В твёрдом, жидком или газообразном веществе можно создать что-то вроде электрической реки — непрерывный упорядоченный поток свободных электронов или ионов. В этом упорядоченном движении, получившем название «электрический ток», как во всяком движущемся теле, запасена определённая энергия. Поэтому электрический ток может выполнять ту или иную работу, например превращать свою энергию в теплоту или в свет. Система, где работает электрический ток, чем-то напоминает завод: в ней есть цех, где свободные электроны или ионы получают энергию, есть цех, где они её отдают, и есть транспортные пути, по которым свободные заряды перемещаются, так сказать, к месту службы. Всё это вместе получило название «электрическая цепь».

Т-32. Многое из того, что было и ещё будет рассказано, есть большая неправда, поскольку не упоминает о существовании квантовой механики. В предисловии отмечалось, что многое в книге излагается упрощённо и очень упрощённо (Т-8), но были и ещё будут разделы, которые кое-кто из физиков назовёт вообще неверными. И по большому счёту будет прав — некоторые связанные с электричеством картины нарисованы не так, как их представляет квантовая механика («квантум» в переводе с латыни означает «сколько»), которая вот уже несколько десятилетий открывает надёжно скрытые от нас подробности устройства мира. Взять, к примеру, принцип неопределённости — утверждение квантовой механики о том, что очень часто невозможно, причём не технически, а в принципе невозможно, с предельной точностью определить координаты электрона или иной частицы и одновременно её энергетический запас, её импульс. Как правило, можно говорить не о точных координатах, а лишь о вероятности появления частицы в какой-то точке пространства. Именно поэтому физики не пользуются понятием «орбита электрона» — нельзя для каждого момента знать одновременно местонахождение и скорость (импульс) электрона, который вращается вокруг ядра.

Электрон может вращаться на разных расстояниях от ядра и иметь поэтому разный запас энергии. Но не любой, а строго определённый: он может, как принято говорить, находиться лишь на разрешённых законами природы строго определённых энергетических уровнях. Вращаясь со скоростью примерно 1000 километров в секунду (это представить себе невозможно — чуть ли не миллиард миллиардов оборотов в секунду!), электрон вместе с тем не излучает электромагнитные волны, хотя согласно классической физике должен излучать их. Лишь спрыгнув (Т-8) на более низкий энергетический уровень, то есть перескочив на более близкую к ядру орбиту (извините за запрещённое слово «орбита»), электрон выбрасывает строго определённую порцию энергии — квант электромагнитного излучения определённой частоты. И вот что замечательно: рассчитанные квантовой теорией для разных атомов энергетические уровни точно соответствуют излучаемой частоте, измеренной в экспериментах.

Ещё одна квантовая непривычность — частица, оказывается, это ещё и волна. Теоретически рассчитанная длина волны тем меньше, чем выше энергия частицы, что тоже в точности подтвердилось. В частности, электронный микроскоп перестаёт видеть особо мелкие детали потому, что электрон из-за своей волновой природы перекатывается через них, как морская волна перекатывается через небольшой камушек.

Глубокая, красивая и вместе с тем дерзкая квантовая теория уже многое дала практике. Например, транзисторы, лазеры и теоретически предсказанное, а затем открытое антивещество, в частности позитрон — электрон с положительным зарядом и протон с отрицательным — антипротон. Только квантовая теория объяснила через 45 лет после открытия такое сложное явление, как сверхпроводимость.

Но главное всё же в другом. Квантовая механика, а лучше сказать, квантовая идеология, в корне изменила наши до того незыблемые представления о природе вещей. Например, многое непрерывное стало дискретным, прерывистым, квантованным, даже гипотетические элементарные порции времени и длины стали объектом серьёзных теоретических исследований. Совершенно жёсткие, неотвратимые, казалось бы, процессы оказались вероятностными, их уже нельзя просчитать, нельзя уверенно предсказать их развитие.

ВК-36. Настало время перейти к более серьёзному знакомству с электричеством, с его схемами, приборами, процессами. А для этого нужно научиться количественно оценивать многие уже знакомые нам электрические характеристики, так же, например, как мы привыкли количественно оценивать продукты и товары у магазинного прилавка. Вы ведь не попросите продавца взвесить вам много сахара или продать мало пакетов молока. Вы обязательно назовёте единицу измерения и цифру, которая к ней относится.

Квантовая физика открыла удивительный и странный мир, знакомство с ним требует немалых усилий, умения поверить в то, во что поверить непросто. Много сделавший для становления квантовой физики А. Эйнштейн не мог смириться с её вероятностной природой: «Господь Бог в карты не играет». Даже профессионалы жалуются, что не могут представить себе странный квантовый мир, ищут способы как-то обмануть своё воображение.

Из-за всех этих сложностей авторы учебных и популярных книг стараются не привлекать непростые квантовые представления и всё, что возможно, обычно поясняют с простых и наглядных классических позиций. По той же причине в наших рассказах об электричестве использованы добрые старые очень упрощённые модели, ими наполнено большинство учебников, к знакомству с которыми мы готовимся. И всё же, пользуясь этими моделями, нужно хоть изредка вспоминать, что реальный мир сложнее и что квантовая физика уже многое открыла в этой сложности.

Т-33. Электроны и ионы могут находиться в свободном состоянии и перемещаться в межатомном пространстве. Есть хорошая французская поговорка: «Для того чтобы сделать рагу из зайца, нужно как минимум иметь зайца». По аналогии можно сказать: для того чтобы заставить ионы и электроны работать в электрических машинах, нужно как минимум иметь эти ионы и электроны. Причём иметь их не закреплёнными в структуре вещества, а в подвижном, в совершенно свободном состоянии, чтобы можно было эти микроскопические детали перемещать, двигать и тем самым заставить их выполнять какую-то работу.

ВК-37. Электрический заряд (обычно обозначается буквой q, или Q) электрона — мельчайшая порция отрицательного электричества, так же как заряд протона — мельчайшая порция положительного. Распространённая единица электрического заряда — кулон (сокращённо К), он равен суммарному заряду собранных вместе 6 280 000 000 000 000 000 (6,28 миллиарда миллиардов, или иначе 6,28∙10¹⁸) электронов или протонов. Кулон очень распространённая единица, через неё приходят к единицам тока и напряжения.

Повседневный опыт приучил нас, что твёрдые тела и жидкости имеют плотную, непрерывную структуру. А вместе с тем структура у них, если можно так сказать, ажурная, и любое вещество — вода, бумага, мрамор, сталь — больше напоминает редкую волейбольную сетку, чем плотный клубок ниток. Мы, конечно, не можем невооружённым глазом увидеть эту ажурность, сетчатость, но точными физическими исследованиями установлено, что сгустки вещества, в частности атомные ядра и электроны, находятся друг от друга на огромном по атомным масштабам расстоянии.

