Мир электричества.

Сколько миллионов раз должна была сверкнуть молния, чтобы человек наконец-то задумался, а что же это такое?

Между натертыми кусочками янтаря, притягивающими предметы, и молнией, казалось бы, ничего общего. А ведь все это — электрические явления. И слово-то «электричество» от «янтаря» пошло. Но чтобы уловить родственность столь непохожих явлений, потребовались опять-таки тысячелетия.

Что ж, человек такой тугодум? Да нет, слишком «тонкой материей» оказалось электричество. Но уж когда выяснилось, что в нем к чему, люди так крепко «запрягли» его, так приспособили, что всего за двести лет изменили с его помощью облик всей своей жизни.

Электротехника, электроника, электроэнергия, электровоз, электросварка, электростанция, электромузыкальные инструменты… Ну, ни шагу без электричества.

А не надо никуда шагать. Оно здесь, прямо на вас. Стоит стянуть с себя свитер, как…

Отчего водолазки «трещат»?

Зима. Теплая, сухая квартира. Вечер. Мы готовимся ко сну. Стягиваем через голову водолазку или свитер, и вдруг в тишине раздается треск. Откуда взялись эти звуки? Если снимать шерстяную или синтетическую одежду в темноте, то можно заметить, как этот треск сопровождается искорками. Трещит и искрится наша одежда, и лишь тогда, когда мы, снимая ее, заставляем тереться, скользить по телу.

Чуть-чуть внимания, и обнаружится, что стянутая кофта притягивается к оставшейся на нас рубашке. Что же их тянет друг к другу? Соприкоснувшись, они словно избавляются от этой силы и обвисают. А бывает, что надолго прилипают друг к другу. Почему?

Еще один опыт, который вы проделываете, порой неохотно, каждый день — причесывание. Как иногда приходится мучиться с нашими волосами, которые буквально тянутся за расческой, липнут к ней. Опять немножко наблюдательности, и выяснится, что это происходит с пластмассовыми или деревянными гребешками, а с металлическими, как правило, — нет.

Уильям Гильберт (1544–1603) — английский физик и врач. Основоположник науки об электричестве. Верный экспериментальному методу, провел множество опытов по обнаружению электрических свойств различных тел. Обогатил эту область рядом открытый и приборов. Исследовал магнитные явления, установил, что Земля — большой магнит. Был первым сторонником идей гелиоцентрической системы Коперника в Англии.

Подведем небольшой итог. Во время соприкосновения, а трение лишь увеличивает его площадь между телами, что-то происходит. Это «что-то» стали называть передачей электрического заряда. Его появление на различных телах приводит не только к их притяжению, но, бывает, и к отталкиванию. Поэтому заряды решили снабдить памятками-знаками. И теперь говорят, что притягиваются друг к другу тела с зарядами разных знаков, или разноименными зарядами: «плюс» к «минусу» — и «минус» к «плюсу». А отталкиваются одноименные: «плюс» от «плюса» — «минус» от «минуса».

«Прицепить», конечно же, мысленно, тот или иной знак заряда к тому или иному телу люди договорились давно. Сейчас, покупая электрическую батарейку, вы сразу же найдете на ней эти обозначения. Это поможет вам правильно вставить ее в какой-либо прибор, где тоже имеются такие отметки. А теперь попробуйте еще раз побаловаться с зарядами разных знаков. Потрите пластмассовую расческу о сухие волосы и поднесите к разбросанным по столу мелким бумажным ленточкам или обрывкам. Ну, что произойдет?

Почему бьет молния?

Способность различных тел заряжаться люди обнаружили давно. Но долгое время эти новые электрические силы человек не знал как использовать. Научившись создавать с помощью трения внутри электрических машин довольно заметные заряды, даже исследователи применяли их для развлечения. В XVII–XVIII веках были очень популярны электрические фокусы, особенно такой, когда у заряженного человека волосы буквально вставали дыбом.

Это явление объясняется просто. Растекшийся по поверхности человека заряд одного знака стремится раздвинуть, оттолкнуть все, на что он попал. Поэтому и волосы поднимались, расходясь друг от друга в разные стороны. Когда же поблизости оказывались разноименные заряды, то, стремясь притянуться, соединиться, они порой вызывали электрическую искру. Иначе это еще называют электрическим пробоем воздуха.

Не нужно думать, правда, что электричество служило только для потехи праздной публики. Сходство между искусственно полученными электрическими искрами и наблюдаемой при грозах молнией наводило на мысль об одинаковой их природе. Действительно, во время движения воздушных потоков из-за трения происходит разделение электрических зарядов и накопление их в облаках и на поверхности Земли. Достигая большой величины, эти заряды способны пробить воздух, что и приводит к гигантской искре — молнии. XVIII век был славен тем, что проводилось уже довольно много экспериментов, связанных с поиском защиты от молнии. Опыты с атмосферным электричеством были весьма рискованны и кое-кому даже стоили жизни.

Постепенно накапливались наблюдения и факты, которые позволили ученым объяснить электрические явления. И от увеселений перейти к тому, чтобы поставить их на службу человеку.

Каким законам подчиняются заряды?

Как описать и рассчитать взаимодействие зарядов? Эту задачу поставил перед собой знаменитый французский ученый Шарль Кулон. Изобретя специальные, так называемые крутильные весы, он стал исследовать притяжение и отталкивание маленьких заряженных шариков.

Закон, который он открыл немногим более 200 лет назад, оказался очень похожим на установленный Ньютоном закон всемирного тяготения. Как и в том законе, у Кулона взаимодействие шариков ослабевало с увеличением расстояния между ними. А роль притягивающихся масс стали играть заряды шариков, и чем больше они становились, тем заметнее росла электрическая сила. Отличались, правда, эти законы тем, что массы могли только притягиваться, а заряды, как известно, еще и отталкиваются.

Шарль Кулон (1736–1806) — французский физик и военный инженер. Сформулировал законы трения. Построил крутильные весы — чувствительный прибор, с помощью которого установил основной закон электричества (закон Кулона). Занимался исследованием упругих свойств тел и магнитных явлений.

Интересно, как Кулон делил заряды. Он приводил в соприкосновение два одинаковых по размерам шарика из бузины, один из которых был заряжен, а другой — нет. Кулон полагал, что в этом случае заряд «растекается» поровну. Но тогда возникает вопрос: что, если друг друга коснутся два шарика с равными по величине, но разноименными зарядами? Опыт показывает, что электричество… как бы исчезало. Похожий случай мы наблюдаем, когда стянутый с себя зарядившийся свитер вновь приложим к телу. После этого заряд словно пропадает.

Вот эта особенность электрических зарядов компенсировать друг друга лежит в основе еще одного закона — сохранения. Если, скажем, одно тело поначалу было вовсе не заряжено, то потерев его части друг о друга, мы получили в одном месте ровно столько положительного заряда, сколько в другом — отрицательного. Соединившись, эти «плюсы» и «минусы» вновь дадут ноль, отсутствие заряда вообще. Таким образом, сколько было заряда, столько же и осталось. Этот закон не менее важен, чем и другие великие законы сохранения.

Что такое электрический конденсатор?

Что вы предпримите, если захотите, чтобы ваша одежда «не стреляла»? Либо добавите при ее стирке в воду так называемый антистатик, либо побрызгаете им на одежду из специальных баллончиков, имеющихся в продаже. Получается, что в одних состояниях какие-то тела хорошо «держат» заряд, а в других — легко с ним «расстаются». Вот на эту возможность накапливать, сохранять какое-то время заряд обращали внимание, когда электричеством нужно было воспользоваться не сразу после его получения.

В 1745 году голландский физик Питер ван Мушенбрук изобрел первый конденсатор. В историю этот прибор вошел под названием лейденской банки. В дальнейшем конденсаторы — накопители электрических зарядов — сильно изменили свою «внешность». Но главной их задачей по-прежнему было удержание рядом больших зарядов разных знаков. Особенно широко они стали применяться с развитием радиотехники.

Почему опасно залезать внутрь приемника или телевизора даже в том случае, когда они отключены от сети? Случайно коснувшись контактов от двух разноименно заряженных обкладок какого-либо конденсатора, вы можете получить ощутимый электрический удар. Заряды, стремясь соединиться, пробегут через вас. Так что поручите все же ремонт специалисту.

В принципе можно использовать большие конденсаторы для хранения электрической энергии. Но, к сожалению, надолго их не хватает. Если воздух хоть немного влажен, то он способствует пусть и медленной, однако постоянной утечке заряда. Конденсатор в таком случае необходимо время от времени подзаряжать.

Как выглядит заряд?

Способность электрических зарядов перемещаться внутри одного тела, перетекать или перескакивать на другое казалась очень любопытной. Может быть, это какая-нибудь жидкость? Она невидима и невесома, но заряжена. По мнению Бенджамина Франклина, американского физика, занимавшегося исследованиями электрических явлений, все вещества в природе содержат «электрическую жидкость». Переливаясь из одного тела в другое, она как бы добавляет или убавляет их заряды.

Конечно, такие догадки, хотя поначалу и много могли объяснить, не выдержали проверки временем. Идеи о «зернистом» строении вещества коснулись и электричества. К мысли о дробности заряда вела его возможность делиться между телами. А когда в 1897 году была обнаружена мельчайшая отрицательно заряженная частичка, стало ясно, что все заряды — составные.

Заряд электрона, а так назвали новую частичку, оказался самым маленьким в природе. Он так крохотен, что нужны тысячи миллиардов электронов, чтобы получить заряды шариков, заметно влияющих друг на друга, как в опыте Кулона.

Бенджамин Франклин (1706–1790) — американский физик и политический деятель. Основные научные исследования проводил в области электричества. Объяснил действие «лейденской банки», построил первый плоский конденсатор, изобрел молниеотвод, доказал электрическую природу молнии. Применил электрическую искру для взрыва пороха. Разработал теорию электрических явлений, в которой содержался закон сохранения заряда.

Электроны так легки, что очень свободно, огромными «партиями» или «стаями», могут двигаться, перенося с собой заряд. Вот это и создает впечатление текущей «электронной жидкости». Теперь же, говоря о заряде, имеют в виду избыток (отрицательность) или недостаток (положительность) электронов в теле.

Где легче «бегать» заряду?

Если заряд — это множество микроскопически заряженных частичек, то как они движутся? Ведь на пластмассовой расческе, мы это видели, заряд способен, хоть недолго, удерживаться. А на металлических, какими часто пользуются парикмахеры, заряду «не сидится», поэтому волосы к ним не притягиваются. На сухих блузках заряды какое-то время сохраняются, с треском и искрами выдавая затем свое присутствие, а со смоченных антистатиком куда-то сразу «удирают».

Электрическая искра, проскакивающая между обкладками конденсатора, — также свидетельство того, что до поры «сидевшие» в покое заряженные частички вдруг ринулись навстречу друг другу.

Что же позволяет зарядикам на одних телах покоиться, а по другим бежать?

Давно было замечено, что все тела в природе можно разбить на два «лагеря»: хорошо и плохо пропускающие через себя электрические заряды. Первые назвали проводниками, а вторые — изоляторами, или, как еще говорят в науке, диэлектриками.

