Другая принципиально важная особенность электрической цепи связана с вопросом, который мы только что пытались обсуждать: где фактически заканчивается область со скоплением избыточных зарядов, где проходит электрическая граница между электродами генератора и проводами внешней цепи?
Разобраться в этом нам поможет довольно простая аналогия: захватив санки, мы заберёмся на высокую снежную гору и прокатимся вниз.
Прокатимся? Возможно… Но только не в этот раз. Мы подходим к краю снежной горы и вместо покатого склона видим резкий обрыв, затем совершенно ровное снежное плато и опять обрыв. О том, чтобы прокатиться на санках с такой горки, и речи быть не может, с неё можно только упасть.
Находим другой спуск, на этот раз одинаково пологий по всей его длине и при этом ровный, как доска, без единого бугорка или впадины. Спуск — то, что надо, как говорят одесситы. При внимательном рассмотрении, однако, оказывается, что и этот спуск не очень-то хорош для катания на санках: участки рыхлого снега чередуются на нём с гладким, блестящим льдом и с голой оттаявшей землёй. По такому спуску санки будут не катиться, а дергаться — по льду они помчатся быстро, по рыхлому снегу пойдут медленно, а на голой земле могут совсем остановиться.
После долгих поисков находится, наконец, горка хорошая во всех отношениях. На ней, правда, как и на предыдущей, также чередуются лед, снег и оттаявшая земля, но наклон этих разных участков тоже разный: там, где лед, — дорога пологая, где снег — наклон побольше, а там, где появилась голая земля, — спуск совсем крутой. Одним словом, там, где санкам трудней двигаться, там спуск круче. Поэтому санки, скорее всего, с горы будут спускаться ровно, с постоянной скоростью.
ВК-76.Двести лет назад в несложных опытах было выявлено, что электрический ток поворачивает стрелку компаса, то есть создаёт магнитное поле. Так, союз электричества и магнетизма впервые показал людям, что он может работать. Прошло всего несколько десятилетий, и из глубокого понимания существа дела родились эффективно работающие электродвигатели, прародители миллионов или даже миллиардов нынешних электрических моторов, работающих в поездах метро, во фрезерных станках и в кофемолках.
Т-67. Созданные генератором избыточные заряды автоматически распределяются в последовательной цепи так, чтобы ток везде был одинаковым. Три придуманные нами горки иллюстрируют три варианта распределения избыточных зарядов в электрической цепи. Первый вариант: все избыточные заряды, появившиеся в генераторе, сконцентрированы на его электродах. Этот вариант уже забракован нами — в замкнутой цепи не может быть электрического обрыва. Второй вариант: избыточные заряды равномерно распределяются по всем участкам цепи, и свободные электроны, создающие ток, на каждом из участков подталкиваются с одной и той же силой. Но такое тоже невозможно — на участках с разным сопротивлением в этом случае будет разный ток. Потому что заряды на всех участках цепи подталкиваются с одинаковой силой, а участки сопротивляются этому подталкиванию по-разному, картина напоминает горку с одинаковым по всей длине наклоном и с участками, имеющими разное покрытие.
От неудачного второго варианта остаётся всего один шаг до следующего, третьего, который в точности соответствует действительности: избыточные заряды в реальной цепи распределяются в соответствии именно с этим третьим вариантом.
Третий вариант санного спуска (крутизна отдельных участков тем больше, чем больше трение на их поверхности) иллюстрирует точно установленный порядок распределения избыточных зарядов в последовательной цепи. До тех пор, пока генератор находится в одиночестве, пока к нему не подключена внешняя цепь, избыточные заряды сконцентрированы на электродах генератора. Но подключите к генератору внешнюю цепь, и его продукция (избыточные заряды) появится во всей цепи, распределится по различным её участкам. Причём заряды автоматически распределятся так, что на участок с большим сопротивлением придётся большее их количество. А это значит, что чем больше сопротивление участка, тем сильнее генератор будет проталкивать через него свободные электроны, и в итоге во всех участках, независимо от их сопротивления, установится одинаковый ток (Р-32.2).
Хочется обратить особое внимание на слово «автоматически» Скопление зарядов на разных участках цепи регулируется самим током. Если вдруг в какой-нибудь точке по каким-то причинам избыточных зарядов станет чуть больше или чуть меньше, то тут же изменится и ток, он исправит нарушение баланса, добавит немного зарядов или убавит, причём всегда с таким расчётом, чтобы восстановить своё одинаковое значение во всей цепи.
