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, дистиллированная вода — это изолятор, свободных зарядов в ней очень мало. Но стоит бросить в воду щепотку соли, как она становится проводником — соль растворяется, образует в воде большое количество свободных положительных и отрицательных ионов.
О полупроводниках пока умолчим. Это вещество со сложным характером. Придет время, и мы поговорим о них особо.
Не требуется, по-видимому, пояснять, что полноводная река работает лучше, чем тонкая струйка воды из водопроводного крана. Вот так большое число движущихся свободных зарядов при прочих равных условиях может выполнить большую работу, чем малое их количество. И если мы хотим увидеть от движущихся зарядов настоящую работу, нужно привлечь к делу как можно больше этих зарядов. А значит, нужно организовывать движение свободных зарядов не в диэлектрике, где их очень мало, а в проводнике, где зарядов-работников огромное количество.
Т-24. Генератор и нагрузка — основные элементы электрической цепи. Завод, где работают свободные электроны или ионы, получил название «электрическая цепь». Слово «цепь» в этом названии появилось потому, что заряды, как правило, последовательно, поочередно проходят по нескольким цехам, нескольким участкам, как бы по звеньям цепочки.
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 ее для выполнения полезной работы. Так, например, в нагрузке свободные заряды — электроны и ионы, — которые генератор заставил двигаться, сталкиваются с «местными» атомами, ударяют по ним, и в результате этих ударов в нагрузке выделяется тепло или свет (Р-8).
Р-8
Генератор и нагрузка эти элементы входят в любую схему использования энергии, в любое устройство, предназначенное для выполнения каких-либо работ. Возьмем, к примеру, водяную мельницу. Могучие силы природы — солнце и ветер — испаряют воду с поверхности земли, собирают ее в прекрасные белые облака и выплескивают обратно на землю, в том числе на горные вершины. С гор вода течет вниз, сливается в русла быстрых рек.
Так работает генератор, он создает потоки воды, снабжает их энергией.
А мельничное колесо — нагрузка — эту энергию отбирает. Падающая вода вращает колесо, оно приводит в движение жернова, и они выполняют нужную работу — перемалывают зерно.
Две наэлектризованные палочки — стеклянная (+) и пластмассовая (—) — вот уже готов простейший генератор, который мог бы двигать свободные электрические заряды, заставляя их работать (вы уже, очевидно, обратили внимание — зарядами мы для краткости называем свободные электроны и ионы, наши микроскопические наэлектризованные детали). Стоит только соединить эти палочки проводником, как в нем сразу же появится электрический поток (принято говорить ток, очевидно, тоже для краткости) — начнется упорядоченное движение свободных зарядов с одной палочки на другую. Проводник в этой системе играет роль нагрузки: проходя по нему, заряды работают, выделяют, вырабатывают какое-то количество тепла. А это значит, что наша цель достигнута, завод, где работают движущиеся заряды, построен.
Давайте для определенности предположим, что к наэлектризованным палочкам (генератор) подключен именно металлический проводник (нагрузка), и попробуем более подробно рассмотреть, как работает наш завод и какими показателями нужно оценивать его работу.
Т-25. Наряду с веществом существует и такая форма материи, как поле. Этот небольшой раздел, пожалуй, самый сложный во всем нашем повествовании, и в значительной степени из-за него это повествование пришлось начинать издалека. С того, что человек нелегко и непросто постигал устройство мира. Что мир устроен намного сложней, чем кажется с первого взгляда. И что нужно уметь считаться с реальностью, какой бы непривычной она ни казалась, уметь подчиняться неотвратимым аргументам опыта. Уметь ограждать себя от неверия и внутренних протестов спокойной формулой — «Так устроен этот мир…»
Как конкретно, через каких посредников взаимодействуют электрические заряды? Как наэлектризованная палочка тянет клочки бумаги? Ведь они находятся на значительном расстоянии, непосредственно не соприкасаются… Не может же палочка действовать на бумажки через Ничто, обязательно должно существовать Нечто, через которое 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 через воздух. Например, тянут или толкают друг друга через молекулы, атомы, электроны или еще какие-нибудь частицы, подобно тому, как паровоз передает свою тягу последнему вагону через все промежуточные вагоны. Но достаточно перенести эксперимент в безвоздушное пространство, и эта гипотеза безнадежно 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…
А это значит, что, кроме реальности «вещество», к которому мы привыкали миллионы лет и прекрасно знаем все его свойства и повадки — массу, объем, геометрические формы, гравитационное притяжение, движение по инерции, плотность, температуру, — так вот, кроме вещества, кроме этой привычной реальности, есть еще совершенно иная, бестелесная, размазанная по пространству реальность, которой не заготовлено место в нашем сознании. Этой реальности, этой особой форме материи дано название «поле».
