Рудольф Сворень - Ваш радиоприемник

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 6,3·10 18электронов, то ток в этом участке равен одному амперу.

* * *

РАЗМЕННАЯ КАССА

Недавно в Москве открылся молочный магазин, где все товары продаются только автоматами. Есть в этом магазине и кассир-автомат для размена денег. Если вы опустите в кассу 20 копеек, он выдаст вам, например, два гривенника, опустите полтинник — получите 10 пятачков. Подобным разменом часто приходится заниматься при решении задач, связанных с электрическими цепями. В этом случае разменивают единицы измерения — амперы, вольты, фарады и др. Сколько микроампер в миллиампере? Как выразить напряжение в вольтах, если оно указано в милливольтах? Что больше: 0,01 микрофарады или 1000 пикофарад? На подобные вопросы вы сможете легко ответить, познакомившись с приведенной ниже таблицей. Совершенно очевидно, что все приставки, указанные в первом столбце, встречаются не только в электрических единицах, но и в любых других единицах измерения.