Бенджамина Франклина, американского физика, занимавшегося исследованиями электрических явлений, все вещества в природе содержат «электрическую жидкость». Переливаясь из одного тела в другое, она как бы добавляет или убавляет их заряды.
Конечно, такие догадки, хотя поначалу и много могли объяснить, не выдержали проверки временем. Идеи о «зернистом» строении вещества коснулись и электричества. К мысли о дробности заряда вела его возможность делиться между телами. А когда в 1897 году была обнаружена мельчайшая отрицательно заряженная частичка, стало ясно, что все заряды — составные.
Заряд электрона, а так назвали новую частичку, оказался самым маленьким в природе. Он так крохотен, что нужны тысячи миллиардов электронов, чтобы получить заряды шариков, заметно влияющих друг на друга, как в опыте Кулона.
Бенджамин Франклин (1706–1790) — американский физик и политический деятель. Основные научные исследования проводил в области электричества. Объяснил действие «лейденской банки», построил первый плоский конденсатор, изобрел молниеотвод, доказал электрическую природу молнии. Применил электрическую искру для взрыва пороха. Разработал теорию электрических явлений, в которой содержался закон сохранения заряда.
Электроны так легки, что очень свободно, огромными «партиями» или «стаями», могут двигаться, перенося с собой заряд. Вот это и создает впечатление текущей «электронной жидкости». Теперь же, говоря о заряде, имеют в виду избыток (отрицательность) или недостаток (положительность) электронов в теле.
Где легче «бегать» заряду?
Если заряд — это множество микроскопически заряженных частичек, то как они движутся? Ведь на пластмассовой расческе, мы это видели, заряд способен, хоть недолго, удерживаться. А на металлических, какими часто пользуются парикмахеры, заряду «не сидится», поэтому волосы к ним не притягиваются. На сухих блузках заряды какое-то время сохраняются, с треском и искрами выдавая затем свое присутствие, а со смоченных антистатиком куда-то сразу «удирают».
Электрическая искра, проскакивающая между обкладками конденсатора, — также свидетельство того, что до поры «сидевшие» в покое заряженные частички вдруг ринулись навстречу друг другу.
Что же позволяет зарядикам на одних телах покоиться, а по другим бежать?
Давно было замечено, что все тела в природе можно разбить на два «лагеря»: хорошо и плохо пропускающие через себя электрические заряды. Первые назвали проводниками, а вторые — изоляторами, или, как еще говорят в науке, диэлектриками.
Наверное, нет нужды перечислять прекрасно вам известные проводники. Вы сами сразу назовете металлы, из которых делают провода и спаивают контакты. А чуть подумав, добавите к ним и жидкости, которые вы замечали в батарейках или аккумуляторах.
Изоляторы тоже легко указать — это дерево, стекло, пластмассы, фарфор.
А вот воздух? Безусловно, когда он сух, то является отличным изолятором. Но уж если через него проскочила электрическая искра, то в этот момент он, разумеется, стал проводником.
Откуда «бьет» источник тока?
Возьмите в руки обычную электрическую батарейку и рассмотрите ее. Вы, конечно, найдете на ней «плюс» и «минус» — значки, отмечающие ее полюса. Если присоединить их к лампочке, скажем, от карманного фонарика, то она зажжется. Что заставило ее гореть? Ясно, что по ней побежали от одного полюса батареи к другому электрические заряды. Или еще мы говорим, что потек электрический ток.
Почему же он не течет внутри самой батарейки, когда она ни к чему не присоединена? Заряды-то на ее полюсах разноименные и хотели бы притянуться друг к другу. Значит, внутри батарейки им что-то мешает соединиться, какая-то сила раздвигает их. А вот через лампочку и проводки — бегите себе, заряды, пожалуйста. Но лишь только перебегут они от одного полюса к другому, только встретятся, как опять эта сила разлучит их, разведет по полюсам, чтобы снова помчались они через лампочку. Так и течет без перерыва электрическая речка по замкнутому кругу, сколько сил у батарейки хватит.
Луиджи Гальвани (1737–1798) — итальянский физик и физиолог. Один из основоположников учения об электричестве, обнаруживший сокращение мышц лягушки под действием электрического тока. Его опыты с «животным» электричеством легли в фундамент нового научного направления — электрофизиологии.
Обнаружилось подобное явление в опытах итальянского ученого Луиджи Гальвани. Соединяя мышцы и нервы препарированной лягушки проводником, состоящим из железа и меди, он заметил сокращение, дергание мышц. То есть в металлах, как в будущей батарейке, заряды перебегали друг к другу через лапку лягушки. Правда, Гальвани полагал, что в каждом животном есть свое собственное, особое электричество. Позже его соотечественник Алессандро Вольта исправил эту ошибку, доказав, что электричество по своей природе везде одно и то же. Ему также удалось построить в 1800 году первый источник электрического тока — вольтов столб, состоящий из чередующихся медных и цинковых пластинок. С этого изобретения начинается история кропотливых исследований электрического тока.
