Другой путь использования энергии движущихся зарядов — это превращение ее в механическую работу. Для этой цели служат электрические двигатели, которые с помощью тока вращают колеса электровоза, поднимают ковши гигантских экскаваторов или приводят в движение винты атомохода «Ленин».
При упорядоченном движении электрических зарядов по проводнику он не только нагревается, но и приобретает магнитные свойства — становится своего рода магнитом (рис. 7).
Рис. 7. Вокруг движущихся зарядов возникает магнитное поле. Как и обычный магнит, проводник, по которому течет ток, обладает магнитными свойствами: он может поворачивать стрелку компаса, притягивать железные предметы или другие проводники, по которым течет ток.
Если взглянуть на постоянный магнит, например на стрелку компаса, то может показаться, что магнетизм не имеет ничего общего с электричеством. В действительности же магнитные свойства любого постоянного магнита связаны с движением зарядов и, в частности, с движением электронов вокруг атомного ядра. Магнитные свойства Земли, благодаря которым стрелка компаса всегда поворачивается на север, также обусловлены мощными токами, которые существуют как внутри земного шара, так и в атмосфере.
Если взять два проводника, по которым течет электрический ток. то они будут взаимодействовать между собой как два магнита, то есть будут взаимно притягиваться или отталкиваться (в зависимости от направления тока). Это явление и используется в электрических двигателях, где силы взаимного притяжения или отталкивания постоянного магнита и проводника с током или еще чаще одних только проводников с током выполняют нужную нам механическую работу (лист 13).
Самое сложное электротехническое устройство с множеством генераторов, двигателей, переключателей, нагревательных и осветительных приборов различных типов всегда можно рассматривать как комбинацию сравнительно простых цепей. Сложные и простые электрические цепи в свое время были тщательно изучены. Результатами такого изучения явились несколько основных законов, основных правил, которым подчиняются электрические процессы. С некоторыми из этих правил мы сейчас познакомимся.
АНКЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
В качестве примера простой цепи возьмем уже известный нам карманный фонарик, в котором имеется и источник тока — батарейка — и так называемая нагрузка — лампочка, потребляющая электрическую энергию батареи, и соединительная линия — два провода, по которым электроны идут «на работу» и «с работы», то есть по одному проводу двигаются от батареи к нагрузке, а по другому — от нагрузки к батарее.
Прежде чем рассматривать законы электрической цепи, нам необходимо научиться количественно оценивать происходящие в ней процессы. Пока мы лишь общими фразами описывали характеристики электрических цепей и то, что в них происходит.
Мы говорили, например, что на стеклянной палочке сосредоточен сильный заряд или, наоборот, слабый заряд, что проводник хорошо проводит ток или, наоборот, плохо проводит ток, что ток в цепи велик или мал. Таких общих слов, как «большой», «малый», «сильный», «слабый», «много», «мало» и др., очень часто оказывается недостаточно ни в технике, ни в повседневной жизни. Ведь вы же не можете прийти в магазин и потребовать: «Отпустите мне мало хлеба» или «Продайте мне много манной крупы». Вы должны назвать точную цифру и указать единицу измерения — килограмм, грамм, литр, метр и т. д. Точно так же, описывая какую-нибудь электрическую цепь, мы должны точно оценивать протекающий в ней ток, сопротивление всей цепи и отдельных ее участков, мощность, потребляемую нагрузкой и теряемую в соединительных проводах, и ряд других величин.
Единицей измерения электрического сопротивления служит ом (листы 14,15). Вместо слова «ом» иногда ставят греческую букву «омега» — Ω. Более крупными единицами являются килоом (ком) и мегом (Мом). Для характеристики этих величин укажем, что сопротивление накаленной нити лампочки карманного фонаря примерно равно 20 ом, а кусок медной проволоки диаметром 1 мм и длиной 1 м обладает сопротивлением около 0,02 ом (лист 17). Если же такой провод протянуть от Москвы до Владивостока (расстояние около 10 000 км), то его сопротивление уже составит 200 ком (или 0,2 Мом). Сопротивление провода растет не только при увеличении длины, но и при уменьшении его диаметра (лист 16) — чем тоньше проводник, тем труднее электронам двигаться в нем. Кроме того, сопротивление зависит еще и от материала, из которого сделан проводник (сопротивление медного провода меньше, чем железного, но больше, чем серебряного), и от его температуры (при нагревании большинство материалов увеличивает свое сопротивление). В формулах и на схемах, а иногда и в тексте сопротивление сокращенно обозначается буквой R, первой буквой латинского глагола resistere — сопротивляться.