Наверное, нет нужды перечислять прекрасно вам известные проводники. Вы сами сразу назовете металлы, из которых делают провода и спаивают контакты. А чуть подумав, добавите к ним и жидкости, которые вы замечали в батарейках или аккумуляторах.

Изоляторы тоже легко указать — это дерево, стекло, пластмассы, фарфор.

А вот воздух? Безусловно, когда он сух, то является отличным изолятором. Но уж если через него проскочила электрическая искра, то в этот момент он, разумеется, стал проводником.

Откуда «бьет» источник тока?

Возьмите в руки обычную электрическую батарейку и рассмотрите ее. Вы, конечно, найдете на ней «плюс» и «минус» — значки, отмечающие ее полюса. Если присоединить их к лампочке, скажем, от карманного фонарика, то она зажжется. Что заставило ее гореть? Ясно, что по ней побежали от одного полюса батареи к другому электрические заряды. Или еще мы говорим, что потек электрический ток.

Почему же он не течет внутри самой батарейки, когда она ни к чему не присоединена? Заряды-то на ее полюсах разноименные и хотели бы притянуться друг к другу. Значит, внутри батарейки им что-то мешает соединиться, какая-то сила раздвигает их. А вот через лампочку и проводки — бегите себе, заряды, пожалуйста. Но лишь только перебегут они от одного полюса к другому, только встретятся, как опять эта сила разлучит их, разведет по полюсам, чтобы снова помчались они через лампочку. Так и течет без перерыва электрическая речка по замкнутому кругу, сколько сил у батарейки хватит.

Луиджи Гальвани (1737–1798) — итальянский физик и физиолог. Один из основоположников учения об электричестве, обнаруживший сокращение мышц лягушки под действием электрического тока. Его опыты с «животным» электричеством легли в фундамент нового научного направления — электрофизиологии.

Обнаружилось подобное явление в опытах итальянского ученого Луиджи Гальвани. Соединяя мышцы и нервы препарированной лягушки проводником, состоящим из железа и меди, он заметил сокращение, дергание мышц. То есть в металлах, как в будущей батарейке, заряды перебегали друг к другу через лапку лягушки. Правда, Гальвани полагал, что в каждом животном есть свое собственное, особое электричество. Позже его соотечественник Алессандро Вольта исправил эту ошибку, доказав, что электричество по своей природе везде одно и то же. Ему также удалось построить в 1800 году первый источник электрического тока — вольтов столб, состоящий из чередующихся медных и цинковых пластинок. С этого изобретения начинается история кропотливых исследований электрического тока.

Бег по кругу.

Какие бы источники электрического тока мы ни использовали, заставить их работать сможем лишь тогда, когда соединим их полюса проводами и приборами. Иначе говоря, мы должны образовать электрическую цепь. В отличие от обычной речки, текущей только сверху вниз, электрический ток должен течь лишь по замкнутым путям. Роль насоса, перекачивающего воду из нижнего течения реки назад, на высоту, играют источники тока, «перекачивающие» внутри себя заряды с одного полюса на другой.

Алессандро Вольта (1745–1827) — итальянский физик и химик. Под влиянием наблюдений Гальвани занялся исследованием электрического тока. Изобрел и построил первый длительно действующий источник тока — вольтов столб. Это устройство проторило дорогу дальнейшему экспериментальному изучению электричества. Автор многих приборов и проекта телеграфа.

Понятно, что вольтовы столбы или те маленькие электрические батарейки, которыми мы пользуемся сегодня, — не слишком мощные источники тока. Поиск новых, более «солидных», продолжается уже около двух столетий. Но для установления законов, которым подчиняется электрический ток, на первых порах было достаточно и простейших его источников.

Начало XIX века ознаменовалось широким наступлением ученых на выяснение этих закономерностей. Вводятся такие важные физические величины, как сила тока и напряжение. Первая величина подобна расходу воды в реке, а вторая — напору, создаваемому плотиной. Устанавливается направление тока в замкнутой цепи.

Правда, с ним вышел небольшой казус. Поначалу считалось, что по электрической цепи из металлических проводников циркулируют положительные заряды. Сегодня же достоверно известно, что текут-то по ним отрицательно заряженные электроны. И, конечно, в противоположном направлении.

Андре Мари Ампер (1775–1836) — французский физик, математик и химик. Открыл закон взаимодействия электрических токов, сформулировал правило для определения действия тока на магнитную стрелку. Тесно связывал электрические и магнитные явления, предположив, что магнетизм объясняется микроскопическими токами внутри вещества. Изобрел множество приборов, в том числе электромагнитный телеграф.

А вот единицы измерения силы тока и напряжения претерпели лишь количественные изменения. Сегодня они хорошо вам знакомы и указаны практически на каждом электрическом приборе. Взгляните, например, на розетку, лампочку или штепсель. На них вы найдете наименования этих единиц, присвоенных в честь великих ученых, — это амперы и вольты.

Как соединять проводники в цепи?

Если составить электрическую цепь из батарейки или небольшого аккумулятора, проводов, выключателя и нескольких лампочек, то можно провести такой опыт. Соединяя лампочки одну за другой, как в елочной гирлянде, мы заметим, что они горят не слишком ярко. А если соединить их так, чтобы ток разветвлялся и тек по ним, как вода в рукавах реки, то накал лампочек значительно возрастет. Почему? Ведь источник тока один и тот же, да и лампочки не меняли вроде своих свойств. Все дело, по-видимому, в особенностях их соединения.

