Первые исследователи полагали, что электрический ток представляет собой движение положительных зарядов, поэтому они описали явление тока как поток положительно заряженных частиц к отрицательному потенциалу. Только значительно позднее эксперименты доказали само существование электронов и определили, что это они двигаются от отрицательного к положительному потенциалу. Однако традиция осталась в силе, и с тех пор движение электрического тока на всех схемах показывается стрелками в противоположном реальному потоку электронов направлении. Поэтому обычный ток представляет собой (условное) движение заряженных частиц от положительного к отрицательному потенциалу и этим противоположен току реальному.
Важная объединяющая теория: электроны, проводники и напряжение
Предположим, у вас есть отрезок провода (проводник), и вы хотите присоединить его к положительному выводу батареи, а другой его конец — к ее отрицательному выводу. В этом случае электроны потекут от отрицательного потенциала к положительному. Этот поток электронов и является электрическим током. То есть соединение в одно целое электронов, проводника и напряжения позволяет получить электрический ток в той форме, которую можно так или иначе использовать.
Для того чтобы помочь вам описать то, как тип проводника и величина напряжения влияют на электрический ток, мы сочли удобным провести аналогию с тем, как давление воды и диаметр трубы влияют на поток воды по этой самой, трубе.
> Увеличение давления воды заставляет протекать по трубе большее ее количество. Это явление аналогично увеличению напряжения, которое приводит к усилению электрического тока в связи с тем, что большее количество электронов принимает участие в направленном движении.
> Использование трубы большего диаметра также позволяет пропустить по трубе больше воды при одном и том же давлении. Этот эффект можно сравнить с использованием провода большего диаметра, который позволяет электронам течь без препятствий при одном и том же напряжении, опять же приводя к большему электрическому току.
Откуда берётся электричество?
Итак, мы уже знаем, что электричество появляется тогда, когда напряжение в проводнике создает электрический ток. Однако где же берется нужная энергия, когда вы соединяете отрезком провода, выключатель и электрическую лампочку?
Существует множество различных источников электричества— от старых добрых фокусов типа "пройтись-по-ковру-и-дотронуться-до-дверной-ручки" и до современных солнечных батарей, но, чтобы упростить изучение данного вопроса, мы рассмотрим только три их типа, которые вы в подавляющем большинстве случаев и будете применять на практике: батареи, обычные бытовые розетки и солнечные батареи.
Батареи: когда другие уже устали, они все еще полны энергии
Для генерации положительного напряжения на одном выводе электрической батареи и отрицательного — на другом используется процесс электрохимических реакций. В батарее заряд создается помещением двух разных металлов в определенный тип химического вещества. Поскольку перед вами отнюдь не учебник по химии, мы не будем углубляться в особенности работы батарей — просто поверьте, что именно такая структура служит для получения напряжения.
Батареи имеют два вывода (выводами называются металлические площадки на концах батареи, к которым подключаются провода). Не сомневаемся, что вы часто используете батареи для питания электричеством переносных устройств, например фонарика. В фонаре от лампочки отходит два проводка, которые подключены к соответствующим выводам батареи. Что же происходит дальше? А вот что.
> Напряжение толкает электроны через провод от отрицательного вывода батареи к положительному.
> Электроны, движущиеся по проводу, проходят через нить накала электрической лампочки и заставляют ее светиться.
Благодаря тому, что электроны двигаются только в одном направлении, от отрицательного вывода батареи к положительному, электрический ток, генерируемый батареей, называется постоянным током (на схемах часто обозначается DC — direct current). Он является противоположностью переменному току, который мы рассмотрим в следующем разделе, где речь пойдет об электрических розетках.
Проводки, идущие от лампочки, должны быть подключены к обоим выводам батареи. Это позволяет электронам двигаться от одного из них к другому, проходя через лампочку. Если не создать электронам подобную петлю из проводников, то они не смогут течь вообще.
Тепличные условия - электрические розетки
Когда вы включаете лампу в электрическую розетку на стене, вы используете то электричество, которое выработала электростанция. Последняя может быть расположена на дамбе на реке или получать энергию от другого источника — например, атомной электростанции. Чаще всего, однако, используют процесс сжигания угля или природного газа. Направление, в котором текут электроны, меняется 100 раз в секунду, т.е. они совершают однонаправленное движение 50 раз в секунду. Такое изменение потока электронов называется переменным током (АС— alternative current).
Изменение направления тока с возвращением к первоначальному направлению представляет собой цикл, или период. Количество таких периодов переменного тока в секунду называется частотой и измеряется в специальных единицах — герцах (Гц). В странах Европы используется частота, равная 50 Гц, а в Северной Америке — 60 Гц, т.е. электроны меняют направление своего движения 120 раз в секунду.
Электричество, вырабатываемое гидроэлектростанцией, получается при вращении водой турбины с намотанным проводом внутри гигантского магнита. Одним из свойств взаимодействия проводников и магнитов является тот факт, что в присутствии магнита при движении проводника, в последнем возникает наведенный поток электронов. Сначала эти электроны двигаются в одном направлении, а потом, когда петля проводника поворачивается на 180 градусов, магнит заставляет электроны идти в обратном направлении. Подобное вращение и создает электрический ток.
Включить вилку в электрическую розетку весьма просто, но в большинстве случаев для ваших проектов понадобится постоянный, а не переменный ток. Если вы хотите пользоваться розетками, то вам нужно будет преобразовывать ток из переменного в постоянный. Это легко сделать, если имеется источник питания. Источником питания является, к примеру, зарядное устройство для вашего мобильного телефона: оно потребляет переменный ток и выдает постоянный, который служит для запитки аккумуляторов, подробнее о разных источниках питания вы сможете узнать в главе 3.
Безопасность, безопасность и еще раз безопасность! Важно уяснить и решить для себя в каждом конкретном случае — действительно ли вы хотите получать ток из настенной розетки? Использование батарей похоже на игры с милым домашним котенком, а питание от электричества в розетках — на приручение голодного льва. В первом случае вам грозят разве что поцарапанные руки, во втором же вы рискуете попасть на обед целиком. Если вам действительно столь необходимо подключиться к розетке, убедитесь, что понимаете, что делаете. Более подробные советы по безопасности приведены в главе 2.
Что появилось раньше: напряжение или ток
Электрические батареи являются источниками напряжения, которое создает электрический ток. В генераторах гидроэлектростанции возникающий ток создает напряжение. Что же появляется раньше? Этот вопрос напоминает другой известный философский спор — что появилось раньше: курица или яйцо? Напряжение, ток и проводники возможны только одноименно. Если к проводнику будет приложено напряжение, возникнет ток. Если этот ток течет по проводнику, значит на концах последнего появляется напряжение. Короче: не ломайте себе голову над подобными вопросами