Каждый из нас бывал в кино. Ещё совсем недавно, 20–25 лет назад, его называли «Великим немым». В кинотеатре показывали лишь живые картины с пояснительными надписями. Но вот «Великий немой» заговорил: в кино зазвучали самые различные звуки — шум битвы и шорох ветвей, разговор и песня.
Какой же аппарат озвучил немое кино?
Посмотрите на рисунок 1. Вы видите совсем небольшой и очень простой с виду прибор. Это — маленькая электрическая машина. Она называется фотоэлементом.
Рис. 1. Внешний вид современного фотоэлемента.
Лишь с изобретением этого прибора стало возможным озвучить немое кино.
Он является одной из основных частей звукового киноаппарата.
Не только в кино применяется фотоэлемент. Он используется в современной жизни очень широко, а возможности применения фотоэлемента просто неограниченны.
Передача изображений по телеграфным проводам и с помощью радиоволн, автоматические включения и выключения различных машин и приборов, контроль качества изделий, точнейшие световые измерения — всё это осуществляется при помощи фотоэлементов.
Электрический ток в фотоэлементе возникает под действием света. Этот прибор работает лишь тогда, когда на него падает свет. Поэтому фотоэлемент часто называют «электрическим глазом». «Электрический глаз» безошибочно считает, бракует, предупреждает несчастные случаи, верно несёт пожарную и сторожевую службу. Более того, «электрический глаз» прекрасно «видит» в темноте на расстоянии в сотни метров в тех случаях, когда человек не разбирает очертаний предметов и в двух шагах!
Как устроен замечательный прибор — фотоэлемент, каким образом в нём рождается электрический ток, каковы разновидности «электрических глаз», где и как они применяются в жизни — обо всём этом и рассказывается в нашей книжке.
В конце прошлого века, в 1888 году, профессор физики Московского университета Александр Григорьевич Столетов проводил очень интересные опыты. Он наблюдал рождение электрического тока под действием света!
Вот как ставились эти опыты.
Два небольших диска — сплошная металлическая пластинка и тонкая металлическая сетка — закреплялись вертикально друг против друга. Диски соединялись между собой проволокой, которая, в свою очередь, была последовательно соединена с электрической батареей и чувствительным прибором для измерения слабых электрических токов — гальванометром (рис. 2).
Рис. 2. Опыт А. Г. Столетова (следует иметь в виду, что все приборы изображены на рисунке условно, схематически).
Таким образом, получалась так называемая электрическая цепь, состоящая из 1-го диска, электрической батареи, гальванометра, 2-го диска и соединяющих их проволок. Так как эта цепь была разомкнута — между дисками находился воздушный промежуток, — то естественно, что электрического тока в ней не наблюдалось, хотя в цепь и была включена электрическая батарея. Но вот странное дело: стоило лишь направить на металлическую пластинку сильный свет от электрической дуги, как гальванометр тотчас отмечал появление в цепи электрического тока!
В чём тут было дело?
Выходило, что свет как бы переносил электрические заряды с диска на диск — с пластинки на сетку.
Столетов брал для своих опытов диски из самых различных металлов: алюминиевые, медные, цинковые, серебряные, никелевые; и во всех случаях он наблюдал, как под действием света от электрической дуги в цепи его опытной установки возникал электрический ток… если только освещаемая металлическая пластинка была соединена с отрицательным полюсом батареи.
Если же поменять местами полюсы батареи, т. е. пластинку соединить с положительным полюсом батареи, а сетку — с отрицательным, ток в цепи не появляется, из какого бы металла не были сделаны диски.
Заинтересованный этим необычным физическим явлением, Столетов ставит всё новые и новые опыты.
Он устанавливает, что действие света на диски практически мгновенно: достаточно осветить пластинку на 1/150 долю секунды, как гальванометр уже отмечает возникший электрический ток.
Он пробует освещать диски светом от различных источников: светом электрической дуги, бензиновой горелки, светом солнца. И приходит к выводу, что лучше всего действуют лучи электрической дуги.
Наконец, Столетов проводит ещё более интересный опыт. Он удаляет из своей установки электрическую батарею и освещает совершенно незаряженные пластинки.
