы практически точно так же), но мы не можем получать изображения электронов напрямую.

Но наша уверенность в существовании электронов очень сильна, а наши знания их свойств весьма точны. Откуда берётся это уверенность?

Это важный вопрос, поскольку один из самых частых вопросов, который задают специалистам по физике частиц – это знаем ли мы на самом деле, что эти частицы существуют, или же мы обманываем себя (и всех остальных), и тратим кучу денег на ерунду, которая оказывается всего лишь горячим воздухом, выходящим из наших голов.

Да, мы знаем, что мы делаем. И мы знаем об этом уже более ста лет. Часть нашей уверенности получена благодаря таким изображениям, которое приведено выше. Но есть и множество других источников уверенности, о которых я, возможно, напишу позже.
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама
Комментарии 86
  • +1
    На текущий момент установлено что электроны имеют сферическую форму, как минимум с точностью 10е-27 мм, вот очередная команда исследователей новый метод более точного исследования предлагает: Статья в Science: New test of electron’s roundness could help explain universe’s matter/antimatter imbalance
    • –5

      А эта команда не допускает, как автор статьи, делимости электрона, у них есть его модель? Не образуют ли его сферическую форму вращающиеся по орбите фотоны? Ведь фотоны имеют не только энергию, но и электромагнитные свойства, поэтому их системы в принципе могут образовывать частицы с массой покоя и с электрическим зарядом. Вращение фотонов в одну сторону создаёт электрон, вращение в противоположную — позитрон. Вращение всей системы фотонов (электрона, позитрона) создаёт её спин.
      Или учёные ещё не заглядывают вовнутрь электрона?

      • 0
        Считается что электрон не делим (т.е не состоит из кварков).
        • +1
          Ведь фотоны имеют не только энергию, но и электромагнитные свойства, поэтому их системы в принципе могут образовывать частицы с массой покоя и с электрическим зарядом.

          Не могут. Из кучи нолей единичный заряд не собрать.

          • 0

            Извините, я вас спровоцировал на неверный ответ. Рождение электрон-позитронных пар из фотонов — общеизвестный процесс. Или вы подумали, что я против сохранения электрического заряда или энергии?
            Аннигиляция частиц и античастиц разбирает их обратно на "кучи нолей". А накачка частиц в ускорителях "нолями" — фотонами разгонного поля — приводит к тому, что из этой энергии при столкновении ускоренных частиц рождаются ливни новых частиц — с разными зарядами, массами, спинами.
            Минусующие меня тоже слишком эмоциональны — в ущерб даже не логики, а памяти.

            • 0
              Не обращайте внимания. Ваш комментарий по своему интересен, где-то лет 10 назад в унвере читал что-то про электрон как композицию из нескольких фотонов.
              Да вообще интересно как взаимодействуют фотон и электрон. Загадочное исчезновение фотона при столкновении с атомом с последующим переходом электрона атома на следующий энергетический уровень. Или обратный процесс, загадочное рождение и испускание фотона с переходом электрона на более стабильный нижний энергетический уровень. Вот что там происходит? Может быть правда есть какие-то нити, клубки? Может они интересным образом сплетаются друг в друга и расплетаются при определенных обстоятельствах. Вот непонятно! Что есть энергетический уровень электрона в атоме? При этом вне атома электроны и фотоны взаимодействуют слабо, никаких поглощений и испусканий нет, только небольшое рассеяние друг о друга. Может быть электрон в атоме правда вовсе не электрон, а вместе с протоном нечто качественно новое? Ой меня понесло. Заминусуют!
              • 0
                Разгон частиц в ускорителях происходит за счёт «виртуальных» фотонов, если рассматривать КЭД в терминах Фейнмана. «Реальный» фотон не может поглотиться «реальным» электроном и остаться «реальным» электроном, потому что такой процесс нарушает закон сохранения импульса.
                Есть другие подходы, которым не требуется вводить понятие фотона для описания ускорения заряженных частиц электрическим полем. Причём все подходы будут давать одинаковые ответы, вопрос только в технике вычисления.
                • –1

                  Вы правы, разгоняемые в ускорителях протоны или электроны поглощают виртуальные фотоны электрического поля. На них же не лазером светят. Однако поглощение и виртуальных фотонов ускоряемыми частицами увеличивает их массу/энергию и, соответственно, их импульс. Чем тогда воздействие одного виртуального фотона, поглощённого электроном в ускорителе, отличается от воздействия одного реального фотона, поглощённого электроном в атоме?


