Как уже говорилось ранее, для бесперебойного потока зарядов необходима не только непрерывная «тропинка» из проводникового материала (т.е. цепь): нам также нужны средства для того, чтобы толкать эти носители заряда по цепи. Как в аналогии с шариками или водой в трубе, для инициации потока нужна какая-то сила. В случае с электронами это та же самая сила, что и в статическом электричестве: сила, генерируемая дисбалансом электрического заряда.
Если мы возьмем воск и шерсть, потертые друг о друга, то обнаружим, что избыток электронов находится в воске (отрицательный заряд) и их нехватка – в шерсти (положительный заряд) создают дисбаланс заряда между ними. Этот дисбаланс проявляется в силе притяжения между двумя этими объектами:
Если поместить между двумя этими объектами провод, по нему побегут электроны: избыточные электроны из воска переместятся обратно в шерсть, компенсировав их тамошнюю нехватку:
Дисбаланс электронов между атомами в воске и шерсти создает силу между двумя этими материалами. Если между воском и шерстью нет «тропинки» для потока электронов, то все, что эта сила может делать – это притягивать воск и шерсть друг к другу.
Но теперь, когда мы поместили между ними мостик в виде проводника, эта сила хоть всего на миг, но побуждает электроны двигаться в одном направлении по проводу, пока заряд в этой области не нейтрализуется, а сила притяжения между воском и шерстью не ослабится.
Электрический заряд, сгенерированный при помощи трения между двумя материалами, служит для хранения некоторого количества энергии. Она похожа на энергию, хранящуюся в резервуаре с водой, который стоит на возвышении, и к этому резервуару подкачивают воду из резервуара, расположенного ниже:
На воду в верхнем резервуаре действует сила притяжения, которая заставляет воду снова двигаться вниз – к нижнему резервуару. Если поместить между верхним и нижним резервуарами трубу, вода будет течь вниз по этой трубе под действием силы притяжения.
На то, чтобы закачать воду обратно в верхний резервуар, требуется энергия, а движение воды по трубе вниз высвобождает энергию, которая была накоплена в процессе подкачки.
Если воду нужно закачать на еще более высокий уровень, то для этого потребуется еще больше энергии, а это значит, что когда вода будет снова течь обратно в нижний резервуар, это высвободит еще больше энергии.
Электроны работают по схожему принципу. Если потереть воск о шерсть, мы как бы «закачаем» электроны из их обычного нижнего «резервуара», создавая ситуацию, при которой между воском и шерстью возникает сила, т.к. электроны пытаются вернуться на исходные места (и восстановить баланс в своих атомах). Сила, притягивающая электроны обратно на исходные позиции вокруг положительно заряженных ядер их атомов, аналогична силе притяжения, воздействующей на воду в верхнем резервуаре, чтобы та вернулась к своему прежнему уровню внизу.
Как в результате закачки воды в верхний резервуар происходит накопление энергии, так и в результате «закачки» электронов создается дисбаланс электрического заряда, что позволяет накопить в нем некоторое количество энергии. Как создание пути, по которому вода может стечь вниз, позволяет высвободить накопленную энергию, так и создание «тропинки» для электронов, чтобы те могли вернуться на исходное место, тоже позволяет высвободить накопленную энергию.
Понимание концепта напряжения
Когда носители заряда находятся в этом статичном состоянии накопленной энергии (по аналогии с водой, накопленной в верхнем резервуаре), то накопленная энергия называется «потенциальной энергией», поскольку у нее есть возможность (потенциал) высвободиться ради какой-то задачи.
Когда вы в сухой день трете своими ботинками с резиновой подошвой по ковру, то создаете дисбаланс электрического заряда между собой и ковром. Это действие накапливает энергию в виде дисбаланса электронов, которых «прогнали» со своих родных мест. Этот заряд (статическое электричество) недвижим, и вы сами даже не понимаете, что являетесь хранилищем энергии. Но как только вы дотронетесь рукой до металлической дверной ручки (внутри которой находится множество электронов, способных нейтрализовать ваш электрический заряд), эта накопленная энергия будет высвобождена в виде неожиданного потока заряда через вашу руку, в результате чего вы получите удар электрическим током.