Так, если предположить, что атомное ядро имеет размеры футбольного мяча, то для соблюдения истинных пропорций нужно представить себе, как вокруг этого мяча на расстояниях в сотни и тысячи метров (!) вращаются электроны размером с горошину. А всё остальное — пустота. Ажурные атомные конструкции — вот первая особенность строения вещества, которую важно знать конструкторам электрических заводов, где будут работать электроны.

А вот вторая…

В твёрдом теле атомы как бы закреплены, связаны друг с другом в прочный каркас. В жидкостях атомы связаны слабее, могут смещаться, именно поэтому жидкость «мягкая», она легко изгибается, течёт, принимает форму сосуда. Ну а в газах у атомов вообще полная свобода — лети куда хочешь. И во всех случаях — в твёрдом теле, в жидкостях и в газах — атомы совершают какие-то небольшие движения, колеблются, пошатываются (Т-8), причём тем сильнее, чем выше температура вещества. Эти колебания и пошатывания прекращаются только при абсолютном нуле, при температуре 0 градусов по шкале Кельвина (ноль градусов Кельвина записывается так — 0 К), а это минус 273,16 градуса по шкале Цельсия. Получить такую низкую температуру пока никому не удалось, хотя подошли к ней очень близко — остались тысячные доли градуса.

ВК-38. Чтобы количественно оценить электрический ток (обычно обозначается буквой I), существует единица измерения ампер (А) — это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит электрический заряд 1 кулон, например 6,28∙10¹⁸ электронов. Если за секунду проходит заряд в 2 кулона, то ток, естественно, в два раза интенсивней, то есть составляет 2 ампера, а если 1 кулон проходит через поперечное сечение проводника за 2 секунды, то ток составляет 0,5 ампера.

Р-10. ПЯТЁРКА ГЛАВНЫХ СИЛ ПРИРОДЫ. Тот, кто интересовался научными дискуссиями, проходившими сорок-пятьдесят лет назад, наверняка помнит одну из их тем — «Основные силы природы». Она называла пять основных сил, полученных нашим миром при его рождении, — это силы гравитационные (1), электрические (2), магнитные (3), а также действующие только в микромире ядерные сильные силы (4) и ядерные слабые силы (5). Главными эти силы назвали потому, что всё происходящее в мире сводится к действию одной или нескольких сил из этой пятёрки.

Уже давно было известно, что электрические и магнитные силы есть нечто единое по имени электромагнетизм, что в эту группу уже нужно включить слабые ядерные силы, назвав их электрослабыми. На этом рисунке Р-10 мы сознательно повторили вольность своих коллег, предложив читателям всю пятёрку природных сил с учётом их способности действовать самостоятельно и без учёта родственных связей. Мы ещё поговорим о союзе электричества и магнетизма, на котором основана чуть ли не вся электротехника. Вспомним мы и о сильных ядерных силах, их породил так называемый барионный заряд протона и нейтрона, который начинает действовать на очень малых расстояниях. Но зато сильные силы во много раз сильнее электрических сил и поэтому успешно противодействуют развалу атомных ядер (4) из-за расталкивания протонов с одинаковым электрическим зарядом (см. Р-2). И без ядерных слабых сил не мог бы существовать наш мир, они участвуют в превращении атомов водорода в более сложные атомы гелия (5), а этот процесс кормит энергией большинство звёзд, в том числе и наше Солнце.

При температуре выше абсолютного нуля в процессе хаотических, как их называют, тепловых колебаний атомы металлов — серебро, медь, алюминий, железо и другие — грубо говоря, сбрасывают некоторые внешние электроны, те, что сильно удалены от ядра и слабее других привязаны к нему электрическими силами. Вырвавшиеся из атомов электроны беспорядочно слоняются (Т-8) в межатомном пространстве, и эту огромную армию свободных и безработных электронов вполне можно было бы использовать в качестве движущихся деталей электрических машин.

Запомнив, что в некоторых твёрдых веществах могут быть нужные нам свободные электроны, перейдём к жидкостям и газам. Здесь в результате всё тех же тепловых колебаний атомов тоже появляются свободные электроны, но вместе с ними и другие свободные электрические частицы. Вспомните: атом, потерявший один или несколько электронов, из-за избытка протонов имеет положительный электрический заряд — это положительный ион. В твёрдых телах такие положительные ионы неподвижны, в жидкостях и особенно в газах они могут двигаться. Кроме того, в жидкостях и газах могут появиться подвижные отрицательные ионы — атомы, в которые попал лишний электрон. Таким образом, в жидкостях и газах может быть сразу три типа работающих деталей: свободные положительные ионы, свободные отрицательные ионы и, как всегда, свободные электроны (Р-14). Первое, что обычно делает электротехника, — она создаёт поток этих свободных частиц и заставляет его выполнять какую-либо полезную работу. Напомним, что организованный таким образом поток частиц получил название «электрический ток».

Т-34. Участвующие в электрическом токе электроны и (или) ионы, могут создавать тепло и свет, а также перемещать вещество. Если бить молотом по куску железа, то оба они сильно нагреются — энергия движущегося молотка в процессе удара превращается в тепло. По той же причине быстрый поток песчинок, выбрасываемый пескоструйным аппаратом, попав на гранитную плиту, не только очищает её, но ещё и нагревает. Поток электронов или свободных ионов в каком-либо веществе, сталкиваясь с его атомами, будет нагревать вещество — удар всегда удар. Тепловое действие, нагревание, — первая профессия движущихся зарядов (Р-16, Р-1, Р-2).

Вторая их профессия — излучение света. Если хорошо разогнать свободные заряды в веществе, то они будут ударять по неподвижным атомам с такой силой, что те начнут светиться, как, скажем, светится сильно нагретый кусок железа. Нить электрической лампочки светится именно потому, что в ней создаётся достаточно мощный поток свободных электронов и они с огромной силой ударяют по атомам металла, из которого изготовлена нить.

ВК-39. Мы привыкли к тому, что вес, а значит, и сила (её обычно обозначают буквой F) измеряются в граммах, килограммах и тоннах. Официально эти единицы используют для оценки массы в системе единиц СИ, которая принята в технике. А для оценки силы (веса) есть другая единица — ньютон (Н), это примерно 102 привычных грамма веса (силы), полстакана воды или молока весят примерно 1 ньютон. Иногда вес и силу указывают в килограммах, каждый из них это почти 10 ньютонов.

