Некоторые вещества проводят электричество существенно лучше, чем другие. Это связано со строением атома. Электроны вращаются вокруг ядра на разных энергетических уровнях, которые называются оболочками или орбиталями. Если у атома на внешней оболочке всего один электрон, он легко его отдает, – как раз это и нужно для передачи электричества. Такие вещества хорошо проводят электричество, поэтому их называют проводниками. Лучшие проводники – медь, серебро и золото. Не случайно эти элементы расположены в одном и том же столбце периодической системы. Медь – самое распространенное сырье для изготовления проводов.
Свойство, противоположное электропроводимости, называется сопротивлением. Некоторые вещества сильнее сопротивляются току, нежели другие, – это резисторы. Если вещество обладает очень высоким сопротивлением, практически не проводит электричество, его называют диэлектриком (изолятором). Резина и пластик – хорошие изоляторы, вот почему из них часто делают оболочку для проводов. Ткань и дерево, сухой воздух тоже хороши в таком качестве. Однако при достаточно высоком напряжении практически любой материал приобретает электропроводимость.
Сопротивление меди невелико, но оно присутствует. Чем длиннее провод, тем выше его сопротивление. Если бы вы попытались зажечь фонарик с проводами длиной в несколько километров, то их сопротивление оказалось бы чрезмерным, и фонарик бы не работал.
Чем толще провод, тем ниже его сопротивление. Это может показаться нелогичным. Кажется, что чем толще провод, тем больше нужно электричества, чтобы его «наполнить». На самом деле в толстом проводе доступно гораздо больше электронов, образующих электрический ток.
Я уже говорил о напряжении, но не дал определения этому явлению. Напряжение батарейки составляет 1,5 вольта. Что это значит? Напряжение, измеряемое в вольтах (единица напряжения названа так в честь графа Алессандро Вольта (1745–1827), который в 1800 году сконструировал первую батарею), – это одна из самых сложных концепций в элементарной электротехнике. Напряжение описывает потенциал для выполнения работы. Напряжение существует независимо от того, подключены ли к батарее какие-либо приборы.
Возьмем, к примеру, кирпич. Когда он лежит на полу, его потенциальная энергия очень мала. Она увеличится, если вы поднимете кирпич на высоту метр двадцать от земли. Чтобы высвободить потенциальную энергию, достаточно отпустить кирпич. Если забраться на крышу высокого здания и поднять кирпич, его потенциальная энергия будет еще больше. Во всех трех случаях вы держите кирпич, сам он ничего не делает, но потенциал его отличается.
Гораздо проще определить, что такое ток. Сила тока зависит от того, сколько электронов мчится по проводнику. Сила тока измеряется в амперах, названных так в честь Андре Ампера (1775–1836). Чтобы достичь силы тока в один ампер, через поперечное сечение проводника нужно пропустить 6 240 000 000 000 000 000 электронов в секунду.
Здесь уместна аналогия с водой, текущей по трубам. Ток подобен объему воды, проходящему через трубу в единицу времени, напряжение – давлению воды. Сопротивление можно сравнить с шириной трубы: чем уже труба, тем выше сопротивление. Таким образом, чем выше давление, тем больше воды проходит через трубу, чем меньше сечение трубы, тем меньше воды через нее течет. Объем воды, текущей через трубу (ток) в единицу времени прямо пропорционален давлению воды (напряжению) и обратно пропорционален толщине трубы (сопротивлению).
Электротехника позволяет вычислить силу тока, если известны напряжение и сопротивление. Сопротивление – способность вещества тормозить поток электронов – измеряется в омах. Эта единица названа в честь Георга Ома (1789–1854), который также сформулировал знаменитый закон Ома:
I = E / R,
где I традиционно обозначает силу тока в амперах, E – электродвижущая сила, ЭДС (это первая буква в английском словосочетании electromotive force), а R – сопротивление.
Так, рассмотрим батарею, которая просто лежит в покое и ни к чему не подключена.
ЭДС E равна 1,5 вольта. Это потенциал для выполнения работы[8]. Поскольку между плюсовой и минусовой клеммой лишь воздух, сопротивление получается очень высоким, а значит, сила тока равна 1,5 вольта, деленному на очень большое число. Таким образом, ток практически нулевой.
Теперь соединим положительную и отрицательную клемму коротким отрезком медной проволоки (здесь и далее изоляцию на проводах показывать на рисунках не буду).
Перед вами короткое замыкание. ЭДС по-прежнему равна 1,5 вольта, но сопротивление очень низкое. Узнаем силу тока, разделив 1,5 вольта на очень малое значение. Сила тока получится огромной. По проводу побежит целая уйма электронов. На практике фактическое значение силы тока ограничено физическим размером батареи. Вероятно, батарея просто окажется не в состоянии выдать ток такой силы, и напряжение упадет ниже 1,5 вольта. Если батарея окажется достаточно велика, то провод разогреется, поскольку электрическая энергия станет превращаться в тепловую. Если провод нагреется слишком сильно, он может раскалиться и даже расплавиться.
Большинство электрических цепей попадает в промежуток между этими двумя крайностями. Их можно символически изобразить следующим образом.
Любой электротехник понимает, что зубчатая линия на этом рисунке обозначает резистор. В данном случае показано, что сопротивление в электрической цепи среднее – не высокое, не низкое.
Если сопротивление у провода низкое, он может сильно нагреться и раскалиться. Так устроена лампа накаливания. Честь создания электрической лампы накаливания обычно приписывается самому знаменитому американскому изобретателю Томасу Эдисону (1847–1931), но по состоянию на 1879 год, когда он запатентовал электролампочку, принцип ее работы был хорошо известен, и другие ученые тоже работали над этой проблемой[9].
Внутри лампы находится тонкая проволока, именуемая «нить накаливания», которая обычно изготавливается из вольфрама. Один кончик этой спирали подключен к нижнему контакту металлического цоколя, другой – к резьбовой поверхности цоколя, причем между нижним контактом и резьбой цоколя проложен изолятор. Провод обладает сопротивлением, поэтому нагревается. На воздухе вольфрамовая спираль раскалилась бы настолько, что просто сгорела бы, но внутри лампочки вакуум, поэтому раскаленная нить накаливания хорошо светится.
В типичном фонарике – две батарейки с последовательным соединением. Общее напряжение составляет три вольта. Сопротивление типичной лампочки из карманного фонарика – четыре ома. Следовательно, чтобы узнать силу тока в такой лампочке, делим три вольта на четыре ома и получаем 0,75 ампера, или 750 миллиампер. Таким образом, каждую секунду через лампочку пролетает 4 680 000 000 000 000 000 электронов.
Краткая проверка на практике: если попытаться измерить сопротивление лампочки карманного фонарика при помощи омметра, результат получится гораздо ниже четырех омов. Сопротивление вольфрама зависит от температуры, и по мере нагревания лампочки оно возрастает.
Вероятно, вы знаете, что на бытовых лампочках пишут, сколько в них ватт. Эта единица названа в честь Джеймса Уатта (1736–1819), прославившегося своей работой над паровым двигателем. Ватт – это единица мощности (P), которая вычисляется по формуле:
P = E × I.
Показатели нашего фонарика – три вольта и 0,75 ампера, то есть мы имеем дело с лампочкой мощностью 2,25 ватта.