Эту потенциальную энергию, хранящуюся в виде дисбаланса электрического заряда и способную инициировать перемещение носителей заряда через проводник, можно обозначить термином «напряжение», что технически – единица потенциальной энергии на единицу заряда или то, что физик назвал бы «удельной потенциальной энергией».
Определение напряжения
В контексте статического электричества напряжение – это величина того, какую работу надо совершить для того, чтобы переместить единицу заряда из одного места в другое, противодействуя силе, которая пытается сохранить баланс электрических зарядов. В контексте источников электроэнергии напряжение – это количество потенциальной энергии на единицу заряда для перемещения зарядов по проводнику. Поскольку напряжение – это потенциальная энергия, которая может высвободиться при перемещении заряда с одного «уровня» на другой, то здесь всегда присутствуют две точки. Давайте вернемся к аналогии с резервуаром с водой.
Из-за разницы в высоте падения воды гораздо больше энергии будет высвобождено при перемещении воды по трубе до позиции 2, чем до позиции 1. Этот принцип можно интуитивно понять на примере падения камня: какой удар будет сильнее – от камня, который упал с метровой высоты, или от камня, упавшего с километровой высоты?
Очевидно, что падение с более высокой высоты высвободит больше энергии (и такой удар будет сильнее). То есть теперь мы не можем вычислить количество накопленной энергии, просто измерив объем воды в резервуаре, как и не можем предугадать тяжесть удара камня о землю просто зная вес камня: в обоих случаях мы также должны учитывать, насколько далеко эти объекты находятся от места падения. Точно так же потенциальная энергия для перемещения носителей заряда из одной точки в другую зависит от этих двух «уровней». Следовательно, напряжение всегда выражается как величина, рассчитываемая относительно двух точек.
Генерирование напряжения
Напряжение можно генерировать не только при помощи трения некоторых типов объектов друг о друга. В числе других способов – химические реакции, энергия излучения и воздействие магнетизма на проводники.
Источники, с помощью которых генерируется это напряжение – это, соответственно, аккумуляторные батареи, солнечные батареи и генераторы (вроде того, что можно обнаружить под капотом вашего автомобиля). Сейчас мы не будем вдаваться в детали того, как работает каждый из этих источников напряжения – сейчас важнее понять, как при помощи источников энергии можно создать поток зарядов в электрической цепи.
Давайте возьмем символ батареи и шаг за шагом построим электроцепь:
Как работает источник напряжения?
Любой источник напряжения, включая батареи, имеет два электрических контакта. В нашем случае это контакт 1 и контакт 2 (см. картинку выше). Горизонтальные линии разной длины указывают на то, что это батарея, а также на то, в каком направлении будут перемещаться носители заряда по цепи. Не обращайте внимание на то, что горизонтальные линии в символе батареи кажутся отделенными друг от друга (и потому кажется, что из-за этого в цепи имеются разрывы): в реальности эти горизонтальные линии – это металлические пластины, погруженные в жидкость или полупроводниковый материал, который не только пропускает заряды, но и (взаимодействуя с пластинами) генерирует напряжение, чтобы заряды получили стимул перемещаться по цепи.
Обратите внимание на маленькие символы «+» и «-» слева от символа батареи. Отрицательный («-») край батареи – это всегда край с короткой линией, а положительный («+») край – это всегда край с длинной линией. Положительный край батареи выталкивает из себя носителей зарядов (как вы помните, ученое сообщество условилось называть носители заряда положительно заряженными, хотя на самом деле электроны имеют отрицательный заряд). Соответственно, отрицательный край притягивает к себе носителей зарядов.