                  Мне это интересно, поскольку в моей классификации форм организации материи все элементарные частицы материи образованы из фотонов. Грубо говоря, виртуальный или реальный фотон в поглотившей его частице выглядит одинаково. В образующейся Вселенной были только фотоны, с началом расширения они объединялись в системы — в частицы и античастицы с массой покоя, которые почти тут же распадались обратно на фотоны. Но системы фотонов, являющиеся частицами и античастицами, имели внутреннее отличие. Благодаря ему (например, направлению вращения фотонов в системе) одни дольше удерживались от распада в энергетически плотной среде, чем другие. Это и определило барионную асимметрию во Вселенной. Аналогичная асимметрия биологических молекул произошла на Земле: во всех земных клетках есть только левосторонние сахара и правосторонние кислоты.


                  Мне интересно узнать ваше мнение по поводу связи сущности гравволн и сущности гравполя. Как вы думаете, если ускоренные возвратно-поступательные движения тел, попавших в гравволны, следуют таким же движениям энергетически плотной среды, то и ускоренное поступательное движение тел, попавших в гравполе, тоже должно следовать такому же движению энергетически плотной среды?
                  Видите ли, замалчивание этой связи — и здесь, и в ЖЖ — превращает этот физический вопрос в политический. Зачем давать новую тему для РенТВ, плодить теории заговора? Да, это ещё не описано в учебниках, но думать самостоятельно никто не запрещал. Вон некоторые физики так и моделируют гравполе вокруг чёрных дыр — то в виде ускоренного потока воды к "источнику гравитации", то в виде потока переохлаждённых атомов рубидия. И никто их за такую "ересь" финансирования не лишает, из научного сообщества не гонит. Может, в этом направлении и нужно копать физикам-теоретикам?

                  • +1

                    "Виртуальный" фотон нельзя зарегистрировать. Все регистрируемые частицы "реальные". Если обратиться к истории КЭД, то изначально возникли трудности с построением самосогласованной теории в случае стационарного электрического/магнитного поля. Эти трудности можно обойти несколькими путями. Один из путей породил понятие "виртуальных" частиц, о которых благополучно забывают в популярных изданиях. Это даёт пищу для придумывания "странных" теорий.


                    Электрон в атоме — это не тоже самое, что свободный электрон. Не до конца правильно говорить, что электрон поглощает фотон. Фотон поглощается всей системой электрон + ядро. В зависимости от энергии фотона возможно возбудить разные степени свободы — спиновую степень свободы (с.с.) ядра, спиновую с.с. электронной подсистемы (именно подсистемы), орбитальную с.с. электрона, переход между основными уровнями электрона, внутренние степени свободы ядра.


                    Вопрос чем отличаются же виртуальные частицы от реальных? Для виртуальных частиц может не выполняться соотношение Эйнштейна E=mc^2. Они никогда не могут стать частицами, которые попадут в детектор.


                    По поводу вашей классификации: если вы сможете построить непротиворечивую модель, которая будет точнее описывать наблюдаемые экспериментальные данные и предсказывать больше, чем Стандартная модель, то возможно её примут в качестве новой модели. Для начала всё-таки стоит разобраться каким образом устроена Стандартная модель и где у неё возникают проблемы с описанием новых экспериментальных данных.


                    Гравитационные волны были предсказаны почти век назад. Вопрос стоял только в построении высокоточного детектора, что первым сделал проект LIGO. Не до конца понимаю ваш вопрос про грав. волны и грав. поле.

