Странность, которую никто не замечает
Ты щёлкаешь выключателем в коридоре, и лампа загорается мгновенно. Провод от щитка до лампы — метров десять, от электростанции до дома — иногда сотни километров.
Значит ли это, что что-то прилетело со станции за долю секунды? Нет. На самом деле по проводу вообще ничего не прилетело.
Электроны, из-за которых горит лампа, уже были в проводе. Они лежали там с того дня, когда провод изготовили. Выключатель не запускает их в путь, он всего лишь разрешает им шевелиться.
Что вообще такое заряд
Вернёмся к атому. В его центре — ядро, а вокруг носятся электроны. У электронов есть свойство, которое называют отрицательным зарядом, а у частиц в ядре — положительным.
Заряды ведут себя просто: одинаковые отталкиваются, разные притягиваются. В обычном атоме их поровну, поэтому снаружи он никак себя не проявляет.
Но у металлов есть особенность. Часть электронов в металле держится настолько слабо, что они не принадлежат никакому конкретному атому, а бродят по всему куску, как люди по вокзалу. Их так и называют — свободные электроны. Именно поэтому металлы проводят ток, а резина, стекло и пластмасса — нет: там все электроны крепко сидят по местам.
Толчок бежит быстро, электроны ползут медленно
Теперь про мгновенность. Представь трубу, доверху набитую шариками. Толкни шарик с одного конца — шарик с другого конца выскочит почти сразу, хотя ни один шарик не пробежал всю трубу.
Провод устроен так же. Сам сигнал — толчок, волна воздействия — бежит по проводу со скоростью, близкой к скорости света. А отдельный электрон при этом еле плетётся: в обычном проводе он смещается примерно на метр в час. Медленнее черепахи, медленнее улитки.
Лампа горит не потому, что до неё что-то доехало, а потому, что вся очередь электронов по всему проводу одновременно тронулась с места.
Напряжение — это что-то вроде высоты
Про ток часто путают два слова: ток и напряжение. Разница важная.
Ток — это сколько электронов проходит за секунду. Измеряют в амперах. Похоже на то, сколько воды течёт по трубе.
Напряжение — это насколько сильно их подталкивает. Измеряют в вольтах. Похоже на перепад высоты: чем выше водопад, тем сильнее вода бьёт внизу.
В розетке 220 вольт, в пальчиковой батарейке 1,5 вольта. Это не значит, что батарейка слабая по количеству электронов: это значит, что подталкивает она в полтораста раз слабее.
Опасность бьющего тока зависит от обоих: напряжение должно быть достаточным, чтобы протолкнуть ток через твоё тело (а кожа сопротивляется неплохо, особенно сухая), и тогда через сердце потечёт ток, который его сбивает. Именно поэтому 1,5-вольтовая батарейка ничего тебе не сделает, а розетка может убить. И именно поэтому мокрыми руками к электричеству лезть нельзя: мокрая кожа сопротивляется в десятки раз хуже.
Откуда всё-таки берётся энергия
Раз электроны свои, то что приходит по проводам от электростанции? Энергия. Станция не поставляет частицы, она поставляет толчок.
И вот как он делается. Ещё в 1831 году Майкл Фарадей обнаружил: если двигать магнит рядом с проволочной катушