Электричество шаг за шагом - [26]

В диэлектриках (изоляторах) все электроны крепко связаны с ядром, и редко какой-то из них может вырваться на свободу. Нужно пересмотреть миллиарды атомов диэлектрика, чтобы отыскать среди них один положительный ион — атом, упустивший свой электрон в межатомное пространство.

О полупроводниках говорит само их название — свободных зарядов в них значительно больше, чем в диэлектриках, но значительно меньше, чем в проводниках, например в металлах. Кроме того, у полупроводников есть особенности, которые сделали их основой всей современной электроники. В любом компьютере, сотовом телефоне, телевизоре работают тысячи и даже миллионы полупроводниковых приборов, скрытых в пластмассовых корпусах. Полупроводниковые приборы широко используются и в электрических машинах, во многих системах большой энергетики.

До сих пор все свои электрические опыты мы проводили с изоляторами: со стеклом, пластмассой, пенопластом. Но если мы хотим получить от электричества ощутимую работу, то нужно переходить от изоляторов к проводникам, где свободных зарядов много и можно создать достаточно мощный их поток, — полноводная река работает лучше, чем тонкая струйка воды из водопроводного крана.

ВК-41.Важная характеристика электрогенератора — его электродвижущая сила, сокращённо э.д.с. (обычно обозначается буквой Е), его способность выполнять работу, перемещая заряды по электрической цепи. Единица э.д.с. — вольт (В), такую э.д.с. имеет генератор, который, переместив по внешней цепи заряд 1 кулон, выполняет работу 1 джоуль. Если каждый кулон выполняет работу 2 джоуля, то, значит, генератор проталкивает этот кулон по цепи с вдвое большей силой и э.д.с. равна 2 вольта.

Т-36. Генератор и нагрузка — основные элементы электрической цепи. Система, где работают свободные электроны или ионы, получила название «электрическая цепь». Слово «цепь» в этом названии появилось, скорее всего, потому, что заряды, как правило, последовательно, поочередно проходят по нескольким участкам, как бы по звеньям цепочки.

Из возможных трёх разновидностей свободных зарядов (электроны, положительные и отрицательные ионы) мы пока поговорим только об электронах — это основные работники, именно они в основном и трудятся в электрических машинах, аппаратах, системах.

Какой бы сложной ни была электрическая цепь, в ней обязательно есть два основных участка, два главных цеха. В одном из них свободные заряды получают энергию — это генератор. На другом участке, в другом главном цехе, заряды отдают полученную энергию. Этот цех называют нагрузкой: он нагружает генератор, отбирает у него энергию, использует её для выполнения полезной работы. Типичная нагрузка — электрическая лампочка, именно в её металлической нити свободные электроны, которые генератор заставил двигаться, сталкиваются с местными атомами, ударяют по ним, и в результате этих ударов выделяется тепло и свет. Напоминаем: выделение тепла при ударе движущегося электрона в неподвижный атом — это сильное упрощение. Истинную сложную картину этого процесса знает квантовая механика.

ВК-42.Часто важно знать, не только какая работа выполнена, но и сколько на это ушло времени, — одно дело, если забор покрашен за час, и совсем другое дело, если за полгода. О том, насколько интенсивно выполняется работа, говорит мощность (обычно обозначается буквой Р). Единица мощности — ватт (Вт) соответствует работе в 1 джоуль, сделанной за 1 секунду. Если эта работа была выполнена за 0,1 секунды, то мощность равна 10 ватт, а если за 5 секунд, то работа велась более вяло — с мощностью 0,2 ватта.

Генератор и нагрузка входят не только в электрическую, но и в любую другую схему использования энергии, в любое устройство, предназначенное для выполнения каких-либо работ. Возьмём, к примеру, водяную мельницу. Могучие силы природы — Солнце и ветер — испаряют воду с поверхности земли, собирают её в прекрасные белые облака и в виде дождя и снега выплёскивают обратно на землю, в том числе на горные вершины. С гор вода течёт вниз, сливается в русла быстрых рек. Так работает генератор, с помощью гравитационных сил он создаёт потоки воды (она, заметьте, в реках двигается сверху вниз и никогда наоборот), снабжает их энергией. Падающая вода вращает колесо с лопастями, оно приводит в движение жернова мельницы, выполняющие нужную работу — перемалывание зерна. Это — нагрузка.

Т-37. Натёртые пластмассовая и стеклянная палочки в роли генератора, металлический проводник — в роли нагрузки. Две наэлектризованные палочки — стеклянная (+) и пластмассовая (-) — и вот уже готов простейший генератор, который мог бы двигать свободные электрические заряды, заставляя их работать. Стоит только соединить палочки проводником, как в нём сразу же начнётся электрический ток, о котором мы уже мимоходом вспоминали (Т-33). Старинное слово «ток» означает «непрерывное течение» и происходит от того же корня, что и поток. В формулах, на схемах, в технических текстах электрический ток обозначается буквой I, в некоторых случаях — буквой i. В нашем примере электрический ток — это упорядоченное движение свободных электронов в проводнике с пластмассовой палочки (-), где их слишком много, на стеклянную палочку (+), где электронов не хватает. Можно сказать об этом подробнее: «минус» пластмассовой палочки вталкивает свои лишние электроны в проводник. В том его участке, который примыкает к этой пластмассовой палочке, тоже появляется избыточный «минус»; он двигает свободные электроны всё дальше и дальше к «плюсу», к стеклянной палочке, где электроны занимают свободные места в тамошних атомах (Т-8). Проводник в этой системе играет роль нагрузки — проходя по нему, заряды (электрический ток