                    • 0
                      Виртуальный фотон может и несет маленькую энергию. Но если он испускается протоном, имеющим в СО ЦМ Лоренц-фактор 6900, то может эта энергия что-то и сделает.
                      З.Ы. Только не знаю, какие эффекты наблюдались по данной гипотезе, кроме этого:
                      old.elementy.ru/novosti_nauki/432935/Detektor_ATLAS_uvidel_rasseyanie_sveta_na_svete
                  • 0
                    Скажите, Вам не встречались ли видео с визуализациями квантовых процессов? Теорий, вычислений полно, а презентации найти сложно.
                    • 0
                      В каком виде Вы хотели бы видеть визуализацию? Рисовать диаграммы Фейнмана (как один из наиболее прижившихся методов) под силу каждому. Достаточно знать правила, по которым они рисуются. Если Вас интересуют какие-то основные простейшие процессы в теории, то они приведены в любом учебнике, посвященном этой теории.
                      • 0
                        В виде видео, конечно. В виде динамического отображения (пусть и нереально компьютерного), но все же красивого и математически верного.
                • 0
                  Вы не допускаете, что какие-то элементы, обладающие некоторыми свойствами, при объединении в некую систему, могут зарождать новые явления, качественно новые свойства системы, доступные только на ее уровне и недоступные на уровне отдельно взятых элементов?
                  • 0

                    Это противоречит всему что мы знаем об электричестве. Так что нет, не допускаю.

                    • 0
                      А нет ли противоречий в том, что переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами выступает беззарядовый фотон, по современным представлениям?
                      • 0

                        А в чем тут противоречие?

                        • 0
                          Ну как? Без фотонов нет поля, в котором заряд как таковой имел бы смысл, не сближал и не отталкивал другой заряд.
                          • 0

                            Но это же не означает что фотоны вдруг стали переносчиками заряда.

                            • –1
                              Нет, но это означает, что они часть системы, которая наделяет определенные частицы зарядом, который дает им возможность взаимодействовать. Вернее наделяет чем-то таким, за счет чего они взаимодействуют, а заряд — это мера взаимодействия.
            • –3
              Есть ли форма у электрона? и размеры, которые определяются внешними полями.
              Спин = количеству оборотов, которые должна совершить частица, чтобы вернуться в прежнее состояние. Довольно сложная концепция.
              • +2
                Спасибо! Люблю такие статьи! Срывает крышу напрочь! Не укладывается в сознании невероятно сложное строение окружающего мира… И природа той силы что удерживает все на нужных позициях и пределах. Это лучше любого психотропного препарата!
                ЗЫ из прошлых ваших отзывов понял что Итан очень симпатичен вам как популяризатор, но на мой взгляд, автор этой статьи рвет Итана на куски.
                • 0
                  А вот теперь представьте, как рвет крышу школьникам в классах с углубленным изучением химии — это программа вступительных экзаменов в 10 класс. ;) Правда, в несколько упрощенном виде.
                  • 0

                    По-видимому, углублённой программы не требуется.

                  • +1
                    Сигель в основном про космологию, а Страсслер — про физику частиц, каждый по своей специальности.
                  • –1
                    Про спин слишком примитивно. И уж магнетизм точно со спином не связан.

                    Правильнее понимать спин не как вращение частицы, а как меру ее пространственной симметрии. Например спин 2 обозначает, что невозможно отличить две одинаковых частицы друг от друга, если они повернуты одна относительно другой на пол оборота. А спин 1/2 обозначает, что частица возвращается в исходное положение аж после двух оборотов вокруг оси!
                    • 0
                      Про обменное взаимодействие не слышали?
                      • 0
                        А спин 1/2 обозначает, что частица возвращается в исходное положение аж после двух оборотов вокруг оси!

                        Это вообще как?

                        • 0
                          Примерно как рисовать цифру 8. Нарисовали одну половину и вернулись в точку начала, но не в исходное положение. Чтобы завершить цикл, надо нарисовать еще один круг.
                          Хотя это тоже довольно абстрактная аналогия.

                          • 0

                            У цифры 8 спиновое число 2 а не 1/2 :-)

                            • 0
                              Спиновое число 2 у объекта, который возвращается в начало цикла через поворот на 180 градусов, к примеру, если представить монетку, у которой орел с обеих сторон.
                          • 0
                            В вики есть пара примеров, которым требуется поворот в 720 градусов для возврата в первоначальное положение.
                            • 0

                              В этих примерах система вращается не целиком, в ней выделяется подвижная, неподвижная и связующая части. Иными словами, они не являются пространственными симметриями.

