Т-44. Единица электрического заряда — кулон (К). Начнём с самого начала, попробуем количественно оценить первопричину всех электрических процессов — электрический заряд.
Единица длины — метр, массы — килограмм, времени — секунда. Согласованная с ними единица электрического заряда — кулон, сокращённо К. Эта единица названа в честь Шарля Кулона (1736–1806), одного из основателей науки об электричестве. Согласно традиции единица измерения, которая происходит от собственного имени, в сокращённом виде обычно начинается с большой буквы, и поэтому сокращённое обозначение метра — м, секунды — с, килограмма — кг, а кулона — К. Но когда такую единицу пишут полностью, большая буква в начале неуместна, и мы пишем 5 К, но 5 кулонов.
Каждый, конечно, представляет себе длину один метр, массу один килограмм тоже представить нетрудно, такую массу имеет литр воды. Да и секунда вполне ощутимый интервал времени: спокойно произнесите «двадцать один» — и на это уйдёт примерно секунда. А что такое кулон? Много это или мало? Как можно представить себе такой электрический заряд?
ВК-52.На электрических схемах многие их элементы, например лампочки, электродвигатели, соединительные провода, часто отображают в виде сопротивлений. Это вполне возможно потому, что при анализе схемы и расчётах достаточно знать лишь сопротивление R того или иного элемента. Да и самому паяльнику или кофеварке не требуется от генератора каких-либо специальных условий, достаточно получить от него необходимое напряжение и мощность, которая обеспечит заданную силу тока.
У натёртой стеклянной палочки очень небольшой заряд — миллионные доли кулона. Но отсюда совсем не следует, что целый кулон — это какая-то астрономическая величина. У наэлектризованной палочки заряд небольшой, но и электрические силы её невелики, она всего лишь поднимает лёгкие клочки бумаги. Даже в карманном фонарике действуют совсем иные заряды — «минус» батареи (отрицательный электрод) каждую минуту поставляет в цепь электроны с суммарным зарядом уже 0,2–0,5 кулона, а в средний электродвигатель из сети может за секунду поступать заряд в десятки кулонов.
Здесь уместно вспомнить, что электрон и протон — это частицы с самой маленькой порцией электрического заряда. Отрицательный заряд электрона, так же как положительный заряд протона, составляет примерно 0,15∙10-18 К, то есть 0,15 миллиардной части от одной миллиардной части кулона. Отсюда следует: чтобы получить электрический заряд в один кулон, нужно собрать вместе примерно 6∙1018 электронов, то есть 6 миллиардов миллиардов (6 квинтиллионов) штук. Эту кучку электронов (Т-8) можно условно представить себе как своего рода эталон — как 1 К отрицательного электрического заряда. Можно представить себе такой же эталон положительного заряда из мысленно собранных вместе 6∙-1018 протонов.
Заряд в один кулон в виде кучки из 6∙1018 электронов или протонов для нашего воображения непосильная задача — очень уж много микрочастиц нужно собрать вместе. Но не стоит из-за этого огорчаться — хорошо, хоть можно думать об единице заряда, как о некоторой реальности, смирившись со всеми непостижимостями масштабов микромира. Что поделаешь — в природе встречаются именно такие основные электрические детали, и любое физическое тело, обладающее электрическим зарядом, получило его как сумму электрических свойств миллиардов или триллионов атомных частиц.
ВК-53.Закон Ома — очень важная, очень простая и очень понятная зависимость между электродвижущей силой Е, сопротивлением R и током I в простейшей электрической цепи: чем больше э.д.с. Е — тем больше ток I, чем больше сопротивление R — тем меньше ток. Из основной формулы закона Ома I = Е: R легко получить две расчётные формулы — для вычисления э.д.с. Е и сопротивления R. Для получения первой достаточно обе части основной формулы умножить на R, для второй — результат разделить на I.
Реально заряд в 1 К (один кулон) не удастся получить, сложив вплотную и собрав в маленьком объёме необходимое для этого количество протонов или электронов. Частицы с одноимённым зарядом будут расталкиваться с такой огромной силой, что в одну микроскопическую пылинку их не сожмёшь. Вспомните, только мощнейшие ядерные силы могут преодолеть электрическое расталкивание одноимённых зарядов и объединить в атомном ядре несколько десятков протонов.
Всё сказанное должно стать важной составной частью нашего представления об электрическом королевстве. Здесь во всех машинах и технологиях, в том числе в энергетике больших мощностей, работают чрезвычайно малые и чрезвычайно слабые, по нашим человеческим меркам, работники — в основном свободные электроны. Но количество их всегда настолько велико, действовать они могут настолько согласованно, и управлять этими действиями удаётся настолько точно, что микроскопические электрические невидимки совместно демонстрируют гигантские мощности и чрезвычайно высокое, просто-таки виртуозное мастерство.
После того как мы определили единицу электрического заряда, можно без особых трудностей ввести очень важную характеристику электрических цепей — величину тока, или, иначе, силу тока.
Т-45. Единица силы тока — ампер (А). Сила тока одна из самых естественных и самых понятных характеристик — она говорит о том, насколько интенсивно упорядоченное движение свободных зарядов в каком-либо участке электрической цепи. Слово «интенсивность» часто используют при оценке автомобильного движения. Если, например, мимо вашего дома каждую минуту проносится два-три десятка автомобилей, то считайте, что вы живёте на улице с интенсивным движением, а если два-три десятка автомобилей проезжают по вашей улице за сутки, то интенсивность движения, конечно, невелика. При оценке величины электрического тока вместо характеристики интенсивность принято употреблять характеристику сила — в этом случае она имеет примерно тот же смысл, что и в выражении «сильный дождь».
ВК-54.Если к генератору, например к химическому, ничего не подключено, то избыточные заряды соберутся на его электродах и между «плюсом» и «минусом» окажется своего рода электрический «обрыв». Но если к генератору подключить внешнюю цепь, то вместо «обрыва» появится электрический «пологий спуск» — избыточные заряды автоматически распределятся в цепи и будут своим электрическим полем подталкивать свободные электроны на всём их пути во внешней цепи от «минуса» к «плюсу».
Р-16. ПОЛЕЗНЫЙ ОБМАН — НАПОМИНАНИЕ ОБ УДАРЕ. Многие, возможно, видели, как при ударе большим молотом по куску гранита из него вылетают искры, — это часть энергии удара превращается в тепло и оно накаляет разлетающиеся мельчайшие осколки камня. Примерно так же нагреваются ладони при бурных аплодисментах или пила в результате мелких и частых ударов её зубьев о распиливаемое дерево. И таким же образом электрический ток нагревает металл, по которому он движется, — свободные электроны, включившиеся в этот ток, сталкиваются с неподвижными атомами вещества, в котором он протекает. При этом, конечно, ток пропускают не по меди или алюминию, в которых свободные электроны двигаются легко и почти беспрепятственно. Ток пропускают по металлам, где электроны часто сталкиваются с атомами самого вещества и легко превращают в тепло значительную часть своей энергии. Это, конечно, упрощённая картина, и нужно не забывать об этом упрощении.
Используя металлы, которые не плавятся при достаточно высокой температуре (например, вольфрам плавится при 3380 градусах), и переместив все события в небольшой стеклянный баллон, из которого откачан воздух с его кислородом, или в баллон, который заполнен газом, не допускающим быстрого разрушения металла, создают простейшие электрические лампы, излучающие свет. Тепловое действие тока начали использовать более 200 лет назад, а вот электрическая лампочка появилась ещё лет через 70, ей недавно исполнилось 130 лет.
Электрический ток, если в нём участвуют свободные ионы, может выполнять ещё одну важную работу, именуемую «гальванопластика», — ионы могут переносить вещество, которое они представляют. Так, например, на дешёвом чёрном металле технология гальванопластики создаёт блестящее никелевое или иное декоративное и защитное покрытие.
Чтобы понять, как именно оценивается сила тока в проводнике, попробуйте представить себе, что внутри этого проводника создан своего рода контрольный пункт — проводник как бы перегорожен поперечной сеткой, и автоматы с фотоэлементами считают, сколько зарядов проходит через это поперечное сечение за единицу времени. В металлическом проводнике, в частности, таким способом подсчитывается количество электронов, которые упорядоченно смещаются в одну сторону, от «минуса» к «плюсу». Чем больше электронов проходит через наш условный контрольный пункт за определённое время, тем, следовательно, выше интенсивность их движения, тем больше, тем сильнее ток.
Единица силы тока — ампер, сокращённо А (большая буква, как и в сокращённом обозначении кулона). Многие уже, конечно, догадались, что имя единице измерения тока дал французский профессор Андре Мари Ампер (1775–1836), глубоко понявший основы взаимосвязи электричества и магнетизма. Нетрудно создать наглядный образ единицы измерения тока — если через поперечное сечение проводника за 1 секунду проходит заряд в 1 кулон (например, 6∙1018 электронов), то ток в этом проводнике составляет 1 ампер. Если за 1 секунду через наш контрольный пункт проходит 2 кулона, то ток, соответственно, равен 2 ампера, а если 1 кулон проходит через контрольный пункт (поперечное сечение проводника) за 10 секунд, то сила тока в проводнике составляет 0,1 ампера, так как за секунду проходит лишь одна десятая часть кулона. Подводя итог этой арифметике, запишем: 1А = 1 К/1 с, что означает «1 ампер — это интенсивность движения зарядов, при которой через условное поперечное сечение проводника проходит 1 кулон за 1 секунду».