Электрический ток
Трибуны легкоатлетического стадиона затихли в ожидании. Через секунду прозвучит выстрел судейского пистолета, и длинноногие жилистые бегуны синхронно сорвутся с мест. Движимые волей к победе, все они помчатся в одном направлении — к финишу, перепрыгивая барьеры и затрачивая энергию. Похожий процесс происходит в спрятанных в стенах дома проводах, когда вы щелкаете выключателем светильника.
По замкнутой траектории под действием внешней силы начинается упорядоченное движение «бегунов» — крошечных частиц, обладающих электрическим зарядом. Наткнувшись на прибор, то есть полезную нагрузку, частицы отдают ему электрическую энергию. Так, например, заряжается аккумулятор смартфона.
Что такое электрическая энергия
От профессионального бегуна любой из нас отличается скоростью передвижения, процентом мышечной массы и выносливостью. Элементарные частицы: протоны, электроны и нейтроны, из которых построены все окружающие нас предметы и мы сами, тоже характеризуются определенными параметрами. У всех частиц одного вида они одинаковые, например, масса любого электрона в мире — 9,1*10-31 килограмма (или 0,0000000000000000000000000000091 килограмма).
От массы зависит, как сильно две крошечные частицы или два крупных объекта будут притягиваться друг к другу. Чем больше масса, тем сильнее гравитационное поле вокруг частиц или состоящего из них объекта и больше сила притяжения. Солнце обладает гигантской массой (1030 килограммов или 10 с тридцатью нолями) и удерживает вокруг себя восемь планет, пояс астероидов и кометы.
Еще один параметр элементарных частиц — электрический заряд. Частица, обладающая им, создает вокруг себя электрическое поле. Другие заряды, попадая в это поле, начинают двигаться, но не всегда — к частице. В отличие от массы, создающей гравитационное поле, которое всегда притягивает другие частицы, электрический заряд бывает двух видов. Для удобства их обозначают знаками «плюс» и «минус». Одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются, как Солнце и планеты.
Если силой «оттащить» притягивающиеся разноименные заряды друг от друга, они «накопят» электрическую энергию, как предметы копят гравитационную на большом расстоянии. Поднимая камень на большую высоту, мы придаем ему потенциальную энергию. Чем выше, тем энергия больше. Когда пальцы отпускают камень, он падает и ускоряется из-за гравитации Земли. Энергию, которая при этом высвободилась, мы можем ощутить на себе, если вовремя не уберем ногу. Если сила, разделяющая электрические заряды, прекратит действовать, они, подобно камням, падающим на землю, тут же устремятся навстречу друг другу, высвобождая накопленную электрическую энергию. Она и приводит в действие всю технику вокруг нас.
Как возникает и из чего состоит электрический ток
Электростатическое притяжение между отрицательно заряженным электроном и положительным протонам в 2,3*1039 раз сильнее гравитационного. Поэтому в природе разноименные заряды в атомах очень хорошо «перемешаны» друг с другом и всегда стремятся перемешаться еще лучше, ведь их сближение высвобождает электрическую энергию.
Смешение зарядов начинается на уровне атомов: в них число положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов обычно одинаковое. Атомы не создают собственное электрическое поле, хотя внутри них — между положительно заряженным ядром, состоящим из протонов, и электронными оболочками — поле очень сильное.
Электроны на внешних оболочках связаны с ядрами слабее, чем электроны на внутренних, и обладают условной «свободой», как сторожевые собаки на длинной цепи. При встрече нескольких атомов их внешние электроны могут перейти в «коллективное пользование» и объединить атомы друг с другом — образовать химическую связь. Так из атомов образуются молекулы. В металлах внешние электроны настолько свободны, что не принадлежат ни одному из атомов. Своим притяжением к положительно заряженным ядрам они связывают все атомы куска металла воедино, но могут свободно «гулять без поводка» по всему его объему. Поэтому из металлов и делают электрические провода.
В состоянии покоя электроны просто «носятся» внутри металла туда-сюда, участвуя в таком же хаотичном движении, как молекулы газа в воздухе. Но стоит электронам в металле «почувствовать» внешнюю силу — электрическое поле от источника электродвижущей силы, — все они начинают смещаться туда, куда их влечет это воздействие. Электрический ток — это направленное движение электронов и других носителей заряда в замкнутом контуре. Характеристики электрической цепи включают напряжение, сопротивление и силу тока.