Р-11. БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ — НАЧАЛО НАШЕЙ ИСТОРИИ. Примерно сто лет назад в среде физиков и астрономов началось особо активное обсуждение истории Вселенной. В значительной мере это связано с появлением новых описаний нашего мира, таких, в частности, как опубликованная в 1916 году Общая теория относительности. Глубокие размышления, смелые расчёты и, казалось бы, безупречные математические модели поначалу рисовали совершенно разные картины — от неподвижного, как бы застывшего огромного звёздного мира до мира, который родился в немыслимом взрыве и вот уже почти 15 миллиардов лет разлетается, превращаясь в атомы, пылевые облака, звёзды, галактики.

Иногда на помощь теоретическим построениям приходят результаты, так сказать, практических работ — изучения реальных астрономических характеристик, которые могут что-то рассказать о далёком прошлом Вселенной. К числу таких работ относятся опубликованные в 1929 году итоги многолетнего изучения галактик. Эту работу выполнил американский астроном Эдвин Хаббл, очень поддержав её результатами сторонников Большого взрыва. Оказалось, что все галактики как бы уходят из области, где начинался взрыв.

Движение галактик оценивалось по изменению известной длины волны (частоты) их светового излучения, которое появляется, когда электроны переходят на более близкую к ядру орбиту. Мы точно знаем появившуюся при этом частоту (длину волны) излучения, если оно создавалось в неподвижной звезде (2). Более того, заглянув в свой справочник, мы можем сказать, какое вещество создало излучение именно с этой длиной волны (частотой). Так, по спектрограмме солнечных лучей в 1868 году на Солнце был открыт химический элемент гелий, который на Земле, где гелия мало, нашли лишь через много лет.

Но если излучение создаётся в веществе, которое быстро удаляется от приёмника спектроскопа (3), то принятая им волна окажется длиннее. Это явление называется эффект Доплера, оно известно широкой публике: когда поезд удаляется от нас, гудок становится более низким, более басистым, длина услышанной нами звуковой волны становится больше. На экране спектроскопа удлинение световой волны отразится так — чёрточка, соответствующая принятой волне, сдвинется вправо, в сторону более длинных волн, чаще всего в сторону красного цвета. Как принято говорить, произойдёт красное смещение.

И ещё одна профессия движущихся зарядов, в данном случае свободных ионов. Создать поток ионов — это означает создать поток вещества. Ионы ведь тоже атомы, и не страшно, если у них недостаёт одного-двух электронов или есть лишняя пара электронов. Потому что атом — это, прежде всего, ядро, недостающие электроны всегда можно где-нибудь подхватить (Т-8), а лишние сбросить. В то же время ион хотя и атом, но не обычный, не нейтральный, а всё же особый — наэлектризованный. И можно двигать ионы электрическими силами, перебрасывать из одного района в другой. Так, например, перебрасывая из растворов на поверхность какого-либо предмета ионы меди, никеля, хрома, серебра, золота, наносят на этот предмет тонкие металлические покрытия.

Мы пока ещё, к сожалению, не готовы к рассказу о главной профессии электрического тока, то есть упорядоченного потока свободных электронов и ионов, — с их помощью можно выполнять механическую работу, например вращать дискету, двигать диффузор громкоговорителя, тянуть электропоезда. Но даже уже известные нам профессии движущихся зарядов — производство тепла, света, транспорт вещества — стоят того, чтобы подробнее познакомиться с машинами и установками, где эти движущиеся заряды работают.

Т-35. Проводники, полупроводники, изоляторы — вещества с различным содержанием свободных электрических зарядов. Не во всяком веществе есть свободные электрические заряды в заметном количестве, а там, где они есть, их количество зависит от многих факторов. Например, от чистоты вещества: бывает, что небольшая добавка, небольшая доля примеси очень способствует появлению свободных зарядов. У некоторых веществ число свободных электронов можно значительно увеличить, если облучать эти вещества светом, — свет просто выбивает электроны из атомов. У других веществ такой же эффект наблюдается под действием рентгеновского излучения. Количество свободных зарядов зависит также от температуры — чем она выше, тем интенсивнее собственные тепловые колебания атомов и молекул, тем больше слетает с них электронов (Т-8). И, конечно же, число свободных зарядов в веществе прежде всего зависит от того, какое это вещество, насколько крепко в его атомах внешние электроны привязаны к ядру, насколько легко им вырваться на свободу. И ещё от того, насколько велики атомы, насколько близко один к другому они расположены и долго ли сможет свободный электрон бродить в межатомном пространстве, не подвергаясь опасности наткнуться на свободное место в атоме и вновь очутиться на орбите (Т-8).

ВК-40. Работу (обычно обозначается буквой А) в механике принято оценивать как силу, действовавшую на определённом участке пути. Единица работы — джоуль (Дж). Он соответствует работе, которую совершит сила в 1 ньютон, действующая на пути в 1 метр. Джоуль можно представить себе как работу, которая выполняется при поднятии полстакана молока на высоту одного метра. В джоулях измеряется также энергия, где-либо запасённая или затраченная на выполнение определённой работы.

Р-12. НО, МОЖЕТ БЫТЬ, ГДЕ-ТО ЧТО-ТО ВЫШЛО ИНАЧЕ. Другой пример (первый см. Р-11) такой рабочей находки — реликтовое, то есть древнейшее, радиоизлучение, оставшееся во Вселенной со времён Большого взрыва. Это излучение в 1968 году обнаружили американские астрофизики Арно Пензиас и Роберт Вильсон, занимаясь подготовкой антенны в установке для связи с космическими аппаратами. Находка решительно подтвердила созданную теоретиками картину Большого взрыва, в котором с самого начала участвовала сверхплотная и сверхгорячая материя. Из неё через много тысячелетий сформировались некоторые привычные для нас теперь атомы, а ещё позже — сгустки газа и звёзды, в том числе наше Солнце.

Обнаруженное на Земле реликтовое излучение вдохновило американских и европейских космических специалистов на создание спутников для его исследования в открытом космосе, свободном от земных помех. В 2006 году начали публиковаться интересные результаты проведённых измерений. В их числе, например, данные о некоторых изменениях уровня реликтового излучения в разных точках небосвода, а также данные, с высокой точностью подтвердившие важные элементы теории Большого взрыва (1).

Результатами последних исследований реликтового излучения пытаются поддержать теорию инфляционного (от латинского слова «инфлатио» — «вздутие») расширения нашего мира. Она полагает, что после Большого взрыва наша Вселенная расширялась с разной скоростью. Во времена особо быстрого расширения она создавала связанные с нашей Вселенной, но уже самостоятельно живущие её части (2) — вселенные, в которых могут идти совершенно другие процессы и действовать иные физические законы.

Все вещества принято делить на три основные группы: проводники, полупроводники и диэлектрики, которые иногда называют изоляторами.

