Представьте, что мы движемся вдоль последовательной электрической цепи и всякий раз берем из нее пробу вещества, подобно тому, как геолог берет для химических анализов пробу грунта. Начнем с «минуса» генератора, с отрицательного электрода.
В пробе, взятой из него, естественно, обнаружится избыток отрицательных зарядов, ну, скажем, лишняя тысяча электронов (эта цифра, как и все последующие, — чистая выдумка, цифры подобраны так, чтобы пояснить суть дела, его качественную сторону). Движемся в сторону положительного электрода и еще раз берем пробу, на этот раз уже в соединительном проводнике. Здесь избыток отрицательных зарядов несколько меньше — в том месте, где проводник соединяется с нагрузкой, с лампочкой, в пробе оказалось 990 электронов. Как видите, разница в количестве избыточных зарядов на концах соединительного провода невелика — на одном его конце всего на 10 зарядов больше, чем на другом.
А вот пройдя по нити лампочки, мы обнаружим большое различие в количестве избыточных электронов — на одном конце нити их, как мы только что установили, 990, а на другом оказывается уже 590 — разница в 400 избыточных электронов. Двигаясь дальше, мы в какой-то момент обнаружим участок цепи, где избыточных электронов вообще нет, а затем начнут появляться избыточные положительные заряды, положительные ионы самого металла. По мере продвижения к «плюсу» количество избыточных положительных зарядов будет все возрастать и на положительном электроде достигнет своего максимума — 1000 лишних ионов в каждой пробе.
Учебный фильм «Путешествие вдоль электрической цепи» так же, как и наш третий вариант санного спуска (крутизна отдельных участков тем больше, чем больше трение по их поверхности), иллюстрирует точно установленный порядок распределения избыточных зарядов. До тех пор, пока генератор находится в одиночестве, избыточные заряды сконцентрированы только на его электродах. Но подключите к генератору внешнюю цепь, и продукция генератора — избыточные заряды — появится во всей цепи, распределится по различным ее участкам. Но неравномерно. Заряды автоматически распределятся так, что на участок с большим сопротивлением придется большее их количество. А это значит, что чем больше сопротивление участка, тем сильнее будут проталкиваться через него свободные электроны. И в итоге получится, что во всех участках, независимо от их сопротивления, установится одинаковый ток. Так же как может установиться одинаковая скорость движения саней на горке с разным покрытием (лед, снег, земля) и с разной крутизной спуска.
Хочется обратить особое внимание на слово «автоматически». Скопление зарядов на разных участках цепи регулируется самим током. Если вдруг в какой-нибудь точке избыточных зарядов станет чуть больше или чуть меньше, например, потому, что по каким-то причинам сопротивление одного из участка цепи изменилось, ток тут же на мгновение изменится и исправит нарушение баланса, добавит немного зарядов или убавит. Причем всегда с таким расчетом, чтобы восстановить свое неизменное значение во всей цепи.
Теперь мы должны другими глазами взглянуть на электрическую цепь, по которой идет ток. На каждом участке такой цепи, а не только на электродах генератора, есть избыточные заряды, а значит, между любыми двумя точками цепи действует электродвижущая сила. Конечно же, первопричина всех этих местных электродвижущих сил — генератор. Именно в нем за счет других видов энергии (свет, тепло, химические реакции, механическая работа) происходит электризация атомов, накапливаются избыточные электроны или положительные ионы. Но в итоге все избыточные заряды, вся электрическая энергия, вырабатываемая генератором, распределяется между участками цепи. А могло ли быть иначе? Нужно же как-то двигать свободные заряды по этим участкам, создавать в них ток…
Ту часть э.д.с., которая достается какому-либо участку цепи, принято называть напряжением на этом участке и обозначать буквой U (Р-21. Р-22).
Р-22
Как уже несколько раз подчеркивалось, разница в избыточных зарядах на концах какого-либо участка последовательной цепи автоматически оказывается тем больше, чем больше сопротивление этого участка. То есть, иными словами, напряжение на участке цепи пропорционально сопротивлению участка. Ну, а кроме того, по абсолютной величине это напряжение тем больше, чем больше сама э.д.с., — если делить на несколько человек большой каравай хлеба, то каждому достанется больше, чем если бы делить маленькую булочку (Р-26;2).