Много условных обозначений вы встретите дальше, в частности, на рисунках 7, 13, 19, 21, 24 и др.
* * *
Если в стакан кипятку бросить кусок льда, то произойдет своего рода нейтрализация, в стакане не останется ни льда, ни кипятку. Они превратятся в обычную воду комнатной температуры. Подобно этому нейтрализуют друг друга одинаковые положительный и отрицательный электрические заряды.
Если каким-то образом объединить электрон (—) и протон (+), то полученный «гибрид» вообще не будет обладать электрическим зарядом. Разумеется, наше сравнение весьма условно. В частности, никаким разделением воды на две части нельзя вновь получить лед и кипяток, в то время как электрический заряд — свойство неисчезающее.
В нормальных атомах вокруг ядра «бегает» столько же электронов, сколько протонов в этом ядре, а поэтому число единичных положительных и отрицательных зарядов одинаково. Такие атомы, так же, как и состоящие из них вещества, нейтральны, то есть в целом не обладают электрическими свойствами. Но стоит только убрать с орбиты один-два электрона, как равновесие нарушится и весь атом в целом получит положительный заряд.
При этом, конечно, появится положительный электрический заряд и у вещества, состоящего из таких наэлектризованных атомов. Натирая куском шерсти гребенку, мы просто вырываем из ее атомов электроны, которые сразу же переходят на шерсть. Оба предмета электризуются: гребенка приобретает положительный заряд, шерсть — отрицательный.
Простейшие опыты показывают, что обладающие электрическим зарядом тела и частицы — их для краткости называют просто электрическими зарядами — взаимодействуют друг с другом. Одноименные заряды (+ и + или — и —) отталкиваются, а разноименные (+ и —) притягиваются (рис. 1, а). Естественно, притягиваясь или отталкиваясь, заряды могут передвигаться в пространстве.
Во время движения электрический заряд приобретает еще одно замечательное свойство, которое называют намагниченностью, или магнетизмом (рис. 1, б). Под действием магнитных свойств тела и частицы тоже взаимодействуют друг с другом — притягиваются либо отталкиваются подобно электрическим зарядам. Пример: два движущихся электрона будут отталкиваться под действием электрических зарядов, но одновременно могут притягиваться под действием магнитных сил.
Рис. 1
Где бы вы ни встречали магнитные свойства — в стрелке компаса, электромоторе или, наконец, на полюсах нашей планеты, — знайте, что эти свойства всегда являются следствием тех или иных движений электрических зарядов. С другой стороны, перемещая относительно магнита нейтральное в электрическом отношении тело, например кусок провода, можно вызвать его электризацию (стр. 34). Все это говорит о том, что электрические и магнитные явления тесно связаны друг с другом и являются различными проявлениями единой электромагнитной формы существования материи.
Вспомнив «азы» электротехники, мы можем переходить к более конкретным вещам. Сейчас разговор пойдет о работающих зарядах.
Работа всегда связана с движением — мощные потоки воды вращают рабочее колесо гидротурбины, выбрасываемые ракетным двигателем газы выталкивают на орбиту многотонный космический корабль, удар камня о камень высекает искру.
А нельзя ли заставить движущиеся электрические заряды выполнять полезную работу? Конечно, можно! Удобнее всего это сделать в так называемой электрической цепи, примером которой может служить обычный карманный фонарик (рис. 2).
Рис. 2
Любая электрическая цепь содержит нагрузку, соединительные провода и генератор или, как его еще называют, источник тока. Основной процесс в генераторе — это осуществляемая тем или иным способом электризация. В батарейке, например, электризуются два рабочих тела, два электрода — цинковый и угольный. Химические реакции «вырывают» электроны из атомов угля и перебрасывают их в цинк. В результате такой электризации на каждом из электродов появляется весьма ощутимая сила, способная притягивать либо отталкивать заряды, то есть способная заставить их двигаться… Она так и называется — электродвижущая сила, или сокращенно э. д. с. Единицей длины служит метр, единицей веса — грамм, а единицей э. д. с. — вольт (в). Если нужно, используют более мелкие единицы — милливольт и микровольт, равные соответственно тысячной и миллионной доле вольта (стр. 14).
