также от температуры — чем она выше, тем интенсивнее собственные тепловые колебания атомов и молекул, тем больше слетает с них электронов (Т-8). И, конечно же, число свободных зарядов в веществе прежде всего зависит от того, какое это вещество, насколько крепко в его атомах внешние электроны привязаны к ядру, насколько легко им вырваться на свободу. И ещё от того, насколько велики атомы, насколько близко один к другому они расположены и долго ли сможет свободный электрон бродить в межатомном пространстве, не подвергаясь опасности наткнуться на свободное место в атоме и вновь очутиться на орбите (Т-8).
ВК-40. Работу (обычно обозначается буквой А) в механике принято оценивать как силу, действовавшую на определённом участке пути. Единица работы — джоуль (Дж). Он соответствует работе, которую совершит сила в 1 ньютон, действующая на пути в 1 метр. Джоуль можно представить себе как работу, которая выполняется при поднятии полстакана молока на высоту одного метра. В джоулях измеряется также энергия, где-либо запасённая или затраченная на выполнение определённой работы.
Р-12. НО, МОЖЕТ БЫТЬ, ГДЕ-ТО ЧТО-ТО ВЫШЛО ИНАЧЕ. Другой пример (первый см. Р-11) такой рабочей находки — реликтовое, то есть древнейшее, радиоизлучение, оставшееся во Вселенной со времён Большого взрыва. Это излучение в 1968 году обнаружили американские астрофизики Арно Пензиас и Роберт Вильсон, занимаясь подготовкой антенны в установке для связи с космическими аппаратами. Находка решительно подтвердила созданную теоретиками картину Большого взрыва, в котором с самого начала участвовала сверхплотная и сверхгорячая материя. Из неё через много тысячелетий сформировались некоторые привычные для нас теперь атомы, а ещё позже — сгустки газа и звёзды, в том числе наше Солнце.
Обнаруженное на Земле реликтовое излучение вдохновило американских и европейских космических специалистов на создание спутников для его исследования в открытом космосе, свободном от земных помех. В 2006 году начали публиковаться интересные результаты проведённых измерений. В их числе, например, данные о некоторых изменениях уровня реликтового излучения в разных точках небосвода, а также данные, с высокой точностью подтвердившие важные элементы теории Большого взрыва (1).
Результатами последних исследований реликтового излучения пытаются поддержать теорию инфляционного (от латинского слова «инфлатио» — «вздутие») расширения нашего мира. Она полагает, что после Большого взрыва наша Вселенная расширялась с разной скоростью. Во времена особо быстрого расширения она создавала связанные с нашей Вселенной, но уже самостоятельно живущие её части (2) — вселенные, в которых могут идти совершенно другие процессы и действовать иные физические законы.
Все вещества принято делить на три основные группы: проводники, полупроводники и диэлектрики, которые иногда называют изоляторами.
О проводниках мы уже говорили — это, прежде всего, металлы, в их атомах внешние электроны связаны с ядром очень слабо, и почти каждый атом превратился в положительный ион, выпустил в межатомное пространство один или даже несколько электронов. В металлах так много свободных электронов, что по отношению к ним применяют выражения «электронный газ» или «электронная пыль». Проводниками могут быть жидкости и газы. «Могут быть» в данном случае нужно понимать так: количество свободных зарядов в жидкости (или в газе) зависит от того, какие вещества в ней растворены, какие химические процессы происходят. Например, в дистиллированной воде свободных зарядов чрезвычайно мало, практически можно считать, что их нет вообще. Но стоит бросить в дистиллированную воду щепотку соли, как вода становится проводником — соль растворяется, образует в воде большое количество свободных положительных и отрицательных ионов. При определённых условиях хорошими проводниками становятся некоторые газы, в этом можно убедиться, взглянув на горящую лампу дневного света (Т-177).
В диэлектриках (изоляторах) все электроны крепко связаны с ядром, и редко какой-то из них может вырваться на свободу. Нужно пересмотреть миллиарды атомов диэлектрика, чтобы отыскать среди них один положительный ион — атом, упустивший свой электрон в межатомное пространство.
О полупроводниках говорит само их название — свободных зарядов в них значительно больше, чем в диэлектриках, но значительно меньше, чем в проводниках, например в металлах. Кроме того, у полупроводников есть особенности, которые сделали их основой всей современной электроники. В любом компьютере, сотовом телефоне, телевизоре работают тысячи и даже миллионы полупроводниковых приборов, скрытых в пластмассовых корпусах. Полупроводниковые приборы широко используются и в электрических машинах, во многих системах большой энергетики.
До сих пор все свои электрические опыты мы проводили с изоляторами: со стеклом, пластмассой, пенопластом. Но если мы хотим получить от электричества ощутимую работу, то нужно переходить от изоляторов к проводникам, где свободных зарядов много и можно создать достаточно мощный их поток, — полноводная река работает лучше, чем тонкая струйка воды из водопроводного крана.
