Мы знаем, что действие всех электрических приборов — лампочек, моторов или плиток — основано на прохождении через них электрического тока. «Включить ток», «выключить ток» — эти слова известны каждому.
Что такое электрический ток?
Для передачи электрического тока применяют металлические проволоки — провода. Атомы металлов расположены в определённом порядке, образуя жёсткий остов — так называемую пространственную решётку металла.
Существенная особенность металлов, отличающая их от других тел, — это наличие внутри металлов свободных электронов, то-есть электронов внешней, всего слабее притягиваемой ядром, электронной оболочки, которые оторвались от своих атомов и странствуют по всему объёму, занимаемому металлом.
При «включении» тока прежде беспорядочно блуждавшие свободные электроны начинают двигаться вдоль проводника. Такое упорядоченное движение свободных электронов и есть электрический ток в металле. Если электроны движутся в проводнике всё время в одном направлении, то это — постоянный ток. Попеременное упорядоченное движение электронов то в одном, то в другом направлении вдоль проводника — это переменный ток. О получении и применениях постоянного и переменного тока будет рассказано ниже[1].
Чем больше электронов проходит в одну секунду через сечение проводника, тем сильнее электрический ток. За единицу силы электрического тока принят один ампер. При электрическом токе в один ампер через каждое сечение проводника проходит в секунду более 6 миллиардов миллиардов электронов. Обычная электрическая лампочка потребляет ток силой в половину ампера, а мотор лифта или станка 30–50 ампер.
В повседневной практике электротехникам приходится включать ток на линиях электропередачи длиной в сотни километров. При этом совершенно невозможно заметить промежуток времени, прошедший с момента включения до «появления» электрического тока на другом конце линии. Нам не приходится ждать, пока зажжётся электрическая лампа. Мы знаем, что она начинает светить сразу же после поворота выключателя.
Тем более странным может показаться утверждение, что поток электронов движется по проводу очень медленно. Например, по нити светящейся лампочки электронный поток за одну секунду проходит путь, равный лишь нескольким миллиметрам. Как объяснить это кажущееся несоответствие?
Обратимся к примеру. Представим себе длинную трубу поршневого насоса, заполненную водой. Если надавить на поршень, то из противоположного конца трубы выльется тотчас некоторое количество воды.
Значит ли это, что из трубы вылились те частицы воды, которые находились непосредственно под поршнем?
Конечно, нет!
Нажатием поршня мы лишь привели в движение всю массу воды, которая заполняет трубу. Отдельные частицы воды двигались, очевидно, со скоростью, равной скорости движения поршня. Наружу вышли те частицы воды, которые находились у выходного конца трубы.
Нечто похожее происходит и в металлическом проводнике со свободными электронами при подключении его к источнику тока. Свободные электроны под действием своеобразного «электрического напора» — электрического напряжения — тотчас начинают упорядоченно двигаться во всех участках проводника. Вот почему при включении лампочки, удалённой даже на десятки километров от электростанции, не приходится ожидать, пока электричество «дойдёт» до лампочки.
Что же заставляет свободные электроны непрерывно следовать вдоль проводника в определённую сторону?
Обратимся снова к примеру. Представим себе два сосуда, соединённых внизу трубкой с краном. Закроем кран и наполним сосуды водой до разных уровней.
Если теперь мы откроем кран, то вода начинает течь из сосуда с более высоким уровнем в сосуд с меньшим уровнем воды. Чем выше уровень воды в сосуде, тем больше её давление на дно сосуда. Разность уровней и есть причина возникновения разности давлений воды у концов соединительной трубки, то-есть силы, заставляющей воду перетекать из одного сосуда в другой. Как только уровни выравниваются, ток воды прекращается.
Приведённый пример помогает нам уяснить причину возникновения электрического тока. Разность уровней воды в сосудах можно уподобить разности «электрических уровней» — напряжению на полюсах источника электрического тока. Момент открывания крана в соединительной трубке соответствует замыканию электрической цепи выключателем.
Следует, однако, подчеркнуть коренное отличие тока жидкости от электрического тока. В первом случае движущая сила — это разность давлений в жидкости, тогда как причиной движения свободных электронов по проводнику служит электрическая сила притяжения электронов к положительно заряженному полюсу источника тока и отталкивание от отрицательно заряженного полюса.
1
Более подробно об электрическом токе см. книжку «Научно-популярной библиотеки» Э. И. Адирович «Электрический ток». (Выпуск 48 —