                          • 0
                            спин 1/2 обозначает, что частица возвращается в исходное положение аж после двух оборотов вокруг оси

                            Тогда получается, что что со спином 2 частица возвращается в исходное положение за пол оборота? Или за 8? Что-то у меня ум за разум зашел…
                          • +1
                            Ну, скажем, s-орбитали — это совсем не «задворки», её обитатели в основном тусуются в самом центре атома.
                            • –1
                              Не доказывает ли наличие спина что электрон делим? При нагреве\охлаждении атомов электроны ходят по энергетическим уровням отдавая\принимая фотоны, не доказывает ли это что электрон состоит из фотонов?
                              • 0
                                Разные уровни — разная потенциальная энергия, структура как то на массу больше завязана.
                                И спин разве связан с энергетическими уровнями?
                                • 0
                                  Есть для атома 2 явления:
                                  1. Спин-орбитальное взаимодействие — взаимодействие магнитных моментов, связанных со с спином частицы и с её орбитальным движением. Нагуглил — здесь можно рассматривать орбитальное как движение ядра вокруг электрона.
                                  2. Есть ещё всякие более тонкие эффекты, вроде:
                                  ru.wikipedia.org/wiki/Лэмбовский_сдвиг
                                  Или взаимодействия электрона с магнитным полем ядра. Величина крайне малая, но по идее у тяжелых атомов — уран-219, -223, -225, -235 и -241 — дает сдвиг уровня энергии от изотопа больше, чем от изменения массы ядра (приведенной массы электрона).
                                • 0

                                  Фотоны отдает и принимает любое движущееся заряженное тело, электрон тут не исключение.

                                  • 0
                                    Тогда вам понадобятся специальные заряженные фотоны, я про такие ни разу не слышал. Заряд электрона не зависит от того, какую орбиталь электрон занял или же вообще покинул атом
                                    • 0
                                      Понимаете, спин есть у любой элементарной частицы, кроме бозона Хигса (у него он 0).
                                      А вот правила отбора показывают соотношение между спином фотона и спином электрона.
                                    • +3

                                      Популярный пересказ учебника физики 11 класса?

                                      • –2
                                        У физиков есть шутка (вроде бы её приписывают Фейнману), что во Вселенной есть ровно ОДИН электрон. Просто он везде. Знакомые физики говрили, что это вполне себе укладывается в некоторые концепции.
                                        • +1
                                          Не совсем так, емнип — была теория, что все электроны — это один электрон, движущийся вперёд во времени, а все позитроны — это тот же самый электрон, движущийся назад. Шуточная или нет, не берусь судить.
                                        • –2
                                          Извиняюсь, но давно не могу понять как электроны «переносят электрический ток по нашим электрическим сетям».
                                          Получается что где-то на электростанции, в генераторе, атомы чего-то там лишаются своих оболочек и эти электроны летят к нам в розетку? =))
                                          Наверное все совсем не так. Но тогда как?
                                          Собственно, что такое ток? Википедия совсем ничего не объясняет… =(
                                          • 0
                                            Ток есть движение заряженных частиц (не обязательно электронов). Электроны уныло ползут по проводам (DC) или трясутся на месте (AC). Чем больше заряженных частиц проходит через сечение проводника в единицу времени, тем больше ток. На электростанцию электроны возвращаются, потому что цепь всегда замкнута
                                            • –1
                                              Не понял…
                                              Пусть будет металл, а значит электроны.
                                              Пусть будет переменный, но тогда что там и где трясется? =) Электронные оболочки того металла, из которого состоит провод? Или «ползет» — что?
                                              Откуда берутся эти самые «свободные» электроны, которые совершают работу, превращаются в тепло и т.п.
                                              Тут наверное нужно объяснять что такое генератор наверное…
                                              • 0
                                                У вас всё в кучу — кони, люди… В металлах электроны на внешних орбитах атомов слабо связаны с ядром. В итоге, они как бы становятся общими для всех атомов кристаллической решётки. Их ещё называют электронным газом. Генератор на электростанции создаёт разность потенциалов, т.е. напряжение. Когда электрик Сидоров опускает рубильник и замыкает цепь, частью которой является ваша розетка, электроны в ней получают мощный пинок (электромагнитная волна) приходящий к вам со скоростью света. Ток (частицы его создающие) как бы уже есть в розетке. Генератор это отдельная тема. Но не только он может быть источником тока
                                                • 0

                                                  Свободные электроны в металле есть всегда, это их особенность.