О проводниках мы уже говорили — это, прежде всего, металлы, в их атомах внешние электроны связаны с ядром очень слабо, и почти каждый атом превратился в положительный ион, выпустил в межатомное пространство один или даже несколько электронов. В металлах так много свободных электронов, что по отношению к ним применяют выражения «электронный газ» или «электронная пыль». Проводниками могут быть жидкости и газы. «Могут быть» в данном случае нужно понимать так: количество свободных зарядов в жидкости (или в газе) зависит от того, какие вещества в ней растворены, какие химические процессы происходят. Например, в дистиллированной воде свободных зарядов чрезвычайно мало, практически можно считать, что их нет вообще. Но стоит бросить в дистиллированную воду щепотку соли, как вода становится проводником — соль растворяется, образует в воде большое количество свободных положительных и отрицательных ионов. При определённых условиях хорошими проводниками становятся некоторые газы, в этом можно убедиться, взглянув на горящую лампу дневного света (Т-177).

В диэлектриках (изоляторах) все электроны крепко связаны с ядром, и редко какой-то из них может вырваться на свободу. Нужно пересмотреть миллиарды атомов диэлектрика, чтобы отыскать среди них один положительный ион — атом, упустивший свой электрон в межатомное пространство.

О полупроводниках говорит само их название — свободных зарядов в них значительно больше, чем в диэлектриках, но значительно меньше, чем в проводниках, например в металлах. Кроме того, у полупроводников есть особенности, которые сделали их основой всей современной электроники. В любом компьютере, сотовом телефоне, телевизоре работают тысячи и даже миллионы полупроводниковых приборов, скрытых в пластмассовых корпусах. Полупроводниковые приборы широко используются и в электрических машинах, во многих системах большой энергетики.

До сих пор все свои электрические опыты мы проводили с изоляторами: со стеклом, пластмассой, пенопластом. Но если мы хотим получить от электричества ощутимую работу, то нужно переходить от изоляторов к проводникам, где свободных зарядов много и можно создать достаточно мощный их поток, — полноводная река работает лучше, чем тонкая струйка воды из водопроводного крана.

ВК-41. Важная характеристика электрогенератора — его электродвижущая сила, сокращённо э.д.с. (обычно обозначается буквой Е), его способность выполнять работу, перемещая заряды по электрической цепи. Единица э.д.с. — вольт (В), такую э.д.с. имеет генератор, который, переместив по внешней цепи заряд 1 кулон, выполняет работу 1 джоуль. Если каждый кулон выполняет работу 2 джоуля, то, значит, генератор проталкивает этот кулон по цепи с вдвое большей силой и э.д.с. равна 2 вольта.

Т-36. Генератор и нагрузка — основные элементы электрической цепи. Система, где работают свободные электроны или ионы, получила название «электрическая цепь». Слово «цепь» в этом названии появилось, скорее всего, потому, что заряды, как правило, последовательно, поочередно проходят по нескольким участкам, как бы по звеньям цепочки.

Из возможных трёх разновидностей свободных зарядов (электроны, положительные и отрицательные ионы) мы пока поговорим только об электронах — это основные работники, именно они в основном и трудятся в электрических машинах, аппаратах, системах.

Какой бы сложной ни была электрическая цепь, в ней обязательно есть два основных участка, два главных цеха. В одном из них свободные заряды получают энергию — это генератор. На другом участке, в другом главном цехе, заряды отдают полученную энергию. Этот цех называют нагрузкой: он нагружает генератор, отбирает у него энергию, использует её для выполнения полезной работы. Типичная нагрузка — электрическая лампочка, именно в её металлической нити свободные электроны, которые генератор заставил двигаться, сталкиваются с местными атомами, ударяют по ним, и в результате этих ударов выделяется тепло и свет. Напоминаем: выделение тепла при ударе движущегося электрона в неподвижный атом — это сильное упрощение. Истинную сложную картину этого процесса знает квантовая механика.

ВК-42. Часто важно знать, не только какая работа выполнена, но и сколько на это ушло времени, — одно дело, если забор покрашен за час, и совсем другое дело, если за полгода. О том, насколько интенсивно выполняется работа, говорит мощность (обычно обозначается буквой Р). Единица мощности — ватт (Вт) соответствует работе в 1 джоуль, сделанной за 1 секунду. Если эта работа была выполнена за 0,1 секунды, то мощность равна 10 ватт, а если за 5 секунд, то работа велась более вяло — с мощностью 0,2 ватта.

Генератор и нагрузка входят не только в электрическую, но и в любую другую схему использования энергии, в любое устройство, предназначенное для выполнения каких-либо работ. Возьмём, к примеру, водяную мельницу. Могучие силы природы — Солнце и ветер — испаряют воду с поверхности земли, собирают её в прекрасные белые облака и в виде дождя и снега выплёскивают обратно на землю, в том числе на горные вершины. С гор вода течёт вниз, сливается в русла быстрых рек. Так работает генератор, с помощью гравитационных сил он создаёт потоки воды (она, заметьте, в реках двигается сверху вниз и никогда наоборот), снабжает их энергией. Падающая вода вращает колесо с лопастями, оно приводит в движение жернова мельницы, выполняющие нужную работу — перемалывание зерна. Это — нагрузка.

Т-37. Натёртые пластмассовая и стеклянная палочки в роли генератора, металлический проводник — в роли нагрузки. Две наэлектризованные палочки — стеклянная (+) и пластмассовая (-) — и вот уже готов простейший генератор, который мог бы двигать свободные электрические заряды, заставляя их работать. Стоит только соединить палочки проводником, как в нём сразу же начнётся электрический ток, о котором мы уже мимоходом вспоминали (Т-33). Старинное слово «ток» означает «непрерывное течение» и происходит от того же корня, что и поток. В формулах, на схемах, в технических текстах электрический ток обозначается буквой I, в некоторых случаях — буквой i. В нашем примере электрический ток — это упорядоченное движение свободных электронов в проводнике с пластмассовой палочки (-), где их слишком много, на стеклянную палочку (+), где электронов не хватает. Можно сказать об этом подробнее: «минус» пластмассовой палочки вталкивает свои лишние электроны в проводник. В том его участке, который примыкает к этой пластмассовой палочке, тоже появляется избыточный «минус»; он двигает свободные электроны всё дальше и дальше к «плюсу», к стеклянной палочке, где электроны занимают свободные места в тамошних атомах (Т-8). Проводник в этой системе играет роль нагрузки — проходя по нему, заряды (электрический ток I) работают, вырабатывают какое-то количество тепла. А это значит, что наша цель достигнута, завод, где работают движущиеся заряды, построен.