Если контакты «+» и «-» ни к чему не будут подключены, между ними будет напряжение, но потока носителей зарядов через батарею идти не будет, т.к. нет «тропинки», по которой они могли бы перемещаться.
Тот же принцип работает в аналогии с резервуаром и закачкой воды: без трубы, по которой вода могла бы сливаться вниз, энергия, накопленная в верхнем резервуаре, не может быть высвобождена в виде потока воды.
Когда верхний резервуар будет полностью заполнен водой, никакого потока не возникнет – какое бы давление не создавал закачивающий воду насос. Для того, чтобы создать непрерывный ток воды, нужны трубы («тропинки»), по которым вода могла бы течь из нижнего резервуара в верхний и из верхнего в нижний.
Мы можем сделать эту «тропинку» для батареи, соединив один конец батареи с другим. Сделав цепь из закольцованного провода, мы запустим непрерывный поток зарядов по часовой стрелке.
Понимание концепта электротока
Носители заряда будут продолжать перемещаться по цепи, пока батарея генерирует напряжение, а непрерывность «тропинок» цепи не нарушена. Если продолжить метафору с водой, текущей по трубе, этот непрерывный, единообразный поток зарядов по цепи называется «током». Пока источник напряжения продолжает «толкать» заряды в одном направлении, они продолжат двигаться в этом направлении по цепи. Движение зарядов в одном направлении называют «постоянным током». Во втором томе этой серии будет рассказываться об электроцепях, в которых направление движения зарядов может меняться – такой ток называется «переменным током». Но пока речь будет идти только о цепях с постоянным током.
Поскольку электроток состоит из множества отдельных носителей зарядов, текущих в унисон по проводнику и толкающих носителей зарядов, что находятся впереди них (как шарики или вода в трубе), величина этого потока в любой точке цепи будет одинаковой. Если мы последим за несколькими точками в цепи, считая то, сколько через них проходит носителей зарядов, то обнаружим, что через каждую из них проходит одинаковое количество зарядов за единицу времени – независимо от длины и толщины проводника.
Если мы создадим в какой-либо точке цепи разрыв, электроток перестанет идти по всей «петле» цепи, а напряжение, генерируемое батареей, будет проявляться на концах этого разрыва, которые в нормальном состоянии должны быть соединены:
Что такое полярность напряжения?
Обратите внимание на символы «+» и «-» на концах обрыва цепи, а также на то, как они соответствуют знакам «+» и «-» на контактах батареи. Эти маркеры показывают направление, в котором напряжение пытается «толкать» электроток, и это направление потенциалов называют «полярностью». Как вы помните, напряжение всегда задается относительно двух точек. По этой причине полярность напряжения тоже всегда задается относительно двух точек: то, какой символ поставить точке цепи – «+» или «-» – зависит от противоположной точки в цепи. Взгляните на картинку ниже: на ней изображена цепь, где каждый угол помечен какой-либо цифрой:
Между углами 2 и 3 в цепи есть разрыв, поэтому полярность напряжения сформируется между углами 2 и 3 – в углу 2 будет «+», а в углу 3 будет «-». Полярность батареи такова («+» на углу 1 и «-» на углу 4), что электроток будет течь по часовой стрелке – от 1 к 2, к 3, к 4 и снова к 1.
Теперь давайте посмотрим, что получится, если мы восстановим цепь между углами 2 и 3, но сделаем разрыв между углами 3 и 4:
Теперь полярность напряжения проявится между углами 4 («-») и 3 («+»). Обратите особое внимание на то, что знак у угла 3 поменялся (в предыдущем примере, когда был разрыв между углами 2 и 3, там было «-»).
То есть нельзя сказать, что на углу 3 всегда «+» или «-», потому что полярность, как и само напряжение, не зависит от конкретного места, но всегда задается относительно двух точек цепи.
Напряжение – это единица измерения потенциальной энергии (потенциальная энергия на единицу заряда) между двумя точками. Говоря простым языком, это единица «толчка» для перемещения зарядов по цепи.