                                                  • –1
                                                    Свободные электроны где? В проводнике, в генераторе?
                                                    Значит в генераторе должно что-то расходоваться, обмотка там или еще что-то…
                                                    • 0

                                                      Зачем расходоваться-то? Вам же уже писали выше: ничего не расходуется, электроны возвращаются обратно. Читайте первый закон Кирхгофа.

                                                      • 0
                                                        Вообще ничего не понял)) А что светит тогда? Что дает тепло? Если ничего не расходуется и все возвращается обратно?
                                                        • 0
                                                          Расходуется энергия. На то самое тепло, и иногда — на свет (когда свойства материала позволяют). А электроны возвращаются обратно (в случае генератора постоянного тока, плюс ещё и медленно), получают новую порцию энергии — и по-новой!

                                                          (Эх, перед отправкой надо читать комментарии пониже...)
                                                          • 0
                                                            Кажется понял)) Энергия — имеется в виду излучение, так? Свет, инфракрасное и т.п.
                                                            • 0
                                                              Да, если мы придаём электронам энергию с помощью солнечной батареи (свет передаёт энергию электрону, он перескакивает «запрещённую зону» в проводнике, не имея возможности вернуться назад, куча таких же электронов создаёт напряжение — и они начинают двигаться туда, где напряжение ниже).
                                                              Если сравнивать с водой, мы перенесли ведро из одного связанного сосуда в другой (один полюс батареи), и теперь по соединяющей их трубе (проводник) вода стремится выровнять уровень (в цепи, условно говоря, напряжение).

                                                              В генераторе постоянного тока механическое вращение вала преобразуется в движение электронов с помощью магнитов.

                                                              Надеюсь, с аналогиями и упрощениями я не наврал…
                                                            • 0
                                                              А потом в цепи возникает полупроводник, легированный p-типа. И начинают как будто течь дырки уже.
                                                              • 0
                                                                Ну да, «перемещение» мест, где «не хватает электрона», удобно представить в виде движения «условно положительной как бы частицы».
                                                        • 0
                                                          Возможно, вам поможет «канализационная электрика»
                                                          • 0
                                                            К сожалению не помогло. Примеры на пальцах для напряжения, тока и сопротивления вполне понятны, не понятно только одно — сама вода.
                                                            Откуда берется то, что потом излучается в виде света и тепла.
                                                            • 0
                                                              Электроны переносят энергию, как вагоны уголь. Сами вагоны при этом не расходуются. Свойства некоторых металлов таковы, что они отбирают эту энергию у электронов на сравнительно коротком участке цепи. Её они рассеивают в тепло (свет)
                                                              • –1
                                                                Так, хорошо))) если электроны переносчики — тогда откуда берется то, что они переносят? Мы же не можем получить электричество из вакуума. Обязательно нужен генератор, который, допустим, работает от механической энергии воды. Он создает разность потенциалов, при подключении нагрузки течет ток, создается работа (свет, тепло).
                                                                Я так и не пониманию что в этой цепочке является расходником.
                                                                Медь обмотки генератора? Проводник?
                                                                • 0
                                                                  А ничего не расходуется. Идёт преобразование одной энергии в другую. Энергии солнца в кинетическую энергию воды, которая вращая турбину преобразуется в электромагнитную, та в тепловую. И так до бесконечности.
                                                                  Хотя можно сказать, что расходуются водород и гелий в недрах нашей звезды
                                                                  • 0
                                                                    Строго говоря водород и гелий преобразуются в более тяжелые элементы и превращается в фотоны только часть их прежней совокупной массы. Но в целом расходуется, конечно, вещество и после тепловой смерти во вселенной останется лишь излучение, которое за счет красного смещения в растягивающемся пространстве будет иметь всё меньшую и меньшую энергию.
                                                                    Еще можно сказать, что расходуется энтропия, только «наоборот». То есть она растёт и растёт.
                                                                    • 0
                                                                      Ну я уж не стал так углубляться, в данном случае
                                                                  • 0

                                                                    А зачем обязательно нужен расходник-то?

