Радио и телевидение?.. Это очень просто!

И, наконец, если на внешней оболочке имеется 4 электрона, что как раз характерно для кремния и германия, то это вещество и не проводник, и не диэлектрик. В этом случае мы имеем вещество, называемое полупроводником.

Я не хочу больше утомлять тебя жизнью в среде атомов. Но прежде чем выйти из микромира, я хочу сказать тебе, что благодаря притяжению периферийных электронов ядрами соседних атомов атомы твердых тел обычно расположены в стройном порядке. Именно по этой причине большинство твердых тел имеет кристаллическую структуру.

Теперь, Незнайкин, после того, как я изложил тебе основы строения вещества, ты сможешь без труда понять то, что мой дорогой племянник Любознайкин расскажет тебе об электрическом токе.

Беседа вторая

ЭЛЕКТРОНЫ НА ПРОГУЛКЕ

Обладая теперь знаниями о строении вещества, Незнайкин без труда усвоит основные понятия, связанные с электрическим током, источниками электрической энергии, установит соотношение между силой тока, напряжением и сопротивлением, а также зависимость сопротивления от материала и размера проводника.

От бесконечно большого к бесконечно малому

Любознайкин. — Что ты думаешь, Незнайкин, о записанном на пленку монологе моего дядюшки Радиоля, который я тебе только что дал послушать?

Незнайкин. — На меня большое впечатление произвела аналогия между микромиром и макромиром. Атом как бы представляет собой эквивалент солнечной системы. В этих условиях молекула, по моему мнению, представляет собой эквивалент созвездия.

Л. — Можно даже пойти дальше и предположить, что Вселенная, состоящая из совокупности созвездий, собранных в галактике, представляет собою мир, расположенный в Сверхвселенной.

Н. — Ну хорошо, у меня возникло желание высказать гипотезу. Ты только что набросал картину того, что можно было бы назвать «макро-макромиром», а я хотел бы показать «микро-микромир». Кто знает, не представляет ли каждый электрон настоящую планету, состоящую из бесконечно малых частиц, которые в свою очередь…

Хождение электронов

Л. — Позволь мне остановить тебя, Незнайкин. Вместо высказывания стольких идей, которые, может быть, и не лишены основания, нам лучше приступить к изучению электричества.

Благодаря объяснениям моего дядюшки ты уже знаешь, при каких условиях атом может быть положительным или отрицательным. Недостаток электронов в первом случае и их избыток во втором нарушают равновесие атома. Предположи теперь, что у тебя есть проволочка-проводник…

Н. — Ты хочешь сказать, проволочка из вещества, атомы которого имеют на поверхностном слое меньше четырех электронов?

Л. — Разумеется. Это может быть, например, медная проволочка. Предположим, что на одном ее конце мы сделали атомы положительными, а на другом — отрицательными. Что тогда произойдет?

Н. — Природа любит равновесие. Поэтому я предполагаю, что избыточные электроны с отрицательного конца устремятся к другому, где их не хватает, так как этот конец проволочки положительный.

Л. — Совершенно верно. В действительности движения электронов более сложные. Избыточные электроны с одного конца не пробегают вдоль всего проводника до его другого конца.

Дело обстоит иначе. Положительные атомы на положительном конце проводника притягивают электроны от соседних с ними атомов. Последние становятся положительными и в свою очередь притягивают электроны с расположенных дальше атомов. И движение продолжается таким образом до тех пор, пока избыточные электроны с отрицательного конца не будут притянуты соседними с ними атомами.

Н. — Если я правильно понял, это то, что называется электрическим током. Но, если принимать во внимание сложность описанного тобою процесса, скорость его должна быть достаточно низкой.

Л. — Мой друг, ты ошибаешься. Эта скорость может достигать скорости света. Но необходимо четко различать индивидуальную скорость электронов, перемещающихся от одного атома к другому, и скорость распространения совокупности электронов.

Когда вереница автомобилей стоит перед красным светом светофора и когда загорается зеленый свет, каждая из машин трогается с места медленно. Но если все водители реагируют мгновенно, все машины трогаются с места, как только светофор переключится на зеленый. В этом случае момент общего старта определяется временем, за которое свет дойдет до глаз каждого шофера. Это означает, что рывки распространяются по цепочке со скоростью света, т. е. со скоростью 300000 км/с. Электрический ток тоже распространяйся со скоростью, близкой к скорости света.

Источники напряжения

Н. — Но как только равновесие между двумя концами проводника восстановится, электрический ток прекратится?

Л. — Он будет продолжать свое движение, если мы будем поддерживать отсутствие равновесия, которое называют разностью электрических потенциалов. А чтобы создавать разность потенциалов или, как говорят, напряжение, можно использовать много различных способов. На практике все формы энергии могут преобразовываться в электрическую. Так, например, электрическая энергия возникает при нагревании термоэлектрической пары или при освещении фотоэлектрического элемента.