И в этом случае в цепи возникает электрический ток!
Сплошная металлическая пластинка заряжается при этом положительным электричеством.
Свет рождал электричество!
Это явление, впервые подробно изученное великим русским учёным А. Г. Столетовым, было названо фотоэлектрическим эффектом (латинское слово «эффект» означает «влияние», «действие», а «фотос» по-гречески — «свет»).
Фотоэлектрический эффект — действие света на электрические заряды тел — и лежит в основе того замечательного прибора — фотоэлемента, о котором рассказывается в нашей книжке.
В чём причина фотоэлектрического эффекта? Почему и каким образом в электрической цепи возникает ток, когда на металлическую пластинку падает луч света?
Чтобы хорошо всё это понять, вспомним, что происходит, когда тела наэлектризовываются.
Вы знаете, конечно, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших невидимых частиц — атомов. Число различных видов этих частиц невелико. Но они могут соединяться друг с другом в самых разнообразных комбинациях, образуя устойчивые группы — молекулы. Этим и объясняется то, что из небольшого количества различных видов атомов построен необычайно разнообразный мир окружающих нас тел.
Размеры отдельных атомов необычайно малы — они не превышают нескольких стомиллионных долей сантиметра. Понятно поэтому, что число частиц — атомов или молекул — в каждом куске вещества, с которым нам обычно приходится иметь дело, чрезвычайно велико. Вот, например, сколько молекул содержится в одной капле воды, считая по 20 капель в кубическом сантиметре: 1 600 000 000 000 000 000 000.
Это — тысяча шестьсот миллиардов раз по миллиарду частиц!
Судите сами, насколько мала масса каждой отдельной молекулы, каждого отдельного атома.
Несмотря на такие ничтожно малые размеры атомов и молекул, теперь об этих невидимых частичках известно очень многое. Учёные нашли, чему равна их масса, т. е. сумели определить вес отдельных атомов, подробно изучили многие свойства различных атомов и молекул.
А за последние пятьдесят лет физики установили, что атомы — это сложно устроенные миры.
Вот как построен атом. В центре атома находится электрически положительно заряженное ядро. Размеры этого ядра примерно в 100 000 раз меньше размеров самого атома. Величина заряда и масса атомного ядра различны у различных атомов. Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электрические частички — электроны. Они образуют так называемую электронную оболочку атома. Электроны представляют собой своего рода «атомы отрицательного электричества»: эти мельчайшие частички вещества несут с собой мельчайший отрицательный электрический заряд. Заряды всех электронов одинаковы.
Число электронов у различных атомов также различно. Например, в атоме водорода имеется только один электрон, в атоме гелия — два, кислорода — восемь и т. д.
Суммарный заряд электронов равен заряду ядра. Таким образом, любой атом в нормальном своём состоянии электрически нейтрален — заряды противоположных знаков нейтрализуют друг друга.
Мы не будем в этой книжке говорить о том, как устроено атомное ядро и какие силы связывают ядро атома и его оболочку. Об этом подробно рассказывается в других книжках. Чтобы понять сущность фотоэлектрического явления, нам достаточно и этих кратких сведений об атоме.
А теперь, вспомнив, как устроен атом, нетрудно разобраться и в том, как осуществляется электризация тел.
При электризации тел всегда производится разделение положительного и отрицательного зарядов. Как это может происходить? Очевидно, что для этого необходимо из электронных оболочек атомов одного тела «изъять» каким-либо путём по одному или по несколько электронов и «пересадить» эти электроны в электронные оболочки атомов другого тела.
Что получится в этом случае? Атомы, у которых будут «изъяты» один или несколько электронов, уже не будут нейтральными. Положительный заряд их ядра будет больше, чем общий отрицательный заряд электронной оболочки. Стало быть и атом в целом будет положительно заряженным. Такая частица называется положительным ионом. И вот, если число положительных ионов в теле достаточно велико, то и всё тело в целом будет заряженным положительно.
И напротив, атомы с лишними, «чужими» электронами имеют отрицательный заряд. Они называются отрицательными ионами. Когда таких отрицательных ионов в теле много, оно в целом заряжено отрицательно.