                                                                • 0
                                                                  Кстати, не забывайте знаменитую формулу E=MC^2, энергия и масса связаны.
                                                          • 0
                                                            Я для ясности себе всё представляю через гидродинамику. Там очень много глубоких аналогий и кто-то уже упомянул канализационную электрику ниже.
                                                            В двух словах. Представим себе большой цилиндр с водой, а внизу дырка. Высота столба до дырки — это напряжение. Ток — это скорость потока (л/сек). Очевидно, что ток зависит от напряжения и от диаметра дырки (больше дырка — меньше сопротивление). Под струю можно подставить мельницу и она будет совершать некую работу. Это про постоянный ток.
                                                            С переменным аналогия тоже работает, только пусть у нас будет не дырка, а шланг и в этом шланге поршнем туда-сюда воду гоняют с некоторой амплитудой. Амплитуда такого движения связана с напряжением; сила же тока (поток) постоянно диаметрально меняется с некоторой частотой. В таком шланге тоже можно установить мельницу и лопасти будут вращаться потоком то в одну сторону, то в другую. Если сделать систему встречных обратных клапанов (полупроводников), мы получим выпрямитель тока (диодный мост).
                                                            На таких аналогиях отлично можно индуктивность показать и ёмкость, активное и реактивное сопротивление, закон Кирхгофа, закон Ома и много-много всего.

                                                            Что касается вашего вопроса на счет электронов в металле проводов, то представьте, что металлический проводник — это тонкий шланг с водой. Вода — это часть шланга с водой. Если открыть кран и подать воду на вход в шланг, то на выходе тут же (со скоростью света распространяется механическая волна давления) начнёт течь. При этом в объёме шланга воды сколько было, столько постоянно и остаётся, масса его не меняется, но ток есть. При этом генератор на электростанции — это поршень, который туда-сюда эту воду с частотой 50 герц дёргает. На конце шланга можно приладить другой поршень и он будет совершать некоторую работу.