ВК-43. Существуют сравнительно простые электроизмерительные приборы — для измерения тока амперметр и для измерения электродвижущей силы вольтметр. Вольтметр подключается параллельно выходным зажимам генератора, у которого нужно измерить Э.Д.С., а амперметр включается последовательно в цепь, в которой нужно измерить ток. При включении амперметра и вольтметра нужно соблюдать правильную полярность — не перепутать местами + и —, они указаны на входных контактах приборов.

Р-13. У НАС ТОЖЕ ВОЗМОЖНЫ ВАРИАНТЫ… Таблица на этом рисунке поясняет, какие в принципе возможны изменения, в результате которых у какого-либо физического тела начнёт показывать себя электрический заряд, как мы это наблюдали при натирании стекла и пластмассы. В первых трёх столбцах таблицы показаны 3 атома (атом водорода и два условных атома с разным числом протонов в ядре) в идеальном состоянии — в каждом из них равно число положительных (+) и отрицательных (—) зарядов. Вещество, созданное из таких атомов, никаких электрических свойств не проявляет. В следующей тройке колонок у атомов связь внешних электронов с ядром слабее, и часть появившихся свободных электронов удаётся удалить из вещества, как это происходило при натирании стекла. У вещества, о котором рассказывают три последних столбца таблицы, атомы сумели где-то добыть и присоединить к себе несколько лишних электронов, и общий электрический заряд вещества оказался отрицательным, как это было при натирании пластмассы.

Прежде чем двигаться дальше — два предупреждения. Во-первых, экспериментируя с наэлектризованными палочками и проводником, мы ввели важнейшее для всей электротехники понятие «электрический ток», сказав о нём буквально несколько слов. Но это лишь самое предварительное сообщение о токе, очень скоро о нём будет рассказано подробно. Во-вторых, экспериментируя с наэлектризованными палочками и проводником, хорошо бы какими-нибудь цифрами оценить работу нашей учебной электрической цепи. Много ли она получает энергии? Много ли выдаёт тепла? От чего всё это зависит? По каким показателям можно оценить то, что происходит в цепи? Как определить работоспособность свободных электронов? Как оценить массовость их движения в проводнике? Ответить на подобные вопросы не очень трудно, это непременно будет сделано, и тоже очень скоро, буквально через несколько страниц (Т-43). Значительно сложнее ответить на другой вопрос, просто смешной, на первый взгляд: как технически избыточные заряды создают электрический ток? Каким способом один электрический заряд толкает второй заряд? Может быть, просто прижимается к нему и толкает, как, скажем, напористый хоккеист плечом толкает своего соперника?

Т-38. Наряду с веществом существует и такой вид материи, как поле. Во всём нашем рассказе об электричестве этот небольшой раздел — один из самых сложных, в значительной степени из-за него пришлось начинать издалека. С того, что человек нелегко и непросто постигал устройство мира. Что мир устроен намного сложнее, чем кажется с первого взгляда. И что нужно уметь считаться с реальностью, какой бы непривычной она ни казалась. Нужно научиться признавать очевидные факты, ограждать себя от неверия и внутренних протестов спокойной формулой «Так устроен этот мир…».

Мы, к сожалению, не видим, как лишние электроны пластмассовой палочки (-) подталкивают свободные электроны проводника, — плечом или как-то иначе (Т-8). Но мы прекрасно видели, как натёртая палочка с довольно большого расстояния подтягивала клочки бумаги (Р-1, Р-17). Каким образом? С помощью каких нитей? Через каких посредников? Не может же палочка действовать на бумажки через Ничто, обязательно должно существовать какое-то Нечто, с помощью которого один заряд тянет к себе другой.

Проще всего было бы предположить, что заряды как-то взаимодействуют через вещество, которое находится между ними, в нашем примере с притягиванием бумажек — через воздух. Например, заряды тянут или толкают друг друга через молекулы, атомы, электроны или ещё какие-нибудь частицы вещества, подобно тому, как паровоз через весь состав передаёт свою тягу последнему вагону. Но достаточно перенести эксперимент в безвоздушное пространство, в вакуум, и эта гипотеза безнадёжно отпадает — в вакууме, в пустоте, где никакого промежуточного вещества нет, палочка притягивает клочки бумаги с такой же силой, как и в воздухе. А это значит…

ВК-44. Сила тока I в амперах — это количество кулонов, которое за секунду проходит через поперечное сечение проводника. А электродвижущая сила Е в вольтах — это работа, которую выполняет каждый кулон. Значит, мощность Р в ваттах (работа за секунду) в какой-либо цепи можно подсчитать как произведение э.д.с. в вольтах (работа одного кулона) на ток в амперах (число кулонов в секунду). То есть мощность можно подсчитать по достаточно простой формуле Р (в ваттах) = Е (в вольтах) х I (в амперах).

А это значит, что в мире есть ещё что-то, кроме реальности «вещество», к которому мы привыкали миллионы лет и вроде бы знаем все его свойства и повадки: массу, объём, геометрические формы, гравитационное притяжение, движение по инерции, плотность, температуру. Вещество, считаем мы, — это то, что реально есть, то, что мы видим и, образно говоря, можем взять в руки. Вещество — это глина, вода, воздух, плитка шоколада, марсианские пески, лепесток ромашки. Нам кажется, всё, что есть в мире, — это вещество.

Но вспомните ещё раз (это полезно вспоминать почаще): мир устроен сложней, чем кажется с первого взгляда. Силой мысли, своей неутомимой пытливостью, своей любознательностью человек открыл и понял то, что природа не показала ему сразу. Он открыл невидимое электричество: нажмите кнопку выключателя на настольной лампе — и станет ясно, что электричество есть абсолютная реальность и мы, люди, научили его работать на нас. Человек открыл ядерные силы: вспомните десятки атомных электростанций — и у вас исчезнут сомнения относительно реальности ядерных сил. Теперь настал момент увидеть, понять и привыкнуть вот к чему — кроме вещества, кроме этой привычной и очень наглядной реальности есть ещё иная, невидимая, без цвета, вкуса, запаха, размазанная по пространству реальность, которой не заготовлено место в нашем сознании. Этой реальности дано название «поле».

Поля бывают разные, разных, если можно так сказать, сортов. Вокруг электрического заряда существует электрическое поле, вокруг магнитов, с которыми мы начнём подробно знакомиться очень скоро, существуют магнитные поля, каждую массу — протон, яблоко, планету — окружает гравитационное поле. И именно через поля происходят все взаимодействия на расстоянии: взаимное притяжение масс, взаимодействие магнитов, притяжение или отталкивание электрических зарядов.