Как вы думаете, в каком случае току было легче течь по цепи? Наверное, во втором. Так как мы дали ему возможность, хоть и разделившись, пройти лишь по одной лампочке. А в первом — заставили «перебрать» все лампочки последовательно. Это как в трубе — сквозь узкую длинную трубку воде протечь труднее, чем если бы ее нарезали на кусочки и сложили бы так, чтобы вода текла через большое ячеистое отверстие.

Эти нехитрые эксперименты подсказывают, как соединять в разных случаях проводники. Когда нужно увеличить их сопротивление электрическому току, их ставят в «затылочек» друг другу — последовательно. А если хотят уменьшить это сопротивление, то размещают их, как воинов в строю — всех «лицами» в одну сторону, или параллельно.

Разбираясь с различными электрическими схемами, вы всегда обнаружите тот или иной вид соединения не только проводников, но и самых разных элементов цепи. Учет правил последовательного и параллельного соединений заметно облегчает расчеты. Скажем, в наших квартирах все приборы подключаются к электрической сети параллельно.

Вопросами сопротивления проводников занимались многие известные ученые. Выяснилось, что оно зависит как от размеров проводника, так и от вещества, из которого он сделан. Знание этих характеристик позволяет подобрать нужные материалы как при передаче электроэнергии по проводам, так и при изготовлении радио- и электронных схем.

От чего зависит ток?

Огромную роль в понимании электрических явлений сыграл закон, открытый скромным немецким учителем Георгом Омом. Его предшественники были весьма близки к установлению этого закона, однако не смогли его сформулировать. Поставив многочисленные опыты, Ом уловил важную связь. Сила тока, текущего через проводник, будет тем больше, чем большее напряжение создаст на его концах источник тока. С другой стороны, если мы начнем увеличивать сопротивление проводника, оставив в покое напряжение, то заметим, как ток тут же уменьшится.

Георг Ом (1787–1854) — немецкий физик. Экспериментально открыл основной закон электрической цепи, вывел его теоретически. Глубоко изучил явление электрического сопротивления, ввел важные для электротехники понятия. Установил различие между основным тоном звука и добавочными — обертонами. Также проводил исследования в области оптики.

Этот закон лег в основу всех последующих расчетов электрических цепей. Вот, например, в некоторых театрах свет гасят не мгновенно, а постепенно. Добиваются этого тем, что медленно увеличивают сопротивление, включенное последовательно с лампами. Иногда мы замечаем, что в наших квартирах резко вспыхивают или угасают электролампы. И мы уже автоматически говорим: напряжение возросло или упало. Все это — действие закона Ома.

Чтобы в наших домах или приборах не возникло пожаров от короткого замыкания, на входе в квартиру вставляют в электрическую цепь предохранители. Их сопротивление подбирают так, что при большом токе они, нагревшись, могли бы разомкнуть цепь. И на время «обесточить» квартиру или прибор.

А вот заслуги в исследовании электричества и необыкновенное трудолюбие принесли Ому славу и позволили, в конце концов, полностью посвятить себя научной работе. Его имя получила единица измерения электрического сопротивления — 1 Ом.

Чем греют ныне воду в самоваре?

В своих опытах Георг Ом использовал интересный источник тока. Две проволочки — медная и висмутовая — местами своего соприкосновения погружались в кипяток и в лед. Со времен Гальвани было известно, что при контактах разнородных металлов может появиться электричество. А если, как это делал Ом, поддерживать два таких контакта при постоянных, но разных температурах, то по проволочкам потечет равномерный ток. Вот такой источник, а называется он термоэлемент, очень помог Ому.

Эффективность этого элемента, к сожалению, довольно мала. Однако возможность перевести тепловую энергию в электрическую подсказала и другие, как бы встречные идеи.

Сейчас покажется очевидным, что электричество доставляет нам в дома практически всю необходимую энергию. А ну-ка, пройдемся по своей квартире. Кроме батарей центрального отопления, пожалуй, все остальные нагревательные приборы «питаются» электричеством. У многих на кухнях стоят электроплиты. Подогреть воду зачастую предпочитают в электрическом чайнике и электросамоваре. Бывает, что в холодные дни, когда отключают на ремонт водяное отопление, вы призываете на помощь электрокамины.

Не удивляйтесь, если вы, даже включив свет, не обнаружите в доме еще несколько источников тепла, потребляющих электричество. Но вы сразу догадаетесь, о чем речь, когда поспешите выкрутить из патрона перегоревшую лампочку. Обожглись? Так что же, разве лампочка — не источник тепла? Увы, ваше предположение о том, что она — источник света, верно лишь отчасти. На излучение света лампой тратится лишь несколько процентов электроэнергии. Все остальное — тепловые потери.

Таким образом, возможность перехода электрической энергии в тепловую оказалась для нас очень важной. Иногда, как в нагревателях, хотелось бы тепла получить побольше, а вот в примере с лампочкой — поменьше.

Ток течет — заряд сохраняется.

Что же требуется для того, чтобы тек электрический ток? Какие условия обязательно должны выполняться? Первым делом, разумеется, должны быть в наличии носители заряда — заряженные частички, к примеру, электроны. Второе условие: необходима сила, которая будет их «тащить» вдоль проводника.

Но почему мы говорим только об отрицательно заряженных электронах? Ведь если включить ток в электрической цепи, то выяснится, что полный заряд всех ее элементов может быть равным нулю. Тогда закон сохранения заряда подскажет нам, что кроме электронов в нашей цепочке скрывается ровно столько же зарядов положительных. И правда, прошло не так уж много времени после открытия электрона, как были обнаружены его товарищи-напарники. Их назвали протонами, они в пару тысяч раз помассивнее электрона, а вот заряд имеют точно такой же, но положительный. Комбинации этих двух видов заряженных частиц обеспечивают протекание тока во всех известных случаях, хотя ясно, что легоньким электронам это удается лучше.

А вот другой закон сохранения — энергии — позволил «разложить по полочкам» все ее переходы внутри электрической цепи, какой бы сложной она ни была. Судите сами. Что подает энергию в цепь? Батарейка, аккумулятор, генератор тока на электростанции. Все они совершают работу, преобразуя в электрическую иные виды энергии, скажем, химическую или механическую. А дальше все происходит, как в любой известной нам машине. Часть электрической энергии идет на нужный нам нагрев, положим, воды в электросамоваре или воздуха в комнате, либо — на механическую работу, как в электрокофемолке или пылесосе. И, конечно, неминуемы потери, которые, как всегда, учтет коэффициент полезного действия нашего устройства.

Закон сохранения энергии в применении к электрическим цепям был установлен двумя физиками: английским — Джеймсом Джоулем и российским — Эмилием Христиановичем Ленцем немногим более 170 лет назад.

Легко ли изобрести лампочку?

Отчего же все-таки при протекании электрического тока проводники нагреваются? И даже могут излучать свет? Многие десятилетия нагревательные и осветительные приборы создавали подбором, наблюдая и описывая лишь внешние эффекты. Вот, например, этот металл или угольный стерженек раскаляется ярче, чем какой-то другой. А не попробовать ли еще какой-нибудь — вдруг будет лучше? Понятно, что такой метод — метод проб и ошибок — был не очень продуктивным. С другой стороны, отдадим дань упорству и настойчивости десятков изобретателей, которые шли этим нелегким путем.

Хорошая иллюстрация здесь — история создания электрической лампочки накаливания. Русский электротехник Александр Николаевич Лодыгин затратил множество усилий, перебирая различные материалы для нагреваемого стерженька. Постепенно он дошел до идеи накалять угольный стерженек в закупоренной стеклянной колбе. Первые лампы горели около получаса. Откачав воздух из колбы, Лодыгин довел время накала до нескольких часов. Даже такими несовершенными лампами ему удалось осветить в 1873 году одну из улиц Петербурга.

Узнав о лодыгинской лампе, ею заинтересовался американский изобретатель Томас Эдисон. Проделав 6000 опытов, исписав 200 записных книжек, он выяснил, что нужно для продолжительной работы такой лампочки. Откачка до низкого давления, патрон и выключатель — этим мы пользуемся до сих пор. А вот лучше всего у Эдисона светились обугленные бамбуковые волокна. Затем вновь Лодыгин усовершенствовал лампу, заменив волокна на вольфрамовую нить. Этот металл «прижился» в лампе и работает в ней и сейчас.

Александр Николаевич Лодыгин (1847–1923) — российский электротехник. Занимался изобретением летательных машин. Построил угольную лампу накаливания — прообраз будущих электрических лампочек. Один из основателей электротермии — прикладной науки о преобразовании электрической энергии в тепловую.

Как вы думаете, выгодно ли сегодня так, буквально вслепую, подбирать нужные нам качества у создаваемых приборов? Стремление получить надежные ответы на запросы практики, да и, конечно, неутомимое любопытство заставляло исследователей вновь заглянуть в «устройство» вещества. Может быть, там кроются разгадки замысловатых тайн электрического тока?

Бег по пересеченной местности.

Еще раз поставим вопрос: почему электрический ток нагревает проводники? А теперь попробуем ответить на него, опираясь на достижения ученых в изучении микроструктуры вещества. Открытая 120 лет назад самая маленькая заряженная частичка — электрон — словно взяла на себя ответственность за протекание тока в металлах. Если металл-проводник не включен в электрическую цепь, то юркие электроны снуют внутри него, как молекулы газа в комнате. Но стоит подключить проводник к источнику тока, как тут же появляется сила, которая чем-то напоминает дуновение ветра.

Вспомните, быть может, вам приходилось видеть рой мошкары, снующей в воздухе у пруда, у реки или в летнем лесу. Дунул ветер, и все облако словно поехало, хотя беспорядочное движение в нем продолжается. Так и «электрический ветер» понесет вдоль проводника стаи электронов, и тем сильнее, чем большее напряжение способен создать источник тока.

Постойте, скажете вы, ведь электроны несутся не в пустотелой трубочке, это же сплошной металл! Но тут молекулярная теория напомнит вам, что как бы плотно ни были упакованы атомы вещества, между ними — довольно порядочные щелки. В каком-то смысле движение электронов по металлу напоминает просачивание воды, льющейся из-под крана сквозь пористую поролоновую губку.

Джозеф Джон Томсон (1856–1940) — английский физик. Прославил себя экспериментальным открытием электрона. Обнаружил эффект испарения электронов нагретыми металлами. Разработал теорию движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях, изучал особенности прохождения электрического тока в газах. Предложил одну из первых моделей устройства атома. Один из основоположников электронной теории металлов.

Этот пример, кстати, позволит понять нам, что такое электрическое сопротивление. Без губки воде, естественно, течь легче. Вот и электронам, как бы они ни были легки и подвижны, не так-то просто «продираться» между значительно более «солидными» атомами. Получается, что электрический ветер «подгоняет» электроны, а они свою энергию вынуждены отдавать атомам «стукаясь» об них.

В этом-то — причина разогревания проводника током. Сравните потерю энергии при торможении автомобиля трением и потерю электрической энергии при «торможении» тока сопротивлением металла. Куда в обоих случаях перешла энергия? Все правильно: и там, и тут — в тепло.

Как в воде возникнет ток?

А как протекает ток не в металлах, а, к примеру, в жидкостях? Вот интересный опыт, который можно провести на кухне.

Присоедините к полюсам плоской батарейки два проводника и опустите их в воду, налитую в стеклянную банку, только так, чтобы они не касались друг друга. Мы получили электрическую цепь, элементом которой стала вода. Потечет ли по ней ток?

Узнать об этом можно, если цепочку «разорвать», то есть где-то отсоединить друг от друга проводочки, и вставить между ними лампочку от карманного фонарика. Если в банке — обычная пресная вода, то лампочка гореть не будет. Иначе говоря, вода в этом случае — изолятор.

Но вот потихоньку, щепотками, добавляйте в воду соль. Можно заметить, что лампочка зажигается и постепенно накаливается все ярче. Что же, вода стала проводником?

Да, поскольку в ней появились носители заряда. Это уже знакомые нам электроны и протоны, объединившиеся в группы с разноименными знаками. Сухая соль тока не проводит, то есть в ней «плюсы» и «минусы» крепко-накрепко связаны. Однако, попав в воду, соль растворяется, и это приводит к тому, что ее мельчайшие частички-атомы, разведенные молекулами воды, уносят каждая то отрицательный, то положительный заряд.

В воде эти заряженные комбинации частиц, их еще называют ионами, чувствуют себя довольно свободно и немедленно двинутся в путешествие. Отрицательные ионы, само собой разумеется, направятся к проволочке, связанной с положительным полюсом батарейки. Положительные — в другую.

Итак, в воде началось движение электрических зарядов, иными словами, потек электрический ток.

Машины на электрическом ходу.

Почему важно знать о протекании тока через жидкости? А вам не приходилось видеть, как безуспешно пытается завести двигатель водитель легковой машины? Он отчаянно нажимает стартер, вот-вот двигатель раскрутится, но снова глохнет. И вдруг — ура, завелся! Что же призывает на помощь шофер, пытаясь поначалу раскрутить вал мотора своего автомобиля? Это — аккумулятор электрической энергии. Если хотите, его можно считать батарейкой. Как от вашего фонарика, только очень большой.

Аккумуляторы безжизненны, пока в них не зальют специальную жидкость. Именно благодаря ей это устройство сперва можно зарядить, перегнав через нее заряды с одной пластины проводника на другую и сделав их тем самым полюсами. И опять же через эту жидкость заряды побегут, когда аккумулятор станет делиться своей энергией, как в приведенном примере. Слышали, как говорят: «батарейка села», «посадили аккумулятор»? «Посадить» — значит израсходовать их энергию.

К сожалению, даже современные аккумуляторы — слишком тяжелые и громоздкие, требуют частой подзарядки. Поэтому машины на электрическом ходу — трамваи, электровозы, троллейбусы, поезда метро — «привязаны» к проводам и рельсам, по которым к ним подают электроэнергию.

Однако человек не терял надежды изобрести такие накопители электричества, что позволили бы применить их на автомобилях. Уже сегодня существует довольно много разновидностей электромобилей. Они передвигаются автономно, но время от времени все же должны подзарядить свои источники тока — как обычные автомобили заправляются топливом. На длинные путешествия, однако, их пока еще не хватает. Но, может быть, скоро электромобили все-таки смогут вытеснить из городов чадящие машины с бензиновыми и дизельными двигателями и помочь очистить там воздух?

Блестящий обман электролиза.

Как вы думаете, из чего сделаны сверкающие бамперы легковых автомобилей? Неужели целиком — из одного ценного металла? Однако на старых машинах можно обнаружить по краям бамперов тонкие блестящие лепесточки. Они похожи на шелушащуюся от загара кожу, а под ними заметен уже неказистый, недорогой материал. Или, если поковырять отливающую бронзой статуэтку, вдруг выяснится, что внутри — гипс.

Понятно, что во многих случаях хотелось бы нанести на изделие красивое, дорогое или защитное покрытие, но — тонким слоем. Чтобы уменьшить расход дефицитных материалов, прибегают к помощи электролиза. Как его провести?

В ванну с раствором необходимого для покрытия вещества опускают концы электрической цепи. Эти концы называют электродами. К одному из них крепят наше изделие, например, статую или металлическую деталь. И пропускают через раствор электрический ток. Заряженные частички — ионы, скажем, хрома или никеля, устремляются к изделию и начнут со всех сторон «облеплять» его. Электрические заряды пойдут дальше по цепи или, напротив, придут и «высадятся» на ионах. Но сама массивная частичка металла останется на месте, на поверхности изделия. Так можно, слой за слоем, наращивать толщину наносимого покрытия — хромировать или никелировать.

Оказалось, это явление подчиняется строгим законам. Они были открыты знаменитым английским ученым Майклом Фарадеем в начале тридцатых годов прошлого века. Зная эти законы, люди научились защищать металлы от коррозии, наносить рисунки на объемные детали, снимать слепки с различных фигур. Очень важное применение электролиза — получение чистых металлов из их растворов или расплавов, а также многих химических соединений, которые иным путем изготавливать не удается.

Посмотрите вокруг себя. Не скрывается ли под тонкой оболочкой многих приборов и украшений какой-нибудь простой и дешевый материал?

Откуда ток берется в пустоте?

Возможны ли частицы без заряда? Даже если это мельчайшие частички вещества — атомы или молекулы — они вполне могут быть незаряженными, нейтральными. А может быть заряд без частички? Оказывается, нет. Нигде мы не обнаружим заряда, «гуляющего», как киплинговская кошка, самого по себе. Всегда он к чему-то «приконопачен» — к электрону, к протону или к их комбинациям — ионам.