ВК-41.Важная характеристика электрогенератора — его электродвижущая сила, сокращённо э.д.с. (обычно обозначается буквой Е), его способность выполнять работу, перемещая заряды по электрической цепи. Единица э.д.с. — вольт (В), такую э.д.с. имеет генератор, который, переместив по внешней цепи заряд 1 кулон, выполняет работу 1 джоуль. Если каждый кулон выполняет работу 2 джоуля, то, значит, генератор проталкивает этот кулон по цепи с вдвое большей силой и э.д.с. равна 2 вольта.
Т-36. Генератор и нагрузка — основные элементы электрической цепи. Система, где работают свободные электроны или ионы, получила название «электрическая цепь». Слово «цепь» в этом названии появилось, скорее всего, потому, что заряды, как правило, последовательно, поочередно проходят по нескольким участкам, как бы по звеньям цепочки.
Из возможных трёх разновидностей свободных зарядов (электроны, положительные и отрицательные ионы) мы пока поговорим только об электронах — это основные работники, именно они в основном и трудятся в электрических машинах, аппаратах, системах.
Какой бы сложной ни была электрическая цепь, в ней обязательно есть два основных участка, два главных цеха. В одном из них свободные заряды получают энергию — это генератор. На другом участке, в другом главном цехе, заряды отдают полученную энергию. Этот цех называют нагрузкой: он нагружает генератор, отбирает у него энергию, использует её для выполнения полезной работы. Типичная нагрузка — электрическая лампочка, именно в её металлической нити свободные электроны, которые генератор заставил двигаться, сталкиваются с местными атомами, ударяют по ним, и в результате этих ударов выделяется тепло и свет. Напоминаем: выделение тепла при ударе движущегося электрона в неподвижный атом — это сильное упрощение. Истинную сложную картину этого процесса знает квантовая механика.
ВК-42.Часто важно знать, не только какая работа выполнена, но и сколько на это ушло времени, — одно дело, если забор покрашен за час, и совсем другое дело, если за полгода. О том, насколько интенсивно выполняется работа, говорит мощность (обычно обозначается буквой Р). Единица мощности — ватт (Вт) соответствует работе в 1 джоуль, сделанной за 1 секунду. Если эта работа была выполнена за 0,1 секунды, то мощность равна 10 ватт, а если за 5 секунд, то работа велась более вяло — с мощностью 0,2 ватта.
Генератор и нагрузка входят не только в электрическую, но и в любую другую схему использования энергии, в любое устройство, предназначенное для выполнения каких-либо работ. Возьмём, к примеру, водяную мельницу. Могучие силы природы — Солнце и ветер — испаряют воду с поверхности земли, собирают её в прекрасные белые облака и в виде дождя и снега выплёскивают обратно на землю, в том числе на горные вершины. С гор вода течёт вниз, сливается в русла быстрых рек. Так работает генератор, с помощью гравитационных сил он создаёт потоки воды (она, заметьте, в реках двигается сверху вниз и никогда наоборот), снабжает их энергией. Падающая вода вращает колесо с лопастями, оно приводит в движение жернова мельницы, выполняющие нужную работу — перемалывание зерна. Это — нагрузка.
Т-37. Натёртые пластмассовая и стеклянная палочки в роли генератора, металлический проводник — в роли нагрузки. Две наэлектризованные палочки — стеклянная (+) и пластмассовая (-) — и вот уже готов простейший генератор, который мог бы двигать свободные электрические заряды, заставляя их работать. Стоит только соединить палочки проводником, как в нём сразу же начнётся электрический ток, о котором мы уже мимоходом вспоминали (Т-33). Старинное слово «ток» означает «непрерывное течение» и происходит от того же корня, что и поток. В формулах, на схемах, в технических текстах электрический ток обозначается буквой I, в некоторых случаях — буквой i. В нашем примере электрический ток — это упорядоченное движение свободных электронов в проводнике с пластмассовой палочки (-), где их слишком много, на стеклянную палочку (+), где электронов не хватает. Можно сказать об этом подробнее: «минус» пластмассовой палочки вталкивает свои лишние электроны в проводник. В том его участке, который примыкает к этой пластмассовой палочке, тоже появляется избыточный «минус»; он двигает свободные электроны всё дальше и дальше к «плюсу», к стеклянной палочке, где электроны занимают свободные места в тамошних атомах (Т-8). Проводник в этой системе играет роль нагрузки — проходя по нему, заряды (электрический ток I) работают, вырабатывают какое-то количество тепла. А это значит, что наша цель достигнута, завод, где работают движущиеся заряды, построен.
ВК-43.Существуют сравнительно простые электроизмерительные приборы — для измерения тока амперметр и для измерения электродвижущей силы вольтметр. Вольтметр подключается параллельно выходным зажимам генератора, у которого нужно измерить Э.Д.С., а амперметр включается последовательно в цепь, в которой нужно измерить ток. При включении амперметра и вольтметра нужно соблюдать правильную полярность — не перепутать местами + и —, они указаны на входных контактах приборов.