На вопрос что такое вакуум? обычно отвечают; пространство с разреженным воздухом или пространство внутри сосуда, из которого выкачан воздух .

Можно ли удовлетвориться подобными ответами? Всякую ли степень разрежения можно назвать вакуумом н находится ли степень вакуума в какой-либо связи с атмосферным давлением?

Действительно, предположим, что в баллоне воздух разрежен в 10 ООО раз по сравнению с плотностью его при нормальном атмосферном давлении, т. е. давление внутри баллона равно 0,076 мм рт. ст.

Будет ли в баллоне вакуум? И можем ли мы продолжать считать, что в баллоне вакуум, если этот баллон поднят на высоту 100 км над поверхностью земли, где давление воздуха составляет всего 0,007 мм рт. ст.? Ведь в этом случае плотность воздуха внутри баллона станет в 10 раз больше, чем снаружи. Если баллон непрочен, то его разорвет, как бомбу. Где же будет вакуум - внутри баллона или снаружи?

Современная физика связывает понятие вакуума не с величиной давления вне или внутри сосуда, а с длиной свободного пробега молекул газа внутри него. Молекулы газов находятся в беспрерывном хаотическом тепловом движении, достигающем больших скоростей: при комнатной температуре скорость теплового движения молекул воздуха равна примерно 450 м/сек, т. е. приближается к скорости пули. Двигаясь во всех направлениях, молекулы постоянно сталкиваются друг с другом. Чем плотнее воздух, тем больше молекул заключается в единице объема и тем чаще молекулы сталкиваются.

Если воздух разредить, то молекулы будут сталкиваться менее часто. В среднем им придется пролетать больший путь между двумя столкновениями, который и называется длиной свободного пробега.

Вакуумом с физической точки зрения считается такое разрежение, при котором длина свободного пробега в среднем больше размеров сосуда. В этом случае столкновения молекул будут редкими, большая часть молекул в своем движении от одной стенки сосуда до другой не встретится с другими молекулами.

При разрежении в миллион раз (прн давлении порядка 0,001 мм) средняя длина свободного пробега молекулы воздуха равна 10 см. Так как размеры баллона обычных' приемно-усилительных ламп меньше 10 см, с точки зрения физики пространство внутри этих ламп уже прн подобном разрежении можно считать вакуумом.

Но для хорошей работы лампы такая степень вакуума недостаточна. Электроны, в огромном количестве летящие от катода лампы к ее аноду, будут все же встречать на своем пути довольно много молекул воздуха, столкновения электронов с ними будут частыми. В результате этих столкновений молекулы воздуха ионизируются, анодный ток резко возрастает, положительные ионы оседают на отрицательно заряженной сетке, изменяют ее заряд, а следовательно, и характер работы лампы. В приемниках и усилителях это, в частности, приводит к сильным искажениям. Поэтому в радиолампах добиваются

значительно большего разрежения, доходящего обычно до 10 мм (0,0000001 мм), т. е. давление понижается примерно в 10 млрд. раз по сравнению с нормальным атмосферным давлением. При таком разрежении длина свободного пробега молекул измеряется километрами и на пути от катода к аноду примерно лишь один электрон из миллиона может встретиться с молекулой воздуха. Столь редкие столкновения не отражаются вредно на работе лампы.

При таком огромном разрежении, какое достигается в радиолампе, в ней остается примерно одна десятимил-лиардняя часть того количества воздуха, которое было до откачки.

Такое уменьшение колоссально!

Если бы расстояние от Земли до Солнца уменьшилось в 10 млрд. раз, то Землю и Солнце разделяли бы всего 15 м - ширина среднего размера улицы. Земля, уменьшенная в такое число раз, превратилась бы в крупинку диаметром около миллиметра.

И все-таки при подобном разрежении в баллоне электронной лампы обычных размеров, например 6КЗ, остается еще 40 10 (40 триллионов) молекул.

Это число огромно. Самые мелкие маковые зернышки имеют в диаметре около 0,5 мм. Разместив их правильными рядами, мы сможем уложить в 1 мм восемь зернышек. Какой же объем займут 40 триллионов таких зернышек?

Несложный подсчет покажет, что для хранения подобного количества маковых зернышек потребуется по.мещение емкостью 5 ООО м^, т. е. куб со стороной около 17 м.

Но молекулы настолько малы, что для размещения их в количестве даже десятков триллионов нужен совсем микроскопический объем. Диаметр молекулы газа в среднем равен 1 10 мм - одной миллионной миллиметра. Если те 40 триллионов молекул, которые остались в баллоне лампы, уложить плотно одну к другой, то они займут объем всего лишь 4 10 мм. Этот объем в 250 млн. раз меньше объема баллона лампы. При равномерном размещении внутри баллона лампы всех оставшихся в ней после откачки молекул в каждом кубическом миллиметре окажется около 80 ООО молекул.

Это число тоже очень велико, но чтобы составить себе правильное представление о том, на каком расстоянии

молекулы будут находиться друг от друга, надо перевести все величины в привычные нам масштабы.

При равномерном распределении 80 ООО молекул в 1 мм они будут находиться друг от друга на расстоянии примерно 0,02 мм. Это расстояние в 20 ООО раз больше диаметра молекулы. Перейдем к астрономическим масштабам. Земля удалена от Луны на расстояние, примерно в 25 раз превышающее диаметр Земли. Округляя, можно считать расстояние между Землей и Луной в 1 ООО раз меньше, чем между молекулами в баллоне лампы. Чтобы еще лучше представить это себе, вернемся к маковым зернышкам. Два мельчайших маковых зернышка, разнесенных на расстояние, в 20 ООО раз превышающее их диаметр,

будут отстоять друг от друга на 10 м. Переходя на бытовые масштабы, можно сказать, что два маковых зернышка в комнате площадью 50 м' - вот густота мо; лекул в электронной лампе.

Естественно, что электроны, летящие от катода к аноду, почти не встречают на своем пути молекул воздуха; такие встречи возможны лишь в виде редких исключений.

электронов

Блеснула молния, через несколько секунд раздался удар грома. Нас не удивляет то, что эти явления мы восприняли разновременно. Мы знаем, что звук распростра-

няется не очень быстро и на преодоление даже небольших расстояний ему требуется время, явственно различаемое нашими органами чувств.

Охотник стреляет в летящую утку. Он целится не в нее, а в пространство перед нею. Нас это тоже не удивляет. Дробь летит с ограниченной скоростью и если прицел был правилен, то за то время, пока дробь долетит до намеченной точки пространства, утка прилетит туда же и будет сражена.

Таких примеров можно набрать много. Во всевозможных областях нашей деятельности нам приходится считаться с тем, что различные процессы протекают не мгновенно, на них требуется какое-то время, которое необходимо учитывать.

И вот только в том, что относится к свету и электричеству, мы считаем себя свободными от этой необходимости. Мы уверены в том, что стоит повернуть выключатель или нажать кнопку, как электрический ток мгновенно промчится по проводам и приведет в действие лампу, двигатель или какое-нибудь иное устройство, причем длина проводов не играет в данном случае никакой роли.

Так ли это?

При всем уважении и любви к электричеству приходится сознаться в том, что это не так. Электрический ток распространяется не мгновенно и его практически нельзя приравнивать в этом отношении к свету. Кроме того, надо внести ясность в само название электрический ток .

Электрический ток по своей физической сущности является движущн.мися электрическими зарядами - в большинстве случаев электронами. Движущийся электрон - это электрический' ток. Но электрон не начинает двигаться сам по себе, ни с того ни с сего. Для этого на электрон должна воздействовать определенная причина. Причины могут быть различными, в то.м числе механическими (удар какой-нибудь частицы). В тех случаях, которые нас больше интересуют, электрон в основном приходит в движение под воздействием электрического нли магнитного поля. Но движение носителей тока - электронов происходит очень медленно.

Что делается внутри провода? В образовании электрического тока принимают участие свободные электроны, содержащиеся в проводниках в огромном количестве (число свободных электронов примерно равно числу атомов). Эти 28

электроны не остаются неподвижными, если в проводнике нет тока. Они находятся в постоянном хаотическом тепловом движении. Но не следует думать, что электроны движутся в металле легко и свободно. Их движение затруднено. Электроны испытывают непрестанные столкновения как друг с другом, так и с атомами и в результате этих столкновений изменяется направление движения электронов, уменьшается или увеличивается их скорость, а зачастую элек- , троны отскакивают в обратном направлении.

Фактически тепловая скорость движения электронов в проводах составляет в среднем всего лишь несколько десятков километров в секунду. Почти никакого электрического действия тепловое движение электронов не производит, хотя всякое движение электронов представляет собой электрический ток. Объясняется это хаотическим характером теплового движения: любому числу электронов, движущихся в каком-нибудь направлении и с какой-то скоростью, всегда соответствует в среднем такое же количество электронов, движущихся в противоположном направлении с той же скоростью. Они не производят никакого электрического действия, так как создаваемые ими поля противоположны и взаимно гасятся.

При воздействии на электроны постороннего электрического поля, кроме такого хаотического движения, возникает еще и упорядоченное движение электронов в одну сторону, определяемую знаком поля. Это не означает, что все свободные электроны при наличии поля начинают двигаться в одну сторону. Скорость, которую приобретают электроны под действием поля, сравнительно невелика, но она складывается со скоростью теплового движения. Это значит, что электроны, двигавшиеся в направлении действия поля, увеличат свою скорость, а движение электронов в обратном направлении замедлится. Те из них, скорость которых была мала, меньше скорости, сообщаемой полем, изменят направление движения и начнут перемещаться в сторону действия поля. В итоге через любое сечение проводника за секунду будет проходить больше электронов в направлении действия поля, чем в обратном направлении. Чем сильнее электрическое поле - чем больше действующее в цепи напряжение, тем больше эта разница и тем сильнее электрический ток, величина которого определяется числом электронов, протекающих за единицу времени через поперечное сечение проводника.