Поля бывают разные, разных, если можно так сказать, сортов. Вокруг электрического заряда существует электрическое поле, вокруг магнитов, с которыми мы начнем 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 (Р-9; Р-10).
Р-9
Р-10
Т-26. В замкнутой электрической цепи можно создать непрерывный ток, упорядоченное движение свободных зарядов. Как только мы подключим к наэлектризованным палочкам (генератор) металлический проводник (нагрузку), в этом проводнике сразу же начнется упорядоченное движение свободных электронов. Слово «упорядоченное» в данном случае должно подчеркнуть, что речь идет не просто о движении электронов, а о том движении, которое возникает под действием внешних электрических сил, под действием электрических полей наэлектризованных палочек. Свободные электроны никогда не стоят на месте, они, как всегда, непрерывно совершают свои хаотические рывки в разные стороны, рывки тем более энергичные, чем выше температура проводника. Но под действием электрических сил электроны, кроме этих хаотических движений, непрерывно смещаются в одном определенном направлении, и именно это смещение, именно это упорядоченное движение в одну сторону как раз и называется электрическим током.
Нетрудно сообразить, куда будут двигаться свободные электроны в нашем проводнике — пластмассовая палочка своим отрицательным зарядом (—) будет отталкивать электроны (—), и они будут уходить от нее, стеклянная палочка своим положительным зарядом (+) будет тянуть к себе электроны (—), и они будут двигаться к ней. Таким образом поток электронов в проводнике будет направлен от того места, где их слишком много (—), к месту, где их не хватает (+). Короче — поток электронов будет двигаться от пластмассовой палочки к стеклянной, от «минуса» к «плюсу».
Но вот проходит некоторое время, и ток в проводнике прекращается. Избыточные, лишние электроны, которые как раз и создавали отрицательный заряд пластмассовой палочки, уйдут из нее в проводник, а из него свободные электроны в свою очередь уйдут в стеклянную палочку и займут пустовавшие там места — положительный заряд стекла появлялся именно из-за нехватки электронов. В итоге все атомы пластмассы, отдав лишние электроны, станут нейтральными, все положительные ионы стекла, получив недостающие электроны, станут нейтральными, и ток в проводнике прекратится. Произойдет это все практически мгновенно, и ток в нагрузке ничего наработать не успеет.
Можно придумать несколько типов электрических генераторов, которые, в отличие от наших палочек, могли бы длительное время поддерживать ток в нагрузке. В самом простом из них можно производить непрерывную электризацию двух дисков — стеклянного и пластмассового, прижав к ним для этого куски шерсти и шелка (Р-8;3).
Р-8; 3
Теперь, как только с пластмассового диска в проводниках начнут уходить избыточные электроны и отрицательный заряд диска начнет уменьшаться, прижатый кусок шерсти добавит в пластмассу еще какое-то количество электронов — в этом-то и состоит процесс электризации пластмассы, при натирании в нее попадают лишние электроны, выдираемые из атомов шерсти. Точно так же, когда из проводника начнут поступать электроны в стеклянный диск, прижатый к нему кусок шерсти будет эти электроны убирать — электризация стекла состоит именно в том, что при натирании из его атомов вырываются электроны и переходят на натирающий предмет, то есть на кусок шерсти (шелка). Казалось бы, что благодаря всему этому избыток и недостаток электронов на дисках генератора будет все время поддерживаться и в проводнике, подключенном к такому генератору, будет существовать непрерывный, непрекращающийся ток.
Но это только «казалось бы…». Между электрическими зарядами в наэлектризованных дисках, в шелке, в шерсти и свободными электронами, бегающими по проводнику, существуют довольно сложные отношения. Они приводят к странным на первый взгляд результатам, которые, однако, всегда объяснимы и справедливы. В электрической цепи неукоснительно действуют железные законы хозрасчета, и всякое событие происходит или не происходит в зависимости от соотношения многих разных сил, выступающих «за» или «против».