Давайте проделаем такой опыт: соединим наэлектризованные предметы — пластмассовую (—) и стеклянную (4) палочки каким-нибудь проводом или металлическим предметом. При этом электрические заряды сразу же исчезнут с наэлектризованных предметов и они уже не будут притягивать легкие кусочки шелка или бумаги. Произойдет это из-за того, что лишние электроны по проволоке перейдут с пластмассовой палочки на стеклянную и займут там свободные места в атомах, у которых не хватает электронов (лист 6).
Но почему же такой переход зарядов не мог произойти без соединительного провода непосредственно по воздуху? Благодаря каким свойствам металлических предметов по ним свободно двигаются заряды?
По своей способности проводить электрические заряды все вещества делятся на две основные группы — изоляторы и проводники. Проводники — это прежде всего все металлы[2]. Некоторые электроны в проводниках, покинув свои атомы, беспорядочно двигаются в пространстве между неподвижными атомами, многие из которых уже стали положительными ионами. В нашем опыте эти свободные электроны с одного конца проводника будут сразу же «перетянуты» в положительные атомы стеклянной палочки. На место ушедших придут свободные электроны из соседних участков проводника, и этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока на стеклянную палочку проводника не перейдут все лишние электроны с пластмассовой палочки.
Свободные электроны начинают двигаться практически одновременно во всех участках проводника, подобно тому как вода начинает одновременно двигаться во всех участках водопроводной трубы, когда мы открываем кран. Такое упорядоченное, дружное движение свободных зарядов (в частности, электронов) в проводнике под действием электрических сил называется электрическим током (лист 7).
В жидких и газообразных проводниках, в отличие от металлов, положительные ионы очень слабо связаны между собой и могут свободно перемещаться. Поэтому в таких проводниках электрический ток — это не только движение свободных электронов, но и движение свободных положительных зарядов (лист 8). Попутно заметим, что в этом случае положительные заряды и электроны двигаются в разные стороны. Так, например, электроны всегда двигаются к «плюсу», то есть по направлению к телу с положительным зарядом, а положительные ионы двигаются к «минусу».
В изоляторах, их часто называют диэлектриками, свободных электрических зарядов почти нет, поэтому электрического тока в них практически быть не может (лист 9).
Электрический ток, то есть упорядоченно движущиеся заряды, могут выполнять полезную работу, подобно тому как движущийся автомобиль может перевозить грузы, движущийся топор — колоть дрова, движущийся камень — высекать искру. О том, как микроскопические электроны выполняют самую тяжелую работу, заменяя труд миллионов людей, вы узнаете на следующей странице. А до этого нам предстоит решить еще один чрезвычайно важный вопрос: каким образом можно получить ток, который сохранялся бы в проводнике длительное время? Ведь в нашем опыте с наэлектризованными предметами ток существует в проводниках какие-то ничтожные доли секунды — как только заполнятся свободные места в атомах стеклянной палочки, ток прекратится. А такой кратковременный ток — плохой работник: ничего полезного он сделать не успеет.
Для того чтобы ток существовал долго, нужно, чтобы все время сохранялся недостаток электронов на одном из наэлектризованных предметов и избыток — на другом.
Подобная задача сравнительно просто решается в химических источниках тока — аккумуляторах и гальванических элементах. Примером химического источника тока может служить сосуд, наполненный раствором серной кислоты, в который вставлены два электрода — пластинки из цинка и меди. В результате химических реакций с серной кислотой в медном электроде образуется недостаток электронов, а в цинковом — избыток. Поэтому если соединить электроды проводником, то в нем появится электрический ток — свободные электроны будут переходить по проводнику с цинковой пластинки на медную, подобно тому как они переходили с пластмассовой палочки на стеклянную. Разница здесь состоит в том, что ток не прекратится сразу же, как это было в предыдущем опыте.
В результате химических процессов в кислоте электроны будут непрерывно отбираться из медной пластинки и добавляться в цинковую то есть, пока кислота не потеряет своих свойств, медь будет сохранять положительный заряд, а цинк отрицательный, и все это время в проводнике будет электрический ток.
