Рексин.
Каждый знает, что электрический ток получается откуда-то с электрической станции и по проводам посылается в места, где им пользуются, к потребителям электрической энергии. Таким образом, электрическая станция — это завод, где вырабатываемым продуктом является электрический ток.
Электрическая станция оборудована специальными машинами, которые производят электрический ток. Эти машины называются генераторами электрического тока. Генератор в буквальном переводе значит — рождающий, производящий.
Генераторы электрического тока приводятся во вращение какими-либо двигателями: паровыми, нефтяными или водяными.
Работающий генератор посылает электрический ток в линию, т.-е. в провода, соединяющие его с потребителем электрического тока, каким является, например, электрическая лампа накаливания.
На электростанции генераторы работают безостановочно; и мы во всякое время дня и ночи можем воспользоваться услугами электрического тока, например, в виде света электрической лампы. Для этого стоит только повернуть ручку выключателя, и лампа загорится. Поворотом выключателя мы приключаем лампу к источнику тока. Но стоит только генератору остановиться, в случае какой-либо неисправности в станционном устройстве, как свет прекращается, и тогда как ни поворачивай выключатель, — лампа не загорится. Мы заключаем тогда, что подача электрического тока с электростанции прекратилась, что электрический ток перестал как бы "протекать" по проводам в нашу лампу.
Черт. 1.
На черт. 1 изображен генератор электрического тока, посылающий электрический ток в лампу.
Прежде всего само по себе напрашивается сравнение электрического тока с течением жидкости по трубам.
Провод можно представить себе в виде полой трубки, а роль жидкости, текущей в этой трубке, играют мельчайшие частицы электричества — электроны.
Такое сравнение, не отличаясь полнотой и совершенным сходством явлений, дает, однако, первое и главное наглядное представление об электрическом токе, как о некотором движении электронов, совершающемся в проводе.
Для того, чтобы получить более верное представление об электрическом токе, нам придется вспомнить кое-что из предыдущей беседы об электричестве.
Читателю уже известно, что электронами называются мельчайшие частицы отрицательного электричества, являющиеся сущностью окружающей нас материи.
Атом какого-либо вещества по современным научным воззрениям составлен из электронов и положительно заряженных частиц. Часть электронов постоянно вращается вокруг расположенных внутри атома неподвижных электронов и положительно заряженных частиц, образующих так называемое ядро атома.
Подвижные электроны атома могут покидать по тем или иным причинам свой атом и переходить к новому атому. Атом, потерявший часть своих подвижных электронов, продолжает существовать в качестве атома данного вещества и на место покинувших его подвижных электронов может принимать их заместителей из других атомов, так как все электроны совершенно одинаковы.
Неподвижные электроны более прочно связаны с атомом и пределов атома не переходят, а если когда-либо и покидают свои насиженные места в ядре атома, то это ведет к разрушению атома, к изменению данного вещества.
Таким образом, только подвижные свободные электроны могут переходить из одного атома в другой, не вызывая изменения в строении данного вещества.
Когда нам удастся в каком-либо веществе вызвать такой переход электронов из одного атома в другой, мы говорим, что в данном веществе протекает электрический ток, а само вещество называем проводником электрического тока.
Таким образом, мы можем установить, что электрический ток получается от источника тока, каким является работающий генератор, и что от последнего электрический ток по проводам посылается к потребителю тока, напр., в электрическую лампу.
В металлах сравнительно легко вызвать движение электронов; электроны в металлах отличаются большей подвижностью и с большей легкостью переходят из одного атома в другой, чем, напр., в дереве.
В некоторых веществах электроны очень неохотно передвигаются из одного атома в другой, а иной раз и вовсе не желают покидать своего атома. В таком случае эти вещества мы называем непроводниками, или изоляторами (часто называют их также диэлектриками), напр., воздух, стекло, фарфор, резина и пр.
Таким образом, электрический ток может течь только в проводниках, в изоляторах же электрический ток протекать не может.
Очень наглядную аналогию (сопоставление, сравнение) о течении электрического тока приводит один английский автор1). Он представляет атомы проводника тока в виде ряда сосудов с водой, в которых плавают рыбки (черт. 2).
Черт. 2.
В каждом из сосудов, расположенных рядом, плавает одинаковое количество рыбок. Эти рыбки изображают подвижные электроны атома и находятся в постоянном движении в воде сосудов.
В момент, соответствующий началу возникновения электрического тока в проводнике, одна из рыбок выскакивает из первого сосуда, перебрасываясь во второй. Как только она попадает в него, так тотчас же одна из плавающих в этом сосуде рыбок перескакивает в третий, из третьего одна из рыбок — в четвертый и т. д.
Таким образом, совершается постоянное передвижение рыбок по всей линии расположения сосудов, при чем число их в каждом сосуде остается все время одно и то же.
Нечто подобное происходит, когда по проводнику протекает электрический ток. В проводнике тогда происходит перемещение электронов, переходящих из атома в атом, подобно тому, как в приведенном примере перепрыгивали рыбки из сосуда в сосуд.
Когда мы держим в руке кусок провода, мы знаем, что никакого электрического тока в нем нет, несмотря на то, что в нем находятся электроны, входящие в состав атомов меди, из которой сделан провод.