                                                            Мне кажется такая аналогия тривиальна и каждый ищущий ее может легко нагуглить. Но если есть желание я могу оформить ее и в виде статьи. ХЗ надо ли.
                                                            • 0
                                                              Со шлангом с неизменной водой интересно))
                                                              Так, если свет и тепло — это по сути та же самая падающая вода или сожженый уголь, то все-таки что теряется в генераторе?
                                                              И с другой стороны — есть же все-таки тот самый «ноль», на той же подстанции. То есть поток все-таки идет в одном направлении, так? Но тут непонятно как быть с переменным, который бегает туда-сюда по обоим проводникам. Хотя вроде как «фаза» и «ноль» всегда одни и те же, что и показывает индикатор))
                                                              Черт, простите, ну плохо у меня с физикой, очень плохо))))
                                                              • 0
                                                                Ща объясню. В случае переменного тока (одна фаза и ноль) генератор как поршень дёргает воду в фазовом шланге быстро-быстро туда-сюда. На другом конце шланга стоит второй поршень (пусть это будет соленоид, например акустический динамик). Этот второй поршень надо окружить водой с двух сторон. Пусть второй конец цилиндра этого поршня окунут в водоём — это аналог заземления. Фактически наш ноль в розетке — это земля — некий большой водоём, где всегда много воды.
                                                                С тремя фазами всё интереснее. Там энергия передаётся сразу по трём шлангам и тройным поршнем на трёхгранном шатуне можно снимать энергию с трёх фаз без нуля.
                                                                Да. В генераторе ничего не тратится. Там одна энергия (ветра, например) переходит в другую — движения жидкости в шлангах или тока в проводах.
                                                                • 0
                                                                  Хотя даже трём фазам ноль не помешает — для равномерности.
                                                                • 0
                                                                  Упрощённо — когда мы гоняем воду по шлангу, мы тратим на это энергию.
                                                                  Когда вода трётся об стенки шланга, эта энергия выделяется в виде тепла.
                                                                  А потом мы берём специальный кусочек шланга об который трётся сильно-сильно (с высоким сопротивлением) — и почти вся закачанная в шланг энергия выделится тут. Имеем лампочку накаливания.
                                                            • 0
                                                              Они не трясутся на месте. Но куда интереснее станет жить цепи с источником 50 Гц, если длина цепи достигнет 6000 км.
                                                              Ну и есть у меня мнение, что при каких-то условиях цепь переменного тока не должна быть замкнута через проводник. Можно например через емкость, которая за 1/100 секунды не заряжается полностью протекающим через цепь током.
                                                              • 0
                                                                Электрон проходит примерно 0,1 мм за сек. При частоте 50Гц, ток успевает поменять направление 100 раз. За каждый полупериод электрон проходит 0,001 мм, потом обратно. Таки всё же трясутся.
                                                                Конденсатор в цепи переменного тока есть проводник. Емкость его при этом, аналог сопротивления. Что не мешает течению тока, в принципе
                                                                • 0
                                                                  Это нужно брать оценку подвижности электронов в конкретном металле и смотреть, какие поля возникают от тока.
                                                                  Конденсатор есть проводник, но чем выше емкость и частота, тем меньше он будет мешать прохождению тока. Если параллельно резистор 1 кОм и конденсатор 20 мкФ в цепи 50 Гц — ток течет приблизительно равной амплитуды по ним.
                                                                  Ну а электрическое поле у нас изменяется со скоростью света.
                                                                • 0
                                                                  Поправка: в сравнении с размерами самого электрона, выходит что они носятся туда-сюда. Но с точки зрения человеческих масштабов, дёргаются почти на месте. Особенно, если речь об СВЧ токах
                                                            • –3
                                                              Объясните мне. Вакуум — это же пустота? Как она может передавать электроны? Тут никак не обойтись без теории эфира или подобной. Да и вообще вся физика вранье.
                                                              • +3
                                                                Пространство пронизано полями, среднее значение которых равно нулю. Волновое отклонение поля от нуля — это и есть частица. Подробнее читайте у Мэтта Страсслера.
                                                                А называя враньём непонятную вам область вы просто выставляете себя невежей.
                                                                • 0
                                                                  На ютубе полно экспериментов которые не может объяснить физика и которые идут вразрез объяснениям физиков. Такое ощущение что физики подгоняют теорию под факты. Но не всегда точно. Опять же, что это за поле? Вы знаете?
                                                                  • 0
                                                                    Да, там очень точные эксперименты наверное. А по Вашей логике случайно не работает механика Аристотеля?
                                                                    • 0
                                                                      Такое ощущение что физики подгоняют теорию под факты.

                                                                      А надо наоборот, подгонять факты под теорию?
                                                                  • –1
                                                                    На пальцах можно и вакуум худо-бедно объяснить — водная гладь в чайнике. Если присмотреться очень тщательно, то там на поверхности некоторое хаотичное бурление, а если чайник достаточно велик, то по его поверхности можно пустить большую волну — это частица. Звуковые волны в чайнике — это безмассовые частицы (ну я так понимаю), они движутся со скоростью звука в среде (в нашей аналогии это, как бы, скорость света). Большие медленные волны, скажем, от упавшего в воду кирпича — это частицы.
                                                                  • 0
                                                                    Читал где-то инфу, что эксперименты времен LEP (работал и вовсю давал материал для статей до запуска LHC) с энергией 100 ГэВ были достаточным доказательством элеменатарности электрона.
                                                                    • –1
                                                                      На самом деле было бы здорово запилить пост про «как работает электричество „для чайников“
                                                                      =)) Думаю что эта тема была бы интересна не только мне.
                                                                      • 0
                                                                        Размер электрона неизвестен; он может оказаться точечным объектом без размера

                                                                        Если он имеет массу, то он должен иметь и объём размер? Или я ошибаюсь?
                                                                        • 0
                                                                          Масса — это результат взаимодействия с полем Хиггса. Размер значения не имеет.
                                                                          • 0
                                                                            Он может и должен. Но ни одна частица не обязана иметь размера выше 2 планковских длин.
                                                                            Может и будет размер электрона порядка характерного радиуса слабого взаимодействия. Какая-то аналогия, что процесс типа бета-распада и K-захвата происходит как бы на поверхности ядра (слой 1 ам против радиус 1 фм).
                                                                            Но на самом деле там куча кварков (реальных и виртуальных) и виртуальные W-бозоны.

                                                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.