Этот процесс несколько напоминает круговорот воды в природе, когда влага падает на землю в виде дождя и снега и под действием солнечных лучей вновь поднимается в виде испарений. Химические источники тока находят довольно широкое применение на практике. В качестве примера можно привести автомобильный аккумулятор или батарейку карманного фонаря, состоящую из гальванических элементов (листы 10 и 11). Еще более широко распространены такие источники тока, как электрические генераторы. Необходимое накопление электрических зарядов происходит в них за счет использования механических сил, источником которых служат двигатели внутреннего сгорания и паровые или водяные турбины (лист 12).
Существуют устройства, в которых накопление зарядов осуществляется за счет световой, тепловой и атомной энергии. Мы не будем подробно разбирать работу различных электрических генераторов, а лучше вернемся к вопросу о том, как выполняют полезную работу электроны, движущиеся по проводнику. Для примера рассмотрим обычный карманный фонарик. В нем имеется электрическая цепь, состоящая из источника тока — батарейки, коротких соединительных проводов (их роль может выполнять металлический корпус фонаря или полоски белой жести), лампочки и простейшего выключателя.
Для всех элементов электротехнических и радиотехнических устройств: аккумуляторов, электродвигателей, переключателей, лампочек, радиоламп, громкоговорителей, соединительных проводов и т. п. (листы 10, 12, 13, 18, 21, 24, 37, 44, 45, 58, 60, 67, 68, 84, 92, 93, 94, 95, 103, 104, 116, 184–219), имеются условные обозначения, с помощью которых можно выполнить сравнительно простой рисунок — так называемую принципиальную схему. Схема даст полное представление об электрических цепях рассматриваемого устройства. На схеме часто делают сокращенные обозначения, которые указывают порядковый номер того или иного элемента цепи. Например, если в цепи имеются две лампочки, то на схеме они обозначаются Л1 и Л2.
Примером простейшей схемы может служить изображенная на рисунке 6 схема карманного фонаря. Если замкнуть выключатель Вк1, то в цепи карманного фонаря появится ток и лампочка Л1 засветится. Свечение лампочки объясняется тем, что ее нить оказывает большое сопротивление движущимся зарядам. Дело в том, что заряды не двигаются по Проводнику беспрепятственно: то и дело они ударяются о встречные атомы или сталкиваются между собой. Из-за всех этих ударов и столкновений часть энергии движущихся зарядов превращается в тепло, подобно тому как превращается в тепло часть энергии молота, ударившего по наковальне (рис. 6).
Рис. 6. Движущиеся в электрической цепи заряды ударяются о неподвижные атомы проводника, благодаря чему проводник, по которому течет ток, например нить лампочки, нагревается.
Способность какого-либо участка электрической цепи препятствовать движению зарядов называется электрическим сопротивлением. Сопротивление нити лампочки довольно велико, а диаметр этой нити очень мал. Поэтому нить отбирает у тока много энергии и в то же время плохо излучает тепло. Нагревшись до высокой температуры, нить лампочки начинает светиться. Таким образом и преобразуется энергия движущихся зарядов, то есть энергия электрического тока, в свет и тепло. Само собой разумеется, что сопротивление соединительных проводов должно быть как можно меньше, чтобы они не отбирали энергию у движущихся зарядов.
На первый взгляд может показаться странным, как это движущийся электрон, обладающий ничтожной массой, нагревает до высокой температуры нить лампочки или спираль электроплитки. Конечно, если бы речь шла об одном электроне, то эти сомнения были бы оправданы. Действительно, энергия одного электрона настолько мала, что ее не стоит и учитывать. Но ведь по нити лампочки или по спирали плитки одновременно движется очень много электронов. Настолько много, что их количество может выражаться числом, у которого после единицы стоят десятки нулей! И хоть мал работник — электрон, а с такой огромной армией уже не считаться нельзя — она может проделать весьма значительную работу.