Величина э. д. с. измеряется специальным прибором — вольтметром, который имеет два входных провода. Один из них подключают на «+» батареи, другой на «—». Вольтметр устроен так, что показывает ту силу, с которой «+» выталкивает, а «—» притягивает единичный положительный заряд.
Если говорить более строго, то вольтметр показывает работу, которую сможет выполнить заряд в один кулон на пути от «+» к «—». При э. д. с. 1 в каждый кулон зарядов, проходящих по цепи, выполняет работу в 1 джоуль (стр. 22).
Второй важный элемент электрической цепи — нагрузка, в нашем примере — лампочка. Сюда приходят заряды от генератора и здесь они совершают полезную работу. Но прежде чем говорить о том, как это делается, несколько слов о третьем элементе цепи — проводах, соединяющих генератор с нагрузкой (в карманном фонаре их роль выполняет металлический корпус и жестяные лепестки — выводы батарейки).
Зачем нужны провода? Почему от генератора к нагрузке заряды не могут двигаться без них прямо по воздуху? Здесь появляется слово, которое будет неотступно следовать за нами на всем пути знакомства с приемником. Слово это — сопротивление.
Сопротивлением, а точнее электрическим сопротивлением, называют способность той или иной среды противодействовать движению зарядов. Характер этого противодействия может быть самым различным. Летит электрон, сталкивается с встречным атомом и останавливается — сопротивление. Пролетает электрон вблизи сильного магнита и сворачивает со своего пути — опять сопротивление. Или вот еще пример противодействия. Несколько электронов вылетело из отрицательного электрода батарейки (там они в избытке!) и образовали вокруг него так называемое электронное «облако». Это облако своим отрицательным зарядом отталкивает назад другие электроны и буквально не дает им выйти из электрода.
Из-за различных видов противодействия свободный, безостановочный пробег зарядов в любом веществе весьма мал. И трудно сказать, каким образом удалось бы использовать электрическую энергию, если бы в природе не было целой группы веществ, получивших общее название проводников.
Вообразите, что вам нужно пройти по длинному коридору, беспорядочно заваленному столами, ящиками, стульями и другими громоздкими вещами. Сделав несколько шагов, вы, конечно, устанете и, наверное, даже остановитесь. Это немного напоминает движение единичного заряда в воздухе или другой подобной среде.
А теперь другая картина. Тот же коридор, с таким же «большим сопротивлением». Но на этот раз вы будете преодолевать его не в одиночку, а вместе с несколькими товарищами. Они разместятся равномерно вдоль всего коридора и по команде начнут двигаться в одну и ту же сторону. Вскоре после того, как вы войдете в коридор, из него уже выйдет тот ваш товарищ, который стоял ближе других к выходу, и, если не задумываться над тем, кто вошел, а кто вышел, то можно будет считать, что человек прошел через коридор. Такое коллективное преодоление препятствий напоминает то, что происходит с электронами в проводниках.
К числу проводников относятся металлы, уголь, графит, некоторые растворы солей, кислот, газы в особом, ионизированном, состоянии. Отличительная черта всех проводников — наличие свободных электрических зарядов. Напомним, что свободными заряды называют потому, что они могут свободно перемещаться в пространстве под действием каких-либо сил, например, тепловых или электрических. Иногда это свободные «вырвавшиеся» из своих атомов электроны (рис. 3), иногда и сами атомы с недостающими или, наоборот, лишними электронами. Такие атомы называют положительными и отрицательными ионами (рис. 3).
Рис. 3
Подключим к концам проводника источник э. д. с., например батарейку, и в этом проводнике сразу начнется непрерывное движение зарядов — если в проводнике есть свободные электроны, то они будут двигаться от минуса батареи к ее плюсу. Вот такое упорядоченное движение свободных зарядов под действием электрических сил называется электрическим током.
Единица измерения тока — ампер (а) базируется на уже известной нам единице заряда — кулоне. Если за секунду через какой-либо участок цепи проходит кулон электрических зарядов, например 6,3·1018 электронов, то ток в этом участке равен одному амперу.