ВК-45. На этой схеме две параллельные цепи, в нижней одна лампочка, в верхней две, включённые параллельно. Благодаря этому параллельному соединению сопротивление верхней цепи в два раза меньше, чем нижней, ток при этом в два раза больше (4 А) и потребляемая мощность тоже (6 Вт). Проделав несколько мысленных опытов и на этой схеме, можно получить вывод, который можно было сделать на предыдущей: одну и ту же мощность можно получить при разных соотношениях тока I и напряжения U.

Т-39. Тот, кто хочет чувствовать себя свободно в электрическом королевстве, непременно должен научиться дополнять открывшуюся ему простую картину мира. Сейчас уместно ещё раз вспомнить о древнейших изобретателях, которые придумали разговорный язык. И о том, что после этого много тысячелетий люди присваивали своим открытиям названия-слова, как бы вешали на эти открытия таблички: «отражение света», «молекула», «маятник», «кровеносные сосуды», «кинетическая энергия» и многие тысячи других. Иногда это было несложно — увидел с мелкими блёстками серый камень — и присвоил ему название «гранит», увидел пушистого зверька, прыгающего по деревьям, — и назвал его «белка».

Но бывало, в простом деле привешивания табличек встречались серьёзные трудности. Что такое, например, сила? Энциклопедический словарь поясняет: это «…мера механического действия на данное материальное тело со стороны других тел… как при непосредственном их контакте, так и через посредство создаваемых телами полей». Чётко сказано, но как представить себе силу столь же просто, как белку или кусок гранита? Как она выглядит, эта сила? Как её увидеть хотя бы мысленным взором? Как она действует? Откуда берётся?

Кто-то пошутил: попытки объяснить, что такое сила, свидетельствуют о бессилии человечества. Но эта шутка, к сожалению, отражает существо дела, как говорится, с точностью до наоборот. Мозг наш действительно не может сразу, с ходу понимать какие-то реальности — так мы устроены. А божья коровка устроена так, что не может понять

ВК-46. Та же зависимость и та же формула Р = Е∙I, но только вместо э.д.с. В в ней напряжение U — часть э.д.с., доставшаяся участку цепи, о чём мы ещё поговорим подробно (ВК-56, ВК-57). Напряжение, как и э.д.с., измеряется в вольтах, и поэтому мощность, потребляемая каким-либо участком цепи, так же просто, как и в предыдущем случае, вычисляем по формуле Р = U∙I, где Р, U, I относятся к выбранному участку. При желании к этой сложной схеме можно вернуться после знакомства с разделами ВК, названными выше.

Р-14. АТОМЫ-НАРУШИТЕЛИ — НАХОДКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ. Из всех показанных на предыдущем рисунке (Р-13) возможных нарушений некоторые довольно часто встречаются в природных веществах. И многие такие вещества-нарушители оказались находкой для электротехники — она получила от природы в готовом виде необходимые ей материалы, помогающие добывать и использовать электрическую энергию. Большое количество свободных электронов в межатомном пространстве (2) характерно для металлов (цинк, олово, железо, серебро, золото и другие). Очень много свободных электронов в меди и алюминии, их к тому же сравнительно недорого добывать и обрабатывать. Сочетание этих достоинств сделало медь и алюминий самыми популярными материалами электротехники.

В металлах и иных твёрдых веществах положительные ионы (оставшиеся после ухода некоторых внешних электронов в межатомное пространство) неподвижны — они как бы привязаны к жёсткой структуре материала, например к его кристаллической решётке (3). Но в жидкостях или в газах возможно не только появление свободных электронов, сбежавших из своих атомов, но и самих этих атомов (точнее говоря, положительных ионов) в свободном состоянии — теперь они уже не связаны с какой-либо жёсткой структурой и могут свободно перемещаться в пространстве (4).

В заключение ещё один вариант состояния вещества, показанный первым на этом рисунке Р-14.1 и на предыдущем Р-13.1. Здесь представлены атомы, у которых все электроны прочно связаны с ядром и находятся на своих орбитах, в итоге свободных зарядов вообще нет. Такие вещества тоже нужны электротехнике, скоро вы увидите, когда и почему.

Пятую симфонию Бетховена и выучить таблицу умножения. Что поделаешь — такими мы с ней получились у природы. И давайте не будем из-за этого горевать, давайте радоваться тому, что человек не смирился, что он научился силой мысли видеть, понимать и практически использовать то, что казалось спрятанным от него навсегда. Сталкиваясь с необъяснимым, он чаще всего действовал по довольно простому правилу: на опыте убедись, что Это есть, определи основные свойства Этого, привесь табличку, то есть дай Этому название и привыкай к мысли, что ты теперь знаешь Нечто Такое, чего не знали твои предки.

Таким же способом мы можем совершенно спокойно ввести разного рода поля в свою картину мира. Поле — это никак не вещество, а иная, невидимая, особая форма материи или, как ещё говорят, особое состояние пространства, в котором действуют те или иные физические силы: электрические, магнитные, гравитационные, ядерные, слабые. Все соответствующие этому списку поля обнаружены в экспериментах, у них своё место в физических теориях, они детально изучены и широко используются в огромном количестве машин и технологий. Коротко говоря, поля есть, они не выдумка, это Нечто мы признаём и, как говорится, включаем в свою картину мира.

Кстати, о невидимости полей. Электрические и магнитные поля, вернее их объединение, это единственное, что действительно видит человек. Потому что свет есть не что иное, как электромагнитные волны, быстроменяющиеся электрические и магнитные поля. Их излучают или отражают окружающие нас предметы, эти волны попадают в глаз, и только поэтому мы видим то, что видим: свечу, книгу, луну, пирожок на тарелке, летящий самолёт. Более того, в световой волне электрические и магнитные поля уже не связаны с породившим их электрическим зарядом, они оторвались от него и совершенно свободны, живут своей жизнью (Т-8) — мы видим электрические и магнитные поля, так сказать, в чистом виде. И наконец ещё один, совсем уже нокаутирующий факт — физики предсказали, а затем и в эксперименте увидели, как порция (квант) электромагнитного поля превращается в пару электронов, то есть реальность «Поле» превращается в реальность «Вещество».

Каждый, конечно, может и дальше поразмышлять об электрическом, магнитном или гравитационном поле, о других непонятностях, а лучше сказать — непривычностях. У нас же, к сожалению, сейчас нет времени на эти приятные размышления — у нас впереди ещё большой путь в науку об электричестве, и мы должны продвигаться вперед.