В ряде случаев для отдельных элементов электрической цепи достаточно знать только их сопротивление — сопротивление нити лампочки, обмотки электродвигателя, соединительных проводов и т. п. В подобных случаях все эти элементы на схемах изображают в виде небольших прямоугольников, которые являются условными обозначениями любых сопротивлений (лист 18).
В качестве единицы электрического заряда (заряд обозначается буквой q) можно было бы взять электрон, заряд которого при любых условиях остается неизменным. Однако заряд электрона очень мал, и на практике пользуются более крупной единицей — кулоном (к), который равен более чем шести квинтиллионам (квинтиллион — это миллиард миллиардов, единица с восемнадцатью нулями!) зарядам электрона (лист 19).
Электрический ток — это упорядоченное движение свободных зарядов по проводнику, и, чем более массовый характер носит это движение, тем сильнее ток. Величина тока (обозначается буквой I) или, как иногда говорят, сила[3] тока, измеряется в амперах (а) и более мелких единицах — миллиамперах (ма) и микроамперах (мка). Ток в проводнике равен 1 а в том случае, если через поперечное сечение этого проводника каждую секунду проходят частицы с общим зарядом 1 к, (например, 6 280 000 000 000 000 000 электронов (рис. 8, лист 20). Если же за одну секунду пройдет заряд, больший чем 1 к, или, наоборот, если 1 к пройдет за время, меньшее чем 1 сек, то значит, ток в цепи больше одного ампера. Для иллюстрации единиц измерения тока приведем следующие цифры: ток, который проходит по нити лампочки карманного фонаря, примерно равен 100–200 ма (0,1–0,2 а); ток в проводах, идущих от мощной электростанции, может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер; ток, который под действием радиоволн появляется в антенне приемника, обычно не превышает тысячных долей микроампера.
Для измерения величины тока существует специальный прибор — амперметр (миллиамперметр, микроамперметр). Прибор этот включают в электрическую цепь так, чтобы через него проходил весь ток, который нужно измерить. Амперметр как бы подсчитывает число проходящих через него зарядов, и стрелка прибора показывает величину тока в цепи. Чем сильнее ток, тем больше зарядов проходит через амперметр, тем дальше отклоняется его стрелка (лист 21).
Рис. 8. Величина (сила) тока говорит о скорости и «массовости» движения электрических зарядов в цепи. Величина тока в проводнике равна 1 а, если за одну секунду через условное поперечное сечение этого проводника проходит заряд 1 кулон.
Заряд, ток, сопротивление — это пока все, чем мы можем характеризовать электрическую цепь. Большинство других характеристик связано с той работой, которую выполняют заряды, движущиеся по цепи.
Всякую работу можно приравнять к поднятию определенного груза на определенную высоту. Так, например, велосипедист, ехавший по шоссе в течение часа, выполнил работу, равносильную поднятию груза в 500 кг на высоту 5.и, а трактор за один час вспашки целины выполняет такую же работу, какую нужно было бы затратить на поднятие груза в 50 т на высоту 50 м.
Примерно такую же работу выполнит источник тепла, который доводит до кипения бочку воды. Единицей измерения работы является джоуль (дж), соответствующий поднятию груза около 100 г на высоту 1 м (лист 22). Поэтому, когда вы поднимаете со стола стакан молока и подносите его ко рту, то совершаете работу, примерно равную 1 дж. Работа в 1 дж сравнительно невелика. Так, например, для того чтобы в электрическом чайнике вскипятить 5–6 л воды, проходящий по нагревателю этого чайника ток выполняет работу около миллиона джоулей!
