В основе электроники лежит использование потоков электронов, а иногда и других электрически заряженных элементарных частиц, движущихся в металлах, полупроводниках, электролитах, газах или даже в вакууме.
Что же представляет собой электрон?
Наукой установлено, что вещество имеет атомное строение. Размеры атома ничтожно малы: поперечник атома равен примерно одной стомиллионной части сантиметра (10-8см). Однако, несмотря на столь малую величину, атом имеет довольно сложную структуру.
В центре атома находится ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В состав ядра входят частицы двух родов – протоны и нейтроны. Исключение составляет ядро самого легкого химического элемента – водорода, состоящие из одного протона. Ядро следующего по весу элемента – гелия – состоит из двух нейтронов. Частицы, входящие в состав ядра, удерживаются друг с другом мощными внутриядерными силами.
Ядро атома ни при каких химических реакциях не подвергается изменениям. Именно ядро атома определяет собой род вещества; каждому химическому элементу соответствует совершенно определенное атомное ядро.
В электрическом соотношении протоны и нейтроны не одинаковы. Протоны имеют элементарный, т.е. наименьший возможный, электрический заряд положительного знака. Численно величина этого заряда равна 1,6·10-19 Кл (кулона). Нейтрон не имеет никакого электрического заряда. Название «нейтрон» присвоено ему именно потому, что он электрически нейтрален.
Таким образом, заряд атомного ядра определяется числом входящих в его состав протонов. Если ядро состоит из одного протона (ядро водорода), то его заряд будет равен +1, если в ядре два протона, то его заряд будет +2, и т.д. Вес ядра зависит от общего числа входящих в него протонов и нейтронов. Поскольку заряд ядра зависит от числа имеющихся в нем протонов, а вес – от числа протонов и нейтронов, то зная заряд и вес ядра, можно определить, сколько протонов и нейтронов входит в его состав.
Вокруг ядра подобно планетам обращаются мельчайшие частицы – электроны, образующие своего рода электронные «оболочки» атома. Таких «оболочек» может быть несколько. Каждый электрон несет на себе элементарный электрический заряд, по величине равный заряду протона, но имеющий отрицательный знак. Электрон, следовательно, представляет собой наименьший возможный отрицательный заряд, наименьшее возможное число электричества.
Заряд электрона равен 1,6·10-19 Кл, его масса равна 9,1·10-28 г, его диаметр составляет примерно 10-12мм. Масса как протона, так и нейтрона приблизительно в 1840 раз превышает массу электрона.
Число электронов окружающих ядро атома, равно числу протонов, имеющихся в этом ядре. Например, ядро атома водорода состоит из одного протона, поэтому в атом водорода входит один электрон. Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, поэтому в электронную оболочку атома гелия входят два электрона и т.д. Поэтому каждый атом сам по себе электрически нейтрален: положительный заряд его ядра полностью уравновешивается отрицательным зарядом окружающих ядро электронов. Так как масса протона и нейтрона в 1840 раз больше массы электрона, то практически вся масса атома заключается в его ядре. Масса электронов составляет ничтожную долю общей массы атома.
Электроны не связаны с атомами неразрывно. При известных обстоятельствах атом может терять один или несколько электронов. В случае потери электронов атом в целом оказывается заряженным положительно, потому что положительный заряд его ядра уже не уравновешивается отрицательным зарядом окружающими ядро электронов. Иногда атомы могут захватывать извне лишние электроны, тогда их заряд будет отрицательным – число электронов в оболочках атома превышает число протонов в его ядре. Атомы, имеющие некомплектное число электронов, носят название ионов. Атомы, у которых не достает одного или нескольких электронов, являются положительными ионами, атомы с избытком электронов – отрицательными ионами.
Ионизация атомов происходит за счет электронов, находящихся в наружной оболочке. В каждой оболочке атома может находится не больше определенного числа электронов. Например, в первой ближайшей к ядру оболочке может быть не больше двух электронов, во второй – не больше восьми, в третьей – не больше 18. Электроны внешней оболочки не так прочно удерживаются в системе атома, как электроны внутренних оболочек, и могут отрываться от атома, вследствие чего атом превращается в положительный ион. С другой стороны, если во внешней оболочке атома меньше электронов, чем может быть в этой оболочке, например, если внешней оболочкой является вторая и в ней меньше восьми электронов, то такой атом может при известных обстоятельствах осуществить захват лишних электронов и стать отрицательным ионом.
Ионизация атомов может происходить от различных причин: атомы могут ионизироваться под влиянием очень высокой температуры, под воздействием ультрафиолетовых лучей и пр. В электронных приборах чаще всего приходится встречаться с ионизацией, возникающей в результате столкновения атома с какой-либо элементарной частицей, например с электроном. Если такая частица приближается к атому с большой скоростью (причем непосредственно между ними может и не произойти), то она может выбрать из него один или несколько электронов и, следовательно, ионизировать его. При ударах меньшей силы атом не ионизируется, а полученная им энергия сообщается одному из его электронов, заставляя его перейти на более удаленную от ядра оболочку, где электроны обладают большей энергией. Однако очень скоро электрон возвращается на свою оболочку, отдавая при этом избыток энергии в виде излучения. При переходе электронов, находящихся в наиболее близких к ядру оболочках, происходит излучение электромагнитных колебаний, соответствующих по частоте рентгеновским лучам. При переходе электронов с более удаленных от ядра оболочек атом излучает световые лучи.
