Электрический ток: что это. Где он возникает, каким бывает и как рассчитывается?
Электрический ток – это направленное движение частиц - носителей электрического заряда. Каждый помнит это еще со школьных уроков. Но вот куда они движутся, зачем, почему? Разумеется, большинство наших читателей прекрасно это знает.
Однако в наше время у каждого неизбежно возникает необходимость объяснять, казалось бы, простые вещи другим – и в особенности детям. Про тот же электрический ток им расскажут только в восьмом классе. Но гораздо раньше в жизни малышей появляются фонарики, машинки на батарейках, неизбежные гаджеты, и это не говоря уж о розетках, в которые нежелательно засовывать металлические предметы и маленькие пальцы. Эйнштейн говорил: «Того, что вы не можете объяснить шестилетнему ребенку, вы сами не понимаете». Давайте же вместе докажем детям и самим себе, что мы не зря ходили в школу!
Что означает слово «электрический»
На это вопрос есть точнейший ответ. Оно значит «янтарный». Красавицы античной Греции далеко не первыми заметили, что если расчесаться янтарным гребнем, начнется потрескивание, волосы будут отталкиваться друг от друга и выглядеть более объемными. Секрет в том, что волосы забирают с поверхности янтаря множество мельчайших отрицательно заряженных частиц и сами становятся носителями отрицательного заряда. Они начинают отталкиваться друг от друга, а янтарный гребень – оставшись без отрицательных частиц – начинает их отовсюду притягивать: поэтому к нему липнут нитки, пылинки, бумажки.
В древней Греции слово ἤλεκτρον – то есть «электрон», и означало «янтарь». Для древнего грека большой ценностью был «электрон» с мухой внутри. А для нас электрон, без кавычек – это нечто гораздо более ценное.
Что заставляет частицы двигаться
Если каждый из нас потрет янтарную или пластмассовую палочку, она приобретет электрический заряд. И если мы все вместе понесем эти палочки в одном направлении, то… их движение не станет электрическим током. Почему? Потому что для настоящего тока частицы должны двигаться сами, под воздействием электрического поля. Отрицательные побегут к положительному полюсу, положительные – наоборот. В физике притягиваются противоположности. Впрочем, не только в физике.
Формула электрического тока, его характеристики и единицы его измерения
Может ли электроток сразу весь вытечь? Может. Вы это видели неоднократно, во время грозы. Влажный воздух плохой проводник – но все же проводник. Ба-бах! – и весь ток взял, да и вытек. Яркая вспышка, шума много, но лампочку так не зажжешь, и моторчик крутиться не заставишь. Чтобы полезное движение электронов не прекращалось, нужно удерживать разницу между полюсами. Нужно сохранять разность электрических потенциалов.
По-другому разность потенциалов еще называют… – уже забыли? – электрическим напряжением. Поле напрягается, заставляет двигаться частицы. Когда бегут частицы быстрее и в большем количестве? Когда поле сильнее, а напряжение – выше. Это просто, прямая пропорция (прямая пропорция – это когда помогают, а значит – можно умножать). Но на пути у частиц всегда что-нибудь есть и мешает движению. Чем больше перед ними помех – тем меньше становится скорость частиц, с которой они бегут и меньшее их количество преодолевает выбранный нами для измерения участок электрической цепи. Тут уже пропорция будет обратной (это когда мешают – и приходится делить). Что мы только что сказали простыми словами? «Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению». То есть: I=U/R, где I – сила тока, U – напряжение, R –сопротивление. Прошу любить и жаловать, это Закон Ома для участка цепи! Силу тока I измеряют в Амперах (A) в честь физика Андре-Мари Ампера, напряжение U в Вольтах, в честь итальянского физика Алессандро Джузеппе Анастазио Вольты, а сопротивление – в честь Георга Симона Ома. Да озарит сияние электрического света эти прекрасные имена!
А нам нужно создать электрическое напряжение и проложить для электрического тока стабильную регулируемую дорогу. То есть - нужен проводник!
Проводники – плохие и хорошие
По легенде, в Массачусетском технологическом институте родился анекдот про ужасного злодея, который устроился на железную дорогу проводником (по-английски «проводник» – conductor) и ограбил целый поезд. Его усадили на электрический стул, но сразу после казни он встал, отряхнулся и со злобной улыбкой прорычал: «Не выйдет! Я самый ужасный проводник!»
Увы, человеческое тело – тоже проводник, хотя и с большим сопротивлением. Поэтому электроток наносит ему такой тяжкий вред. Нам, с нашими гуманными и мирными целями, понадобится проводник хороший, то есть нечто, где есть много заряженных частиц, чтобы привести их в движение. Так что идем за металлом. В каждом металле содержится «электронный газ». Не волнуйтесь, он не пахнет и не взрывается, и это вообще не газ. Так называют банды электронов, которых много и им лишь бы куда-нибудь нестись.
Вспомним планетарную модель атома по Нильсу Бору, там в середине – положительно заряженное ядро, а вокруг летают электроны, с отрицательным зарядом, как планеты вокруг Солнца. Часть из них летает совсем близко к ядру, и ведет себя послушно, никуда не убегая. Но в структуре металла те электроны, что подальше от ядра, не слушаются его. Они могут убежать на соседний атом, или на следующий, причем без всякого порядка, хаотически. Атомы с этим смирились – в конце концов, один убежит, прибежит другой. Такой же отрицательный тип – но без них ведь тоже нельзя.
Вольница эта заканчивается, если вдруг наш металл оказывается в замкнутой электрической цепи. Электрическое поле отдает электронам жесткую команду – всем бежать строго в положительном направлении! А с электрическим полем не забалуешь.