Р-13. У НАС ТОЖЕ ВОЗМОЖНЫ ВАРИАНТЫ… Таблица на этом рисунке поясняет, какие в принципе возможны изменения, в результате которых у какого-либо физического тела начнёт показывать себя электрический заряд, как мы это наблюдали при натирании стекла и пластмассы. В первых трёх столбцах таблицы показаны 3 атома (атом водорода и два условных атома с разным числом протонов в ядре) в идеальном состоянии — в каждом из них равно число положительных (+) и отрицательных (—) зарядов. Вещество, созданное из таких атомов, никаких электрических свойств не проявляет. В следующей тройке колонок у атомов связь внешних электронов с ядром слабее, и часть появившихся свободных электронов удаётся удалить из вещества, как это происходило при натирании стекла. У вещества, о котором рассказывают три последних столбца таблицы, атомы сумели где-то добыть и присоединить к себе несколько лишних электронов, и общий электрический заряд вещества оказался отрицательным, как это было при натирании пластмассы.
Прежде чем двигаться дальше — два предупреждения. Во-первых, экспериментируя с наэлектризованными палочками и проводником, мы ввели важнейшее для всей электротехники понятие «электрический ток», сказав о нём буквально несколько слов. Но это лишь самое предварительное сообщение о токе, очень скоро о нём будет рассказано подробно. Во-вторых, экспериментируя с наэлектризованными палочками и проводником, хорошо бы какими-нибудь цифрами оценить работу нашей учебной электрической цепи. Много ли она получает энергии? Много ли выдаёт тепла? От чего всё это зависит? По каким показателям можно оценить то, что происходит в цепи? Как определить работоспособность свободных электронов? Как оценить массовость их движения в проводнике? Ответить на подобные вопросы не очень трудно, это непременно будет сделано, и тоже очень скоро, буквально через несколько страниц (Т-43). Значительно сложнее ответить на другой вопрос, просто смешной, на первый взгляд: как технически избыточные заряды создают электрический ток? Каким способом один электрический заряд толкает второй заряд? Может быть, просто прижимается к нему и толкает, как, скажем, напористый хоккеист плечом толкает своего соперника?
Т-38. Наряду с веществом существует и такой вид материи, как поле. Во всём нашем рассказе об электричестве этот небольшой раздел — один из самых сложных, в значительной степени из-за него пришлось начинать издалека. С того, что человек нелегко и непросто постигал устройство мира. Что мир устроен намного сложнее, чем кажется с первого взгляда. И что нужно уметь считаться с реальностью, какой бы непривычной она ни казалась. Нужно научиться признавать очевидные факты, ограждать себя от неверия и внутренних протестов спокойной формулой «Так устроен этот мир…».
Мы, к сожалению, не видим, как лишние электроны пластмассовой палочки (-) подталкивают свободные электроны проводника, — плечом или как-то иначе (Т-8). Но мы прекрасно видели, как натёртая палочка с довольно большого расстояния подтягивала клочки бумаги (Р-1, Р-17). Каким образом? С помощью каких нитей? Через каких посредников? Не может же палочка действовать на бумажки через Ничто, обязательно должно существовать какое-то Нечто, с помощью которого один заряд тянет к себе другой.
Проще всего было бы предположить, что заряды как-то взаимодействуют через вещество, которое находится между ними, в нашем примере с притягиванием бумажек — через воздух. Например, заряды тянут или толкают друг друга через молекулы, атомы, электроны или ещё какие-нибудь частицы вещества, подобно тому, как паровоз через весь состав передаёт свою тягу последнему вагону. Но достаточно перенести эксперимент в безвоздушное пространство, в вакуум, и эта гипотеза безнадёжно отпадает — в вакууме, в пустоте, где никакого промежуточного вещества нет, палочка притягивает клочки бумаги с такой же силой, как и в воздухе. А это значит…
ВК-44.Сила тока I в амперах — это количество кулонов, которое за секунду проходит через поперечное сечение проводника. А электродвижущая сила Е в вольтах — это работа, которую выполняет каждый кулон. Значит, мощность Р в ваттах (работа за секунду) в какой-либо цепи можно подсчитать как произведение э.д.с. в вольтах (работа одного кулона) на ток в амперах (число кулонов в секунду). То есть мощность можно подсчитать по достаточно простой формуле Р (в ваттах) = Е (в вольтах) х I (в амперах).
А это значит, что в мире есть ещё что-то, кроме реальности «вещество», к которому мы привыкали миллионы лет и вроде бы знаем все его свойства и повадки: массу, объём, геометрические формы, гравитационное притяжение, движение по инерции, плотность, температуру. Вещество, считаем мы, — это то, что реально есть, то, что мы видим и, образно говоря, можем взять в руки. Вещество — это глина, вода, воздух, плитка шоколада, марсианские пески, лепесток ромашки. Нам кажется, всё, что есть в мире, — это вещество.
