Электричество шаг за шагом - [23]

Из-за всех этих сложностей авторы учебных и популярных книг стараются не привлекать непростые квантовые представления и всё, что возможно, обычно поясняют с простых и наглядных классических позиций. По той же причине в наших рассказах об электричестве использованы добрые старые очень упрощённые модели, ими наполнено большинство учебников, к знакомству с которыми мы готовимся. И всё же, пользуясь этими моделями, нужно хоть изредка вспоминать, что реальный мир сложнее и что квантовая физика уже многое открыла в этой сложности.

Т-33. Электроны и ионы могут находиться в свободном состоянии и перемещаться в межатомном пространстве. Есть хорошая французская поговорка: «Для того чтобы сделать рагу из зайца, нужно как минимум иметь зайца». По аналогии можно сказать: для того чтобы заставить ионы и электроны работать в электрических машинах, нужно как минимум иметь эти ионы и электроны. Причём иметь их не закреплёнными в структуре вещества, а в подвижном, в совершенно свободном состоянии, чтобы можно было эти микроскопические детали перемещать, двигать и тем самым заставить их выполнять какую-то работу.

ВК-37.Электрический заряд (обычно обозначается буквой q, или Q) электрона — мельчайшая порция отрицательного электричества, так же как заряд протона — мельчайшая порция положительного. Распространённая единица электрического заряда — кулон (сокращённо К), он равен суммарному заряду собранных вместе 6 280 000 000 000 000 000 (6,28 миллиарда миллиардов, или иначе 6,28∙10¹⁸) электронов или протонов. Кулон очень распространённая единица, через неё приходят к единицам тока и напряжения.

Повседневный опыт приучил нас, что твёрдые тела и жидкости имеют плотную, непрерывную структуру. А вместе с тем структура у них, если можно так сказать, ажурная, и любое вещество — вода, бумага, мрамор, сталь — больше напоминает редкую волейбольную сетку, чем плотный клубок ниток. Мы, конечно, не можем невооружённым глазом увидеть эту ажурность, сетчатость, но точными физическими исследованиями установлено, что сгустки вещества, в частности атомные ядра и электроны, находятся друг от друга на огромном по атомным масштабам расстоянии.

Так, если предположить, что атомное ядро имеет размеры футбольного мяча, то для соблюдения истинных пропорций нужно представить себе, как вокруг этого мяча на расстояниях в сотни и тысячи метров (!) вращаются электроны размером с горошину. А всё остальное — пустота. Ажурные атомные конструкции — вот первая особенность строения вещества, которую важно знать конструкторам электрических заводов, где будут работать электроны.

А вот вторая…

В твёрдом теле атомы как бы закреплены, связаны друг с другом в прочный каркас. В жидкостях атомы связаны слабее, могут смещаться, именно поэтому жидкость «мягкая», она легко изгибается, течёт, принимает форму сосуда. Ну а в газах у атомов вообще полная свобода — лети куда хочешь. И во всех случаях — в твёрдом теле, в жидкостях и в газах — атомы совершают какие-то небольшие движения, колеблются, пошатываются (Т-8), причём тем сильнее, чем выше температура вещества. Эти колебания и пошатывания прекращаются только при абсолютном нуле, при температуре 0 градусов по шкале Кельвина (ноль градусов Кельвина записывается так — 0 К), а это минус 273,16 градуса по шкале Цельсия. Получить такую низкую температуру пока никому не удалось, хотя подошли к ней очень близко — остались тысячные доли градуса.

ВК-38. Чтобы количественно оценить электрический ток (обычно обозначается буквой I), существует единица измерения ампер (А) — это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит электрический заряд 1 кулон, например 6,28∙10¹⁸ электронов. Если за секунду проходит заряд в 2 кулона, то ток, естественно, в два раза интенсивней, то есть составляет 2 ампера, а если 1 кулон проходит через поперечное сечение проводника за 2 секунды, то ток составляет 0,5 ампера.

Р-10. ПЯТЁРКА ГЛАВНЫХ СИЛ ПРИРОДЫ. Тот, кто интересовался научными дискуссиями, проходившими сорок-пятьдесят лет назад, наверняка помнит одну из их тем — «Основные силы природы». Она называла пять основных сил, полученных нашим миром при его рождении, — это силы гравитационные (1), электрические (2), магнитные (3), а также действующие только в микромире ядерные сильные силы (4) и ядерные слабые силы (5). Главными эти силы назвали потому, что всё происходящее в мире сводится к действию одной или нескольких сил из этой пятёрки.

Уже давно было известно, что электрические и магнитные силы есть нечто единое по имени электромагнетизм, что в эту группу уже нужно включить слабые ядерные силы, назвав их электрослабыми. На этом рисунке Р-10 мы сознательно повторили вольность своих коллег, предложив читателям всю пятёрку природных сил с учётом их способности действовать самостоятельно и без учёта родственных связей. Мы ещё поговорим о союзе электричества и магнетизма, на котором основана чуть ли не вся электротехника. Вспомним мы и о сильных ядерных силах, их породил так называемый барионный заряд протона и нейтрона, который начинает действовать на очень малых расстояниях. Но зато сильные силы во много раз сильнее электрических сил и поэтому успешно противодействуют развалу атомных ядер (4) из-за расталкивания протонов с одинаковым электрическим зарядом (см. Р-2). И без ядерных слабых сил не мог бы существовать наш мир, они участвуют в превращении атомов водорода в более сложные атомы гелия (5), а этот процесс кормит энергией большинство звёзд, в том числе и наше Солнце.