Проклятые вопросы - [22]

И вновь прошли века. И наступил век электричества. И из белой глины начали делать изоляторы, чтобы крепить на них электрические провода. И в обиход вошло новое слово — керамика.

Керамика — обобщённое название разнообразных материалов, изготовляемых из природных окислов металлов или их смесей путём формования и последующего обжига. Обжиг придаёт керамике прочность. Если изделие из керамики разбить, то скол будет иметь характерную мелкокристаллическую структуру.

До того как человечество вступило в эру пластмасс, керамика была лучшим из диэлектриков, материалов, обладающих большим сопротивлением электрическому току, наиболее надёжным изолятором, практически не пропускающим сквозь себя электрический ток.

Возникла целая наука, позволившая сделать хрупкую керамику ударопрочной.

Ещё позже твёрдость и жаропрочность керамики, способной выдерживать механические нагрузки и удары, сделали её одним из лучших конструктивных материалов, вытесняющих металл в двигателях внутреннего сгорания, в турбинах, в космической технике.

В начале семидесятых годов керамики преподнесли учёным новый сюрприз. Обнаружились керамики — плохие изоляторы, а затем и керамики, способные проводить электрический ток. Металлические керамики!

Объединились два свойства, казавшиеся несоединимыми! Эти керамики не имеют ничего общего с металлокерамикой, материалом, который изготавливается из металлического порошка путём прессования при высокой температуре. Новые, электропроводящие керамики получают обжигом порошков, приготовленных из комбинации некоторых окислов, каждый из которых является диэлектриком.

Общеизвестно, что лучшими проводниками электрического тока являются чистые металлы — серебро, медь, алюминий.

Классическая физика объясняла электропроводность металла тем, что электроны, входящие в состав атомов металлов, разделяются на две части. Большая часть прочно связана с атомами и не может перемещаться внутри металла. Остальные электроны способны свободно перемещаться внутри атома металла. Их назвали электронами проводимости. Они образуют внутри металла своеобразный электронный газ. Под действием электрического напряжения, приложенного к металлу, электронный газ перемещается от отрицательного полюса к положительному. При этом электроны проводимости обтекают атомы металла, соударяются с ними, затрачивая на это часть своей энергии. Так возникает сопротивление электрическому току.

В веществах, не проводящих электрический ток (в диэлектриках), все электроны прочно связаны с атомами вещества и не могут перемещаться внутри него. Атомы в твёрдом теле способны лишь колебаться, каждый относительно своего положения равновесия. Электроны, входящие в состав атомов диэлектрика, участвуют в этих колебаниях, не покидая своего атома. Эта простая картина, наглядно объясняющая свойства проводников электрического тока и изоляторов — металлов и диэлектриков, не могла описать того, что диэлектрики в некоторых случаях (например, при нагревании) начинают проводить электрический ток. Положение ещё более усложнилось, когда было открыто существование материалов, не входящих ни в класс металлов, ни в класс диэлектриков. Их назвали полупроводниками.

Классическая физика должна была прибегать к искусственным предположениям лишь для того, чтобы объяснить, почему эти вещества при охлаждении становятся диэлектриками, а по мере повышения температуры приобретают способность проводить электрический ток. Но дальнейший нагрев не превращал их в металлы.

Позже пришлось признать, что существуют вещества, не превращающиеся в диэлектрики даже при приближении температуры к абсолютному нулю. Но они и при нагревании не приобретали присущей металлам способности хорошо проводить электрический ток. Их назвали полуметаллами, но никакой ясности не возникло.

Распутать этот клубок, в котором сплелись многие нити, смогла лишь квантовая физика. Она показала, что внутри вещества электроны могут обладать весьма различной энергией. Если они обладают малой энергией, то прочно связаны с атомами. Нужно придать им большую дополнительную энергию, чтобы оторвать от атомов и сообщить способность мигрировать внутри вещества. Такие вещества не проводят электрический ток. Они также плохо передают тепло. Это диэлектрики.

В этом крайнем случае квантовая теория даёт то же самое, что и классическая теория, добавляя лишь менее существенные детали поведения вещества и позволяя разобраться в том, как это поведение зависит от внешних воздействий.

В другом крайнем случае, в металлах, электроны разделены на две части. Большинство из них обладает малой энергией, и они тесно связаны с атомами. Остальные обладают сравнительно большой энергией. Такой, что напряжение слабенькой батареи легко отрывает их от «родного» атома, и они свободно переходят от одного атома к другому, несмотря на то что энергия электрона меньше, чем энергия, связывающая его с ближайшим атомом. Это электроны проводимости, участвующие в передаче электрического тока. Эти же электроны участвуют в передаче тепла, обеспечивая металлам большую теплопроводность.

Новая картина близка к представлению классической физики о свободном электронном газе, но позволяет более подробно описать процесс взаимодействия электронов проводимости с атомами металла.