Подобный вопрос пришлось обсуждать, когда возникла задача пропустить ток через… вакуум. Встала такая задача с развитием радиотехники. Может быть, вам приходилось заглядывать в «нутро» старых радиоприемников или телевизоров. Вы замечали, сколько там разнообразных ламп с хитроумной начинкой? А ведь из них откачан воздух, и все электрические процессы протекают в пустоте. Сегодня ламповые приборы из-за большого потребления энергии и не очень высокой надежности вытеснены более эффективными, полупроводниковыми. Но вот одну большую лампу вы и по сей день встретите как в телевизорах, так и в дисплеях. Это — кинескоп.

Итак, поскольку внутри этих малых и гигантских ламп нет, можно сказать, ничего, то что же будет переносить там электрический заряд? Так как он «отдельно» от частичек не существует, то ответ напрашивается сам собой. В откачанное от воздуха пространство необходимо «впрыснуть» заряженные частички. Это и делают, нагревая, например, металлы, из которых как бы испаряются электроны.

Вот теперь есть чем погонять «электрическому ветру». Подавая, скажем, на кинескоп высокое напряжение, можно так манипулировать электронами, что они будут послушно выполнять любые приказы. Да, собственно, вы наблюдаете за этим каждый день, смотря телевизор. Ведь изображение на его экране — не что иное, как результат «бомбардировки» электронным пучком светящегося от его ударов вещества. А уж когда начинается электронная игра на дисплее или вам демонстрируют чудеса компьютерной графики, можно понять, насколько велики возможности электронного луча, несущегося в вакууме.

Что роднит молнию и сварочный аппарат?

Отчего светятся разными цветами рекламные трубки? Почему горят люминисцентные лампы, или, как их еще называют, лампы дневного света? Почему сверкает молния? Почему горит электрическая дуга, скажем, при сварке? Оказывается, все эти, на первый взгляд, различные примеры свечения объединяет одно — это электрический разряд в газах.

Газы — неплохие изоляторы, так как в «чистом» виде — это нейтральные молекулы. Поэтому, чтобы через газ прошел электрический ток, заряды в нем каким-то образом надо создать. Ухищрений для этого придумали много. Можно газ облучать, подогревать, «впрыскивать» в него заряженные частички. Но самый важный процесс при разряде — когда электроны, подгоняемые напряжением, смогут так разогнаться, что при ударе о нейтральную молекулу газа выбьют из нее новый электрон.

Что останется тогда от молекулы? По массе она почти ничего не потеряет — электрон слишком легок. А вот если от ее нулевого заряда электрон, оторвавшись, «утащит» с собой отрицательный заряд? Конечно, вы догадались — молекула газа зарядится положительно — и станет ионом.

Вот как газы-диэлектрики, выдерживающие высокое напряжение, в какой-то момент становятся прекрасными проводниками. При протекании по ним электрического тока молекулы газов из-за электронной бомбардировки оказываются способными излучать свет. Это их качество активно используется сейчас в самых разных отраслях науки, техники и быта. Отметим лишь одно изобретение, сыгравшее в дальнейшем огромную роль.

Павел Николаевич Яблочков (1847–1894) — российский электротехник. Исследовал электричество как источник света. Изобрел дуговую лампу — «свечу Яблочкова». Положил начало первой применимой на практике системе электрического освещения. Занимался созданием электрических машин и вопросами получения электричества непосредственно из химической энергии угля.

В 1802 году русский ученый Василий Владимирович Петров впервые изучил явление, названное им электрической дугой. Впоследствии его стали применять при сваривании металлических деталей. Два электрода, подключенные к мощному источнику тока, способны вызвать между собой ослепительное свечение газа. Наверняка вы наблюдали за электросваркой и знаете, что яркость вспышек так велика, что от нее надо защищать глаза. Сварку с помощью электрического тока изобрели русские инженеры Николай Николаевич Бенардос и Николай Гаврилович Славянов. И где только теперь она не применяется — от постройки мостов до сварки корпусов автомашин.

В прошлом же веке электрическую дугу «подрядили» освещать улицы. И сегодня одни из самых мощных осветительных приборов — дуговые лампы.

Миниатюрный, надежный? — В космос!

Вы, конечно, пользовались транзисторными приемниками. Их иногда просто называют «транзистор». Однако это — пусть важная, но только одна деталь приемника, построенного на полупроводниковых элементах.

А что такое полупроводник? Это кристаллики твердых веществ, скажем, кремния, обладающих особыми электрическими свойствами. Например, в отличие от металлов, сопротивление полупроводников с увеличением температуры уменьшается. На их проводимость может влиять облучение светом. А самое интересное, что мы можем менять их способность проводить электрический ток вкраплением примесей разных химических веществ.

Полупроводники, как подсказывает их название, занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Возможность менять их электрические свойства в широком диапазоне обеспечила им широкое применение в электротехнике, радиоприборах и электронике. Скажем, фотоэлемент, способный замыкать и размыкать электрическую цепь под действием света, построен на основе полупроводников. Чувствительный термометр, замечающий ничтожно малые перепады температур — тоже его применение.

Соединение различных полупроводников образует диод — прибор, пропускающий ток только в одну сторону. А добавление третьего полупроводника в эту «компанию» позволяет слабыми изменениями тока управлять током большим. Вот это и есть усилитель — транзистор.

Благодаря распространению полупроводниковых элементов стало возможным перейти от громоздких вычислительных машин к миниатюрным, умещающимся порой в объеме записной книжки. Маленькие размеры, большой объем памяти и быстродействие позволяют применять такие устройства на борту космических кораблей.