У различных веществ электроны не одинаково прочно удерживаются в системе атома. Особенно легко «теряют» свои электроны атомы металлов. Строение металлов представляет собой объемную решетку, составленную из атомов. В промежутках между атомами этой2 решетке беспорядочно движутся во всех направлениях огромные количества электронов, оторвавшихся от атомов. Эти электроны называют «свободными». Скорость беспорядочного хаотичного движения электронов зависит от температуры металла. При повышении температуры она увеличивается. В любом куске металла свободных электронов столько, сколько их нужно для полного уравновешивания зарядов положительных ионов – атомов с неполным «комплектом» электронов. Поэтому в целом такой кусок металла не имеет заряда (электрически нейтрален).
Все явления электрического тока связаны с перемещением электрических зарядов, в большинстве случаев электронов или ионов. Электрический ток представляет собой поток движущихся в определенном направлении электрических зарядов. Любое перемещение даже одиночного электрона или иона является электрическим током, но практически движущиеся заряды обладают свойствами электрического тока только тогда, когда имеет место их упорядоченное движение, когда преобладающее количество имеющихся в данном объеме электрических зарядов движется в определенном направлении. Хаотическое движение зарядов, например тепловое движение электронов в металле, не проявляет себя как электрический ток, потому что при подобном движении любому количеству электронов, перемещающихся в каком-нибудь направлении, всегда противопоставляется такое же количество электронов, движущихся в обратном направлении.
Все вещества в электрическом отношении делятся на проводники, непроводники и полупроводники. Если атомы данного вещества легко теряют электроны и эти свободные электроны имеют возможность без особых затруднений перемещаться в толще этого вещества, то такое вещество является проводником электрического тока. Лучшими проводниками являются металлы. В металлах всегда имеется огромное количество свободных электронов.
Свободных электронов в непроводниках (диэлектриках) практически нет, продвижение электронов в них крайне затруднено. К ним относятся, например, стекло, мрамор, слюда и др.
Полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и непроводниками. Их сопротивление больше чем проводников и меньше, чем не проводников. Кроме того, сопротивление полупроводников может сильно изменятся от разных причин – температуры, освещения, давления и т.п. Таким образом полупроводники очень удобно использовать в качестве датчиков выше упомянутых физических факторов. Наиболее распространенные полупроводники – кремний, германий, селен и др.
В твердых телах электрический ток образуется почти исключительно потоками электронов. В жидкостях и газах, а также в вакууме электрический ток может создаваться потоками как электронов, так и ионов.
Величина тока определяется количеством электрических зарядов, прошедших через поперечное сечение проводника в течении 1 с. Так как минимальным электрическим зарядом является заряд электрона, то определение величины электрического тока всегда связывается с количеством электронов, движущихся по проводнику. За единицу величины (силы) электрического тока принят ампер (А). При токе в 1 А через поперечное сечение проводника в течении секунды проходит 1 Кл электричества. Так как заряд электрона равен 1,6·10-19 Кл, то 1 Кл составляет 6,3·1018 электронов. Следует учесть, что такое определение ампера было сделано тогда, когда рассматривалось прохождение электронов только по проводникам.
Электрический ток распространяется по проводам со скоростью света: он «пробегает» в секунду 300 000 км. Но это не значит, что электроны, образующие электрический ток, движутся с такой же скоростью. Электроны в проводах движутся очень медленно. Скорость их движения зависит от величины э.д.с. (электродвижущейся силы), приложенной к концам проводника, и при тех напряжениях, с какими практически приходится иметь дело в электронной технике, она измеряется, как правило, немногими миллиамперами в секунду. Следующий пример поможет уяснить разницу между скоростью движения электронов и скоростью распространения тока, т.е. скоростью распространения электрического поля вдоль проводника.
Представим себе длинную колону солдат. В хвосте этой колоны стоит офицер и дает команду начать движение. Очевидно, команда будет распространятся вдоль колоны со скоростью звука. Ближайшие к офицеру ряды начнут движение практически мгновенно, через секунду начнут двигаться ряды, отстоящие от офицера на 330 м, и т.д. Каждый солдат будет шагать со скоростью 4-6 км в час, но начало движения рядов будет передаваться по колоне со скоростью звука, т.е. около 1200 км в час.
В пространстве с разреженными газами и в вакууме (вакуумные электронные лампы) электроны, не встречая таких препятствий, как в твердых телах, движутся гораздо быстрее, тут их скорость измеряется обычно тысячами и десятками тысяч километров в секунду. Поэтому вакуумная электроника иногда является более перспективной по соотношению с твердотельной. Так усилители звука на радиоэлектронных лампах дают намного большее качество звучания чем их полупроводниковые аналоги.
Различная скорость движения электронов в металлах, полупроводниках, газовой или вакуумной среде объясняется неодинаковым количеством столкновений с молекулами и атомами, которые электрон встречает на своем пути. Естественно, что движение электронов в металле или полупроводнике затруднено, так как им приходится «пробираться» между тесными рядами атомов, образующих пространственную решетку. В газах электроны встречают меньше препятствий на своем пути, так как столкновения с молекулами или атомами происходят гораздо реже и притом реже, чем больше разрежен газ. В вакууме, практически представляющем собой пространство с весьма разреженным газом, испытываемые электронами столкновения чрезвычайно редки и движение электронов происходит наиболее свободно.
