В одном из рассказов о Шерлоке Холмсе персонаж возмущался: «Это форменная афера, настоящий грабеж средь бела дня! Сколько электронов пришло к нам, ровно столько и вернется! За что потребители платят деньги?». Этот комичный эпизод Артура Конан Дойля, вложенный в уста чудаковатого мистера Франкленда, затрагивает вопрос, который волновал многих на заре электрификации: а что, собственно, такое электричество и за что мы за него платим?
Оказывается, даже сегодня многие люди не до конца понимают, как работает электричество. Спросить бывает неловко, кажется, что это базовые знания, которые все должны были получить в школе. Но это не так. Давайте разберемся в этом простым языком, без сложных формул.
Проводник — это не шланг с водой
Часто электрический ток сравнивают с потоком воды в трубе. Это удобная, но не совсем точная аналогия. Раньше так и думали — что по проводам с бешеной скоростью бегут отрицательно заряженные частицы. Однако современная наука показывает, что сами электроны движутся очень медленно, буквально «переползая» от одного атома проводника к другому. Представьте трубу, плотно заполненную шариками (атомами). Если толкнуть первый шарик, импульс передастся по цепочке до самого конца, но сами шарики при этом почти не сдвинутся с места. Так и электроны — они передают энергию, а не «утекают» из розетки.
На картинке: схематическое сравнение движения воды в трубе и передачи импульса в проводнике.
Почему электроны не сбегают из провода?
Атом в обычном состоянии нейтрален. Если он теряет электрон (отрицательный заряд), то сам становится положительно заряженным. Этот «плюс» немедленно притянет к себе какой-нибудь «минус» — либо тот же сбежавший электрон, либо другой. Силы притяжения внутри атома настолько велики, что электрону не хватает энергии, чтобы улететь далеко. Поэтому его движение — это медленное «перескакивание» внутри кристаллической решетки металла, а не свободный полет.
Что заставляет цепь ожить?
Если провод просто лежит на столе, тока в нем нет. Так же, как нет течения в закупоренной трубе с водой. Чтобы появился ток, нужна замкнутая цепь (петля из провода) и «насос», который создаст разность потенциалов — напряжение. Роль такого насоса выполняет источник питания: батарейка, генератор на электростанции или розетка в вашей квартире, подключенная к этому генератору.
На картинке: движение электронов в замкнутой цепи. Источник: https://physik.ucoz.ru/_ph/13/676566868.jpg
Когда цепь замыкается, источник питания «подталкивает» электроны, и они начинают упорядоченно двигаться, передавая энергию по всей цепи. Это направленное движение заряженных частиц и есть электрический ток.
На фото: пример простой замкнутой электрической цепи.
Исторический курьез: направление тока
Бенджамин Франклин когда-то предположил, что ток течет от «плюса» к «минусу». Позже выяснилось, что носители тока — электроны — на самом деле движутся в обратном направлении: от «минуса» к «плюсу». Однако к тому моменту вся классическая электротехника была построена на условном направлении «от плюса к минусу». Менять устоявшиеся правила и переписывать учебники оказалось слишком сложно, поэтому в схемах и расчетах до сих пор используют условное направление тока, установленное Франклином. На практике это не имеет значения, так как все формулы работают одинаково хорошо.
На картинке: направление движения электронов противоположно условному направлению электрического тока.
Как энергия доходит до лампочки быстрее света?
Скорость отдельного электрона в проводе — всего несколько миллиметров в секунду. Если бы лампочка загоралась только тогда, когда электроны от электростанции «добегут» до вашего дома, ждать пришлось бы годы. Но она загорается мгновенно. Почему? Потому что передается не сам электрон, а энергия. Представьте ряд бильярдных шаров, стоящих вплотную. Если ударить по первому, последний отлетит практически мгновенно, хотя средние шары почти не сдвинутся. Электрическое поле распространяется по проводнику со скоростью, близкой к скорости света, и именно оно «толкает» электроны по всей цепи одновременно, заставляя их передавать энергию устройству.
На фото: высоковольтная линия электропередачи — магистраль для передачи энергии.
Итак, за что же мы платим?
Мы платим не за электроны, которые приходят и уходят в том же количестве. Мы платим за электроэнергию — ту самую работу, которую совершает электрическое поле, «толкая» электроны и заставляя их передавать энергию нашим приборам. В квитанции так и написано: «оплата за электрическую энергию». Электроны — это лишь бесплатные «курьеры», а энергия, которую они переносят, — это и есть товар. Как в примере с бильярдными шарами: вы платите за удар по первому шару (энергию, вложенную источником), который приводит в движение всю цепь.
Вместо заключения: вечная загадка
Существует и более радикальная точка зрения: а движутся ли электроны вообще? Может, они просто колеблются на своих орбитах, а энергия передается через электромагнитное поле? В какой-то степени природа электричества до сих пор остается загадкой. Об этом красноречиво говорит старый анекдот про студента на экзамене. На вопрос «Что такое электрический ток?» он ответил: «Я знал, но забыл». Профессор поставил ему тройку, а на удивление ассистента пояснил: «Я сам не знаю, что это такое. А он ЗНАЛ, да еще и ЗАБЫЛ!».
Надеемся, эта статья помогла немного приоткрыть завесу тайны над тем, за что мы ежемесячно вносим плату. Если вам было интересно, поделитесь статьей с друзьями. Ждем ваши комментарии и вопросы — в спорах часто рождается истина!
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: «Это форменное надувательство, настоящий грабёж среди бела дня.