Еще очень важная область, где полупроводники должны сказать свое весомое слово — солнечная энергетика. Пока устройства, преобразующие солнечный свет в электроэнергию, не очень эффективны и весьма дороги. Но их уже используют для обеспечения энергией космических комплексов. Солнечные батареи размещают, как вы, наверное, видели, на «крыльях»-панелях орбитальных аппаратов. А не так давно смог самостоятельно двигаться первый автомобиль на солнечных батареях.

Без потерь по проводам.

В механических устройствах, как ни старайся, а совсем избавиться от трения нельзя. Наверное, то же самое и с электрическим сопротивлением? На то оно и сопротивление, чтобы мешать электрическому току течь по проводам, терять энергию и выделять ее в виде тепла.

До поры до времени так и считали. Однако оказалось, что природа и здесь подготовила нам сюрприз.

В 1911 году голландский ученый Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил удивительное явление. При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые металлы резко, скачком, теряют свое сопротивление. Это явление получило название сверхпроводимости.

К сожалению, такой «подарок», который обеспечил бы передачу электрической энергии по проводам без потерь, принять людям было трудно. Ведь чтобы создать такие низкие, несуществующие на Земле, температуры, приходилось, как в холодильнике, энергию затрачивать. Поэтому начались многолетние поиски новых, высокотемпературных сверхпроводников.

Шли десятилетия. Лишь в пятидесятых годах это явление получило теоретическое объяснение. Однако температуру необычного состояния удалось поднять только на пару десятков градусов. Чего только не изобретали исследователи! И вот в 1986 году швейцарским ученым удалось найти такие композиции веществ, в которых сверхпроводимость возникала уже при сотне градусов выше абсолютного нуля.

Это, конечно, еще далековато до наших обычных температур. Тем не менее, достижение сверхпроводимости упростилось. Сейчас ее используют во все более широких масштабах при проведении физических экспериментов.

А еще благодаря этому открытию укрепилась надежда, что в скором времени она будет достигнута и при обычных, комнатных температурах.

Подумайте, к каким революционным последствиям может привести появление материалов с нулевым электрическим сопротивлением.

Как зарядиться давлением?

Какие зажигалки вы знаете? Может быть, кому-нибудь встречались старые — с фитильком, пропитанным бензином. Или новые, газовые, когда колесиком высекают искру, поджигающую струйку вырывающегося сжатого газа. На кухнях, где стоят газовые плиты, пользуются подсоединенными к сети электрическими зажигалками, в которых проскакивает искра, созданная высоким напряжением. А не попадались ли вам зажигалки без всяких проводов, но так же высекающие искры при нажатии на кнопку?

Действительно, откуда в них берется энергия? Если вы разберете такую зажигалку в поисках батарейки или газового баллончика, то ничего подобного не обнаружите. А найдете внутри небольшой кристалл с подсоединенными к нему проводочками. Это — кристалл кварца, который как выяснилось более 100 лет назад, обладает интересными свойствами. При сжатии его с двух сторон на других гранях возникают электрические заряды двух разных знаков, то есть создается электрическое напряжение. Именно его используют в зажигалках для создания искры.

Такое любопытное явление, названное пьезоэлектричеством, стали применять уже во время I мировой войны для обнаружения… подводных лодок. Двигаясь в воде, винт лодки создает попеременные сжатия и разрежения воды, бегущие от лодки в виде волн. Если на их пути разместить пьезоэлектрический кристалл, то он начнет колебаться под действием переменного давления и его грани станут заряжаться. Возникнет электрический сигнал, который позволит таким образом уловить шум от далекой подводной лодки.

Пьезоэлектрический эффект сегодня широко применяют в микрофонах и телефонах, для создания ультразвуковых волн, обнаружения дефектов внутри металлов и для измерения механических напряжений и вибраций.

Поле — стремительный гонец.

Давайте задумаемся над вот каким вопросом. Пусть нам понадобится включить какой-то мощный электрический прибор, доступ к которому затруднен. Ну что ж, для этого мы протянем к нему провода, а кнопку или рубильник разместим в удобном нам месте. Теперь одним движением пальца щелкаем кнопкой, замыкаем цепь, и что-то там вдалеке зажглось, завращалось, загрохотало, поехало…

Как вы считаете, когда мы замкнули цепь, заряды от нас сразу помчались к прибору? Моментально добежали до него и вернулись обратно? Закружились по цепи? Да, закружились, но не так скоро, как нам могло показаться.

Оказывается, при включении цепи заряды, переносящие ток, пришли в движение все одновременно. Собственная скорость, с которой они текут, удивительно мала — какие-то доли миллиметра в секунду. Почему же тогда прибор почти мгновенно отреагировал на наше нажатие кнопки и сразу заработал?

А дело в том, что не сами заряды побежали по цепи так быстро, они только передали друг другу сигнал — «пора двигаться!» Вот этот-то сигнал и несется с огромной — триста тысяч километров в секунду — скоростью. Что же это за скорость такая? Ее называют скоростью распространения электрического поля и равна она скорости света.

Идея о том, что вокруг электрических зарядов меняются свойства пространства, иными словами, создается электрическое поле, возникло в работах великого английского ученого Майкла Фарадея. В дальнейшем она блестяще подтвердилась и легла в фундамент теории электромагнетизма.

Вот и в нашем примере зарядам не было нужды мчаться «во весь дух» по цепи. Им было достаточно «шевельнуться» при ее замыкании, а информацию об этом электрическое поле донесло до всех «закоулков» цепи, заставив везде течь ток.