Совершая свое обычное движение в атомах проводника, электроны сами по себе перемещаться по проводнику не имеют ни малейшего желания. Для того, чтобы по проводу протекал электрический ток, нужно силой заставить электроны передвигаться по проводнику.
Но стоит только нам провод присоединить к работающему генератору, замкнув им цепь, как тотчас же по проводу потечет электрический ток.
Работающий генератор, как мы можем теперь заключить, обладает той силой, которая вызывает электрический ток в проводе. Эту силу называют электродвижущей силой, т.-е. силой, которая заставляет электроны передвигаться по проводнику.
Включая электрическую лампу, вы замечаете, что она загорается мгновенно; отсюда вы можете заключить, что электрический ток очень быстро протекает по проводам. Точно так же быстро распространяется электрический ток и при включении линии значительной длины, в несколько десятков километров. Вообще скорость распространения электрического тока в проводе очень велика и по величине своей близка к скорости света, которая, как известно, составляет 300.000 километров в одну секунду.
Однако, не следует вовсе думать, что электроны несутся с такой колоссальной скоростью по проводу, как если бы это были частицы жидкости, текущей с такой же скоростью по трубе. Для того, чтобы скорость распространения электрического тока была так велика, совсем нет надобности, положим, какому-либо электрону в такое короткое время пробегать по всему проводу от начала до конца линии. Движение каждого электрона может быть значительно медленнее, но так как каждый электрон выталкивает своего соседа из атома, а сосед его — следующего и т. д., то для того, чтобы получилось очень быстрое перемещение электронов, вполне достаточно, чтобы такое выталкивание электронов распространялось очень быстро по всей длине провода подобно тому, как толчок паровоза передается от первого вагона к последнему.
Черт. 3.
Представить себе это можно таким образом. Положим, мы имеем трубку, на некоторой длине сплошь заполненную совершенно одинаковыми шариками, так что они могут в трубке свободно перемещаться без трения. Пусть теперь, как изображено на черт. 3, скатится по наклонной трубке какой-нибудь шарик. Что тогда произойдет? Скатившийся шарик ударит по первому шарику (А) и, столкнув его, займет его место. Толчок далее передастся от шарика к шарику по всей длине трубки, и в результате последний шарик (Б) упадет из трубки в подставленную чашку. Получается впечатление, что скатившийся шарик проскочил мгновенно по всей длине трубки, между тем как он остановился в самом начале ее.
Усвоив теперь, как происходит движение электронов в проводе, постараемся представить себе, в результате чего происходит это движение электронов, какова причина появления электрического тока в проводнике.
Вернемся к чертежу (1), на котором изображен генератор электрического тока. Точки присоединения проводов, отводящих электрический ток от генератора, называются зажимами генератора, или его полюсами, соответственно — отрицательный (—) и положительный (+). Стрелки указывают направление, в котором движутся электроны во внешней цепи (так называются питаемые током провода). Судя по направлению стрелок, мы видим, что электрический ток течет во внешней цепи от отрицательного полюса генератора к положительному2).
Ясно, что внутри генератора электрический ток, образуя всегда замкнутую цепь (кольцо), течет от плюса к минусу.
Когда генератор приведен во вращение (при чем внешняя цепь еще не приключена к его зажимам), то он обладает уже электродвижущей силой, которая как бы перемещает, оттесняет электроны внутри генератора от его положительного полюса к отрицательному. В результате этого на отрицательном полюсе генератора создается некоторый избыток электронов в то время, как на положительном будет, соответственно, ощущаться недостаток в них (электронах). Говорят тогда, что работающий генератор дает напряжение.
Как только мы приключаем к работающему генератору внешнюю цепь, составленную из проводов, с присоединенной к ним лампой, тотчас же электроны получают возможность стекать с отрицательного полюса по проводникам внешней цепи к положительному, к тому полюсу, где их меньше, где в них ощущается нужда.
Пока оба полюса генератора не были соединены проводниками между собой, электроны не могли преодолеть пути к воздуху, который, будучи изолятором, явился для них непреодолимым препятствием, с присоединением же проводов им был предоставлен более удобный путь, которым они тотчас же воспользовались, вызвав в проводах электрический ток.
Таким образом, электроны подчиняются общим законам природы, которые стремятся восстановить нарушенное равновесие, где бы и каким образом последнее ни было вызвано.
Черт. 4.
Можно сравнить генератор, посылающий ток во внешнюю цепь, с моделью, изображенной на черт. 4. Приведенный в движение насос перекачивает воду из сосуда А в сосуд Б. В сосуде Б, благодаря работе насоса (электродвижущая сила), возникает избыток давления, т.-е. более высокое давление, чем в сосуде А. Сравните с избытком и недостатком электронов на полюсах генератора. В результате повышенного давления по дугообразной трубке, соединяющей оба сосуда (внешняя цепь), начнет перетекать вода из сосуда Б в А, установится течение жидкости в направлении, указанном стрелками (электрический ток).
Разность давлений в сосудах можно сравнить с напряжением, даваемым генератором, потому что напряжение также есть разность некоторых электрических давлений или, как принято называть, разность потенциалов, понимая под потенциалом заряды на полюсах генератора. Электрический ток, как мы видим, течет от более высокого потенциала к низшему.
1) Скотт-Таггарт.
2) Обычно на практике принято условно считать, что электрический ток во внешней цепи течет в направлении от (+) к (—), т.-е. в направлении, обратном действительному движению электронов.