Бег по кругу
Какие бы источники электрического тока мы ни использовали, заставить их работать сможем лишь тогда, когда соединим их полюса проводами и приборами. Иначе говоря, мы должны образовать электрическую цепь. В отличие от обычной речки, текущей только сверху вниз, электрический ток должен течь лишь по замкнутым путям. Роль насоса, перекачивающего воду из нижнего течения реки назад, на высоту, играют источники тока, «перекачивающие» внутри себя заряды с одного полюса на другой.
Алессандро Вольта (1745–1827) — итальянский физик и химик. Под влиянием наблюдений Гальвани занялся исследованием электрического тока. Изобрел и построил первый длительно действующий источник тока — вольтов столб. Это устройство проторило дорогу дальнейшему экспериментальному изучению электричества. Автор многих приборов и проекта телеграфа.
Понятно, что вольтовы столбы или те маленькие электрические батарейки, которыми мы пользуемся сегодня, — не слишком мощные источники тока. Поиск новых, более «солидных», продолжается уже около двух столетий. Но для установления законов, которым подчиняется электрический ток, на первых порах было достаточно и простейших его источников.
Начало XIX века ознаменовалось широким наступлением ученых на выяснение этих закономерностей. Вводятся такие важные физические величины, как сила тока и напряжение. Первая величина подобна расходу воды в реке, а вторая — напору, создаваемому плотиной. Устанавливается направление тока в замкнутой цепи.
Правда, с ним вышел небольшой казус. Поначалу считалось, что по электрической цепи из металлических проводников циркулируют положительные заряды. Сегодня же достоверно известно, что текут-то по ним отрицательно заряженные электроны. И, конечно, в противоположном направлении.
Андре Мари Ампер (1775–1836) — французский физик, математик и химик. Открыл закон взаимодействия электрических токов, сформулировал правило для определения действия тока на магнитную стрелку. Тесно связывал электрические и магнитные явления, предположив, что магнетизм объясняется микроскопическими токами внутри вещества. Изобрел множество приборов, в том числе электромагнитный телеграф.
А вот единицы измерения силы тока и напряжения претерпели лишь количественные изменения. Сегодня они хорошо вам знакомы и указаны практически на каждом электрическом приборе. Взгляните, например, на розетку, лампочку или штепсель. На них вы найдете наименования этих единиц, присвоенных в честь великих ученых, — это амперы и вольты.
Как соединять проводники в цепи?
Если составить электрическую цепь из батарейки или небольшого аккумулятора, проводов, выключателя и нескольких лампочек, то можно провести такой опыт. Соединяя лампочки одну за другой, как в елочной гирлянде, мы заметим, что они горят не слишком ярко. А если соединить их так, чтобы ток разветвлялся и тек по ним, как вода в рукавах реки, то накал лампочек значительно возрастет. Почему? Ведь источник тока один и тот же, да и лампочки не меняли вроде своих свойств. Все дело, по-видимому, в особенностях их соединения.
Как вы думаете, в каком случае току было легче течь по цепи? Наверное, во втором. Так как мы дали ему возможность, хоть и разделившись, пройти лишь по одной лампочке. А в первом — заставили «перебрать» все лампочки последовательно. Это как в трубе — сквозь узкую длинную трубку воде протечь труднее, чем если бы ее нарезали на кусочки и сложили бы так, чтобы вода текла через большое ячеистое отверстие.
Эти нехитрые эксперименты подсказывают, как соединять в разных случаях проводники. Когда нужно увеличить их сопротивление электрическому току, их ставят в «затылочек» друг другу — последовательно. А если хотят уменьшить это сопротивление, то размещают их, как воинов в строю — всех «лицами» в одну сторону, или параллельно.
Разбираясь с различными электрическими схемами, вы всегда обнаружите тот или иной вид соединения не только проводников, но и самых разных элементов цепи. Учет правил последовательного и параллельного соединений заметно облегчает расчеты. Скажем, в наших квартирах все приборы подключаются к электрической сети параллельно.
Вопросами сопротивления проводников занимались многие известные ученые. Выяснилось, что оно зависит как от размеров проводника, так и от вещества, из которого он сделан. Знание этих характеристик позволяет подобрать нужные материалы как при передаче электроэнергии по проводам, так и при изготовлении радио- и электронных схем.
От чего зависит ток?
Огромную роль в понимании электрических явлений сыграл закон, открытый скромным немецким учителем