ВК-77. В простом опыте стрелка компаса отклоняется в сторону проводника, по которому идёт ток. Это значит, что магнитные свойства создают движение электрических зарядов. Почему это происходит? Почему неподвижный электрический заряд — это всего лишь электрический заряд, а движущийся — ещё и магнит? Ответ известен — так устроен наш мир. Кстати, в некоторых веществах движение зарядов создаёт «элементарные магнитики» — магнитные домены. Их поляризация и формирует постоянные магниты.
Т-68. Электродвижущая сила генератора делится между участками последовательной цепи, часть э.д.с., доставшаяся какому-нибудь из них, называется напряжением U на этом участке и измеряется в вольтах (В). Теперь мы должны другими глазами взглянуть на электрическую цепь, в которой идёт ток, и пояснить то, о чём было сказано мимоходом. На каждом последовательном участке цепи, а не только на электродах генератора, есть избыточные заряды, а значит, между любыми двумя точками такой цепи действует своя собственная электродвижущая сила. Но откуда она берётся? За счёт какой энергии появляется? Это часть общей э.д.с., которую создаёт генератор. Появляется эта э.д.с. в самом генераторе и обычно за счёт использования какого-то иного вида энергии, например, в аккумуляторе или в гальваническом элементе — за счёт химической энергии. При подключении внешней цепи все избыточные заряды, поставляемые генератором, распределятся между участками этой цепи и создадут на каждом участке его собственный филиал электродвижущей силы. Причём чем больше сопротивление участка, тем большая часть энергии генератора ему достанется, тем большая часть э.д.с. будет действовать именно на этом участке. Эта часть электродвижущей силы обозначается буквой U и называется напряжением на данном участке цепи.
Так же как и сама электродвижущая сила Е, напряжение U измеряется в вольтах (В). И физический смысл слов «вольт напряжения» точно такой же, как и смысл уже знакомого нам выражения «вольт электродвижущей силы» (Т-52), — он называет работу, которую выполнит заряд 1 кулон, проходя по данному участку. Чем большую работу выполняют электроны, проходя по какому-нибудь участку последовательной цепи, тем больше напряжение на нём.
ВК-78.Магнитное поле всегда замкнуто. Это значит, что, двигаясь в магнитном поле и ориентируясь определённым образом по стрелке компаса (она помогает двигаться вдоль линии с одинаковой интенсивностью магнитного поля), мы придём в ту же точку, из которой начали свой путь.
Т-69. Работоспособность (в вольтах) в какой-либо точке электрической цепи или электрического поля часто называют её потенциалом. Само слово потенциал происходит от латинского слова «потенциа», что означает «сила, способность действовать». Даже при упрощённом, поверхностном изучении какого-либо предмета приходится упоминать термины, без которых, казалось бы, можно обойтись, но которые, однако, нередко встречаются в литературе. К числу таких терминов относится «потенциал», он говорит об электрическом состоянии какой-либо точки электрической схемы или пространства, где действуют электрические силы. Часто можно услышать выражение «разность потенциалов», которое относится к двум тут же названным точкам. Потенциал и, следовательно, разность потенциалов измеряются в вольтах, точно так же, как напряжение или электродвижущая сила. И говорит разность потенциалов о той работе, которую сможет выполнить ток, перемещая 1 кулон электрических зарядов от одной названной точки к другой.
Т-70. На любом участке электрической цепи действует закон Ома, по сути, такой же, как закон Ома для всей цепи. Законы любой страны в значительной своей части действуют на всей её территории, но есть и такие, которые учитывают особенности отдельных регионов, — это местные законы, непременно согласованные с законами общегосударственными. Нечто подобное можно сказать про закон Ома — он может отображать соотношение Е, R, I для всей цепи, а также для какого-либо её участка. При этом закон Ома для участка цепи имеет некоторые местные особенности.
Напряжение U на участке цепи (падение напряжения) это не выдумка, помогающая что-то объяснить или подсчитать. Это реальность, которую можно измерить вольтметром и назвать местной э.д.с. Но общая э.д.с. Е — это характеристика генератора, и ни от чего другого она не зависит, а вот напряжение U на участке цепи никак не назовёшь независимой величиной.
ВК-79.Направление магнитного поля проводника определяется по правилу часов — если ток входит в циферблат, то северный полюс направлен по ходу стрелок. Если сделать из проводника с током виток, то у него появятся магнитные полюсы — северный и южный. Соединив последовательно несколько витков провода, то есть намотав катушку и пропустив по ней ток, можно получить довольно сильный магнит или, точнее, электромагнит — магнитные поля отдельных витков, по которым идёт общий ток, суммируются.
Т-71. Напряжение U на участке цепи зависит от силы тока I, который проходит по этому участку, и от его сопротивления R. Совсем недавно из формулы закона Ома мы получили две расчётные формулы — для вычисления э.д.с.