Но вспомните ещё раз (это полезно вспоминать почаще): мир устроен сложней, чем кажется с первого взгляда. Силой мысли, своей неутомимой пытливостью, своей любознательностью человек открыл и понял то, что природа не показала ему сразу. Он открыл невидимое электричество: нажмите кнопку выключателя на настольной лампе — и станет ясно, что электричество есть абсолютная реальность и мы, люди, научили его работать на нас. Человек открыл ядерные силы: вспомните десятки атомных электростанций — и у вас исчезнут сомнения относительно реальности ядерных сил. Теперь настал момент увидеть, понять и привыкнуть вот к чему — кроме вещества, кроме этой привычной и очень наглядной реальности есть ещё иная, невидимая, без цвета, вкуса, запаха, размазанная по пространству реальность, которой не заготовлено место в нашем сознании. Этой реальности дано название «поле».
Поля бывают разные, разных, если можно так сказать, сортов. Вокруг электрического заряда существует электрическое поле, вокруг магнитов, с которыми мы начнём подробно знакомиться очень скоро, существуют магнитные поля, каждую массу — протон, яблоко, планету — окружает гравитационное поле. И именно через поля происходят все взаимодействия на расстоянии: взаимное притяжение масс, взаимодействие магнитов, притяжение или отталкивание электрических зарядов.
ВК-45.На этой схеме две параллельные цепи, в нижней одна лампочка, в верхней две, включённые параллельно. Благодаря этому параллельному соединению сопротивление верхней цепи в два раза меньше, чем нижней, ток при этом в два раза больше (4 А) и потребляемая мощность тоже (6 Вт). Проделав несколько мысленных опытов и на этой схеме, можно получить вывод, который можно было сделать на предыдущей: одну и ту же мощность можно получить при разных соотношениях тока I и напряжения U.
Т-39. Тот, кто хочет чувствовать себя свободно в электрическом королевстве, непременно должен научиться дополнять открывшуюся ему простую картину мира. Сейчас уместно ещё раз вспомнить о древнейших изобретателях, которые придумали разговорный язык. И о том, что после этого много тысячелетий люди присваивали своим открытиям названия-слова, как бы вешали на эти открытия таблички: «отражение света», «молекула», «маятник», «кровеносные сосуды», «кинетическая энергия» и многие тысячи других. Иногда это было несложно — увидел с мелкими блёстками серый камень — и присвоил ему название «гранит», увидел пушистого зверька, прыгающего по деревьям, — и назвал его «белка».
Но бывало, в простом деле привешивания табличек встречались серьёзные трудности. Что такое, например, сила? Энциклопедический словарь поясняет: это «…мера механического действия на данное материальное тело со стороны других тел… как при непосредственном их контакте, так и через посредство создаваемых телами полей». Чётко сказано, но как представить себе силу столь же просто, как белку или кусок гранита? Как она выглядит, эта сила? Как её увидеть хотя бы мысленным взором? Как она действует? Откуда берётся?
Кто-то пошутил: попытки объяснить, что такое сила, свидетельствуют о бессилии человечества. Но эта шутка, к сожалению, отражает существо дела, как говорится, с точностью до наоборот. Мозг наш действительно не может сразу, с ходу понимать какие-то реальности — так мы устроены. А божья коровка устроена так, что не может понять
ВК-46.Та же зависимость и та же формула Р = Е∙I, но только вместо э.д.с. В в ней напряжение U — часть э.д.с., доставшаяся участку цепи, о чём мы ещё поговорим подробно (ВК-56, ВК-57). Напряжение, как и э.д.с., измеряется в вольтах, и поэтому мощность, потребляемая каким-либо участком цепи, так же просто, как и в предыдущем случае, вычисляем по формуле Р = U∙I, где Р, U, I относятся к выбранному участку. При желании к этой сложной схеме можно вернуться после знакомства с разделами ВК, названными выше.
Р-14. АТОМЫ-НАРУШИТЕЛИ — НАХОДКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ. Из всех показанных на предыдущем рисунке (Р-13) возможных нарушений некоторые довольно часто встречаются в природных веществах. И многие такие вещества-нарушители оказались находкой для электротехники — она получила от природы в готовом виде необходимые ей материалы, помогающие добывать и использовать электрическую энергию. Большое количество свободных электронов в межатомном пространстве (2) характерно для металлов (цинк, олово, железо, серебро, золото и другие). Очень много свободных электронов в меди и алюминии, их к тому же сравнительно недорого добывать и обрабатывать. Сочетание этих достоинств сделало медь и алюминий самыми популярными материалами электротехники.
В металлах и иных твёрдых веществах положительные ионы (оставшиеся после ухода некоторых внешних электронов в межатомное пространство) неподвижны — они как бы привязаны к жёсткой структуре материала, например к его кристаллической решётке (3). Но в жидкостях или в газах в