Ты можешь легко превратить химическую энергию в электрическую. Опусти в раствор серной кислоты стержень из меди и стержень из цинка. Сразу же химические реакции сделают цинк отрицательным относительно меди. Соедини проволочкой выступающие из раствора концы этих стержней, и по ней от цинка к меди потечет электрический ток.

Н. — Не это ли называют электрическим элементом?

Л. — Да, это самая простая модель элемента (рис. 8).

Рис. 8. Электрический элемент и его условное обозначение. Стрелками показано направление потока электронов, идущего от отрицательного полюса (цинк) к положительному (медь).

Между двумя стержнями устанавливается напряжение примерно 1,5 В. Разность потенциалов измеряется в вольтах (В). Если требуется более высокое напряжение, можно включить несколько элементов последовательно, т. е. соединить положительный полюс одного элемента с отрицательным полюсом другого.

Н. — Я предполагаю, что полюс обозначает здесь каждый из выводов элемента. Очень возможно, что при таком последовательном включении напряжения складываются. Я догадываюсь, что таким образом создают батареи, используемые для питания радиоприемников.

Л. — Браво, Незнайкин! Твоя интуиция тебя не обманула. Действительно, используемые нами батареи состоят из нескольких последовательно соединенных элементов.

Условность и истина

Н. — Однако здесь кое-что меня удивляет. По твоим словам, электроны идут от отрицательного полюса к положительному. А я от компетентных людей слышал, что электрический ток идет от положительного полюса к отрицательному. Где же истина?

Л. — То, что ты слышал, — условное направление электрического тока, его приняли в то далекое время, когда еще не знали о существовании электронов и, следовательно, об истинном направлении их движения. Поэтому всегда учитывай истинное направление тока, который вне источника напряжения идет от отрицательного полюса к положительному (рис. 9).

Рис. 9. Направление движение электронов в электрическом элементе и вне его.

Н. — Почему ты акцентируешь мое внимание на выражении «вне источника напряжения»?

Л. — Потому что в самом элементе по раствору серной кислоты электроны перемещаются от медного стержня к цинковому. Ты видишь здесь полностью замкнутый путь, по которому электроны проходят полный круг.

Незнайкин формулирует закон Ома

Н. — А какое количество электронов совершает эту прогулку?

Л. — Это количество зависит от двух факторов: от напряжения источника тока и от электрического сопротивления цепи. Количество электронов, проходящее в секунду, называется силой тока. Она измеряется в амперах (А).

Н. — Если я правильно понял, сила тока пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Л. — Браво, дорогой друг! Ты превосходно сформулировал закон Ома, этот основной закон всей науки об электричестве.

Действительно, для вычисления силы тока I достаточно разделить напряжение U на сопротивление R. Электрическое сопротивление выражается в омах (Ом). 1 Ом — это сопротивление проводника, который при напряжении 1 В пропускает ток силой 1 А.

Н. — Я думаю, что закон Ома можно выразить следующей простой математической формулой:

I = U/R,

т. е. сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление. Мне хотелось бы понять, от чего зависит сопротивление проводника.

Сопротивление и удельное сопротивление

Л. — Сопротивление проводника зависит от его материала и размеров. Каждое вещество характеризуется так называемым удельным электрическим сопротивлением. Это сопротивление, которым обладает кубический сантиметр вещества при включении его в цепь двумя противоположными сторонами. Самое низкое удельное сопротивление из наиболее широко применяемых проводников у серебра: оно равно 0,000001492 Ом·см. Сопротивление меди чуть больше и составляет 0,000001584 Ом·см. Но у стали оно в 6, а у свинца — в 15 раз больше, чем у серебра.

Теперь ты можешь понять, почему чаще всего применяют проводники из меди — этот металл намного дешевле серебра.

Н. — Я предполагаю, что у диэлектриков удельное сопротивление намного больше.

Л. — Разумеется. Удельное сопротивление стекла, пластмасс и резины — очень высокое.

Н. — Судя по тому, что ты сейчас сказал, сопротивление проводника зависит не только от его материала, т. е. от его удельного сопротивления, но и от его формы. Не ошибаюсь ли я, предполагая, что чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление?

Л. — Ты абсолютно прав. Сопротивление R пропорционально длине проводника L. Оно также зависит от его поперечного сечения S. Не догадываешься ли ты, каково это отношение?

Н. — Несомненно, чем больше сечение проводника, тем легче проходят через него электроны. Следовательно, R должно быть обратно пропорционально S.

Л. — Верно. А теперь, если мы обозначим удельное сопротивление греческой буквой ρ (ро), сможешь ли ты составить формулу, позволяющую вычислить сопротивление проводника, имеющего длину L и сечение S?

Н. — Это не сложно. Достаточно умножить удельное сопротивление на длину и разделить на сечение:

При этом размеры должны быть выражены в сантиметрах.