Т-40. Уже древние греки, продолжив свои опыты, могли бы создать в проводнике электрический ток — упорядоченное движение электронов. Выяснив, что электрический заряд воздействует на другой заряд не плечом (Т-8), а электрическим полем, мы можем спокойно вернуться к своему экспериментальному генератору — к натёртым, то есть наэлектризованным стеклянной (+) и пластмассовой (-) палочкам. Вспомните, как только мы соединили эти палочки металлическим проводником (нагрузка), в проводнике сразу же началось упорядоченное движение свободных электронов. Слово «упорядоченное» нужно особо подчеркнуть — речь идёт не просто о движении электронов, а о том движении, которое возникает под действием внешних электрических сил, под действием электрических полей, в данном случае полей, созданных наэлектризованными палочками.

ВК-47. Если генератор мощностью 1 ватт работал 1 секунду, то он выполнил работу 1 джоуль. Иными словами, 1 джоуль = 1 ватт х 1 секунду = 1 ватт-секунда.

Иногда именно в этих ватт-секундах (Вт∙с), а не в джоулях (Дж) удобней измерять выполненную электричеством работу. Её измеряют и в более крупных единицах — в киловатт∙часах (кВт∙час). Поскольку 1 час = 3600 секунд и 1 киловатт = 1000 ватт, то каждый киловатт-час — это 3 600 000 джоулей.

Р-15. ГЛАВНЫЙ РАБОТНИК — ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. Первые исследователи электричества, натирая крупные предметы из смолы, стекла или иных материалов, возможно, надеялись перемещать эти крупные предметы электрическими силами и таким образом выполнять большую работу, помогая человеку. Но техника пошла иным путём, и главным работником в электрических машинах и приборах стали невидимо мелкие детали — движущиеся свободные электроны и ионы. Двигают их, конечно, электрические силы, о создании которых мы вскоре поговорим отдельно, а пока воспользуемся тем, что у нас уже есть, — двумя натёртыми палочками, стеклянной и пластмассовой. У стеклянной палочки, напомним, после натирания появляется положительный электрический заряд (+), у пластмассовой палочки отрицательный (—). Если эти палочки приложить к материалу, в котором есть свободные, то есть способные двигаться, заряды, например свободные электроны, то эти заряды действительно начнут упорядоченно перемещаться под действием электрических сил. Натёртая пластмассовая палочка своим «минусом» будет отталкивать отрицательно заряженные электроны, стеклянная палочка своим «плюсом» будет их притягивать (2). Небольшого заряда натёртых палочек, конечно, хватит на какие-то секунды или даже доли секунды, но в мысленном эксперименте этого достаточно, чтобы запомнить главное: электрические силы могут создавать упорядоченное движение свободных микрочастиц, имеющих собственный электрический заряд. Это движение частиц принято называть «электрический ток».

В давние времена, когда электроны ещё не были известны и, конечно же, не было известно, что в подавляющем большинстве случаев электрический ток создают именно они, двигаясь от «минуса» к «плюсу» (2), решили, что ток создают какие-то частицы с положительным зарядом, и поэтому ток идёт от «плюса» к «минусу». Так случилось, что это ошибочное представление не изменили, и поэтому нам приходится пользоваться условным направлением тока от «плюса» к «минусу», считая, что ток создают не электроны, а такие же частицы, но с положительным зарядом. Тем, кому трудно смириться с этой несправедливостью, полезно вспомнить, что в создании тока иногда участвуют положительные ионы, которые, конечно, двигаются в ту же сторону, что и условный ток (3, 4), от «плюса» к «минусу».

Попытаемся представить себе эту картину. Свободные электроны в межатомном пространстве соединительной медной проволоки, как всегда, непрерывно совершают свои беспорядочные, хаотические рывки в разные стороны, рывки тем более энергичные, чем выше температура проводника. Под действием внешних электрических сил, внешнего поля электроны кроме этих хаотических движений непрерывно смещаются в одном определённом направлении, и именно это смещение, это упорядоченное и сравнительно медленное движение электронов в одну сторону как раз и называется электрическим током. Хаотическое движение электронов определяет начальную температуру проводника, дополнительное упорядоченное движение, то есть электрический ток, нагревает проводник дополнительно.

Ещё раз напомним: натёртая пластмассовая палочка своим «минусом» (-) отталкивает электроны (-), и они выходят из неё в проводник. Натёртая стеклянная палочка своим «плюсом» (+) тянет к себе электроны (-), и они направляются к ней. Коротко говоря, под действием внешних электрических сил (генератор) электроны, имеющие свой электрический заряд «минус», упорядоченно двигаются в проводнике от «минуса» к «плюсу».

Проходит некоторое время, и ток в проводнике прекращается. Потому что все лишние электроны, которые были в пластмассовой палочке, ушли с неё и переселились в стеклянную палочку. Там они заняли свободные места в положительных ионах, превратив их в нейтральные атомы. Конечно, совсем не обязательно, чтобы это были те самые электроны, которые перешли в проводник с пластмассы, — те, что пришли в проводник, могут остаться в нём, а он взамен передаст стеклу такое же количество своих собственных свободных электронов, из тех, что были поближе к выходу из проводника. Все электроны одинаковые, и, как говорится, важен результат — в стеклянной и пластмассовой палочках в итоге исчезли избыточные электрические заряды, палочки, как принято говорить, разрядились и больше не создают внешнего электрического поля. А это значит, что генератор больше не двигает свободные электроны в проводнике, то есть через некоторое время после подключения проволоки к наэлектризованным палочкам электрический ток в проволоке прекратился. Сказанное для порядка «через некоторое время» не должно вводить в заблуждение — наэлектризованные палочки отдают свои избыточные заряды практически мгновенно, и ток в нагрузке ничего реально наработать не успевает.

Можно, конечно, усовершенствовать нашу первую электрическую цепь. Можно заменить палочки пластмассовым и стеклянным дисками, непрерывно вращать их и непрерывно натирать, поддерживая таким образом постоянную наэлектризованность стекла и пластмассы. Можно ввести второй провод, по которому электроны, переброшенные с пластмассового диска на стеклянный, будут возвращаться обратно, чтобы вновь отправиться на работу в нагрузку, — мы получим при этом обычную замкнутую электрическую цепь. Но давайте ничего этого делать не будем, давайте считать, что наш первый несовершенный электрический завод свою учебную задачу выполнил и можно переходить к электрическим цепям, более близким к реальности.

ВК-48. Привычка — дело серьёзное, её не всегда просто позабыть и забросить. Мы привыкли активно действовать и, в частности, писать правой рукой. Попробуй переучись на левую — не так-то это просто. Ещё один пример — привычка называть вес в килограммах, хотя известно, что для этого есть вошедший в международную систему СИ ньютон, равный весу примерно в 100 граммов. В житейских делах это ещё терпят, но ньютон обязательно входит в расчётные формулы, что делает их более простыми и удобными.

Т-41. Химический генератор — первое знакомство. Для начала, вместо того чтобы натирать тряпкой стекло и пластмассу, мы введём иной способ электризации и накопления избыточных зарядов — в нашем новом генераторе всё это будет происходить за счёт энергии химических реакций. Мы представим себе этот генератор как небольшой сосуд со специально подобранным химическим раствором, его называют «электролит». В электролит вставлены две металлические пластины — два электрода. Электродами в электротехнике и электронике называют токопроводящие, чаще всего металлические детали, с помощью которых создают электрические поля и потоки зарядов. В телевизионной или осциллографической трубке, например, это цилиндры, сетки и графитовые покрытия на внутренней стороне стеклянной колбы. В установке для исследования электрической активности сердца — небольшие металлические лепестки, временно наклеенные на кожу. В некоторых биологических экспериментах роль электродов выполняют тончайшие иголочки, виртуозно вставленные в живую клетку.

ВК-49. Приставки милли-, микро-, нано- или пико- перед какой-либо единицей (ампер, вольт, ватт и др.) говорят о том, что в данном случае используется единица, которая в тысячу, в миллион, в миллиард или в триллион раз меньше основной единицы. Аналогично приставки кило-, мега-, гига- и терра- говорят о том, что используется единица, которая в тысячу, в миллион, в миллиард или в триллион раз больше основной единицы.

В нашем первом химическом генераторе электроды изготовлены из двух разных металлов, оба они активно, но по-разному взаимодействуют с электролитом, вступают с ним в химические реакции. Одна из металлических пластин при этом отдаёт электроны своих нейтральных атомов и, следовательно, приобретает положительный заряд. Такая пластина называется «анод» — положительный электрод генератора, коротко, по-свойски (Т-8), его называют «плюс». Химические реакции второго металла с электролитом приводят к противоположному эффекту — пластина приобретает лишние, избыточные электроны, это катод — отрицательный электрод генератора, его «минус».

Химические генераторы, или, как их чаще называют, химические источники тока, бывают двух основных типов. Первый — гальванические элементы, они работают до тех пор, пока не разрушатся электроды или пока не придёт в негодность электролит. После этого считают, что гальванический элемент полностью разрядился, и выбрасывают его. Второй вид химических источников тока — аккумуляторы. После того как аккумулятор разрядился, то есть отдал свои запасы химической энергии, его можно восстановить — зарядить от другого источника электрической энергии. Аккумулятор допускает несколько десятков таких циклов заряд-разряд, но обычно до этого дело не доводят — аккумулятор подзаряжают непрерывно так, чтобы он всегда был полностью заряжен.

Для этого аккумулятор постоянно подключён к зарядному устройству (буферный режим), а несложная автоматика поддерживает нужной величины зарядный ток.

При натирании стеклянной и пластмассовой палочек мы затрачивали на их электризацию свои мускульные силы. А какая сила в аккумуляторе электризует электроды, например вталкивает (Т-8) электроны в «минус», преодолевая отталкивание уже имеющихся там избыточных электронов? Ответ прост — это делает энергия, которая высвобождается в химических реакциях между электродами и электролитом.

ВК-50. Важная характеристика электрической цепи и отдельных её участков— их сопротивление (обычно обозначается буквой R). Оно говорит о том, в какой мере затруднено движение свободных зарядов в данном участке цепи, насколько столкновение с его атомами ослабляет электрический ток. Гидравлическая аналогия, для многих более привычная и понятная, чем то, что события в электрических цепях, наверняка поможет понять то, что происходит в невидимом электрическом мире.

При зарядке аккумулятора в электродах образуются вещества с некоторым запасом энергии в их электронных оболочках, а при разряде идут химические реакции, в которых эта энергия выделяется, поддерживая накопление электрических зарядов на электродах. Таким образом, именно за счёт химических реакций, отдающих энергию, создаётся электродвижущая сила аккумулятора и поддерживается ток в цепи.

О химических источниках тока мы ещё поговорим подробно, поскольку это очень распространённые устройства. Достаточно вспомнить, что аккумулятор есть в каждом автомобиле, тракторе или самолёте, а гальванические элементы (их часто называют батареями, или батарейками, хотя, строго говоря, это название относится не к единичным гальваническим элементам, а к блоку из нескольких соединённых химических источников тока) работают в самой разнообразной переносной электронике, не говоря уже о карманных фонарях.

Т-42. Карманный фонарик — простейшая реальная электрическая цепь. В качестве первой подопытной реальной электрической цепи мы выбираем простейший карманный фонарик. Рисунок Р-25 даёт представление о внешнем виде одной из моделей фонаря, расположении и электрическом соединении его деталей. Рисунок также показывает, как изображается соединение этих деталей в виде условной схемы.

Схема предельно проста. Гальванический элемент Б₁ (он обозначен буквой Б₁, от слова «батарея», такое обозначение принято для всех химических источников тока) имеет два вывода, к которым внутри элемента подключены его электроды — «плюс» и «минус». К обоим выводам прижаты пружинящие контакты самого фонарика, и таким образом гальванический элемент включён в цепь. Аналогично через контакты патрона включена в цепь нагрузка — лампочка Л₁. Следующая деталь — выключатель Вк₁. Когда он замкнут, то все токопроводящие детали фонарика ведут себя просто как единый, непрерывный кусок провода. Если же выключатель Вк_г разомкнут, то он создаёт разрыв цепи — в цепь фактически включён диэлектрик, воздушный участок. В диэлектрике свободных зарядов нет, и при последовательном его включении в цепь ток в ней невозможен — цепь разорвана.

ВК-51. Сопротивление R проводника зависит от его длины L, от площади его поперечного сечения S, то есть от диаметра d, а также от материала. Единица сопротивления ом (Ом), примерно такое сопротивление имеет медный провод диаметром 0,5 мм (сечение — около 0,18 мм²) и длиной около 10 м. В электротехнике и в электронике широко используют детали, основная задача которых — оказывать определённое сопротивление электрическому току, эти детали так и называются — «сопротивления» (резисторы).

Соединительные провода в фонарике выполнены в виде жестяных пластинок, из-за их малой длины потери в них можно не учитывать, и провода отображаются на схеме обычными тонкими линиями. Когда выключатель замкнут, электроны непрерывно двигаются от «минуса» к «плюсу» — в цепи идёт ток, он сильно нагревает нить лампочки, и она светится. Одновременно появляется ионный ток в электролите батарейки, он возвращает её «минусу» электроны, которые ушли из него и по внешней цепи (лампочка, замкнутый выключатель, соединительные провода) добрались до «плюса». Благодаря этому внутреннему току на «минусе» сохраняется избыток электронов, на «плюсе» — их нехватка. Так продолжается до тех пор, пока батарейка не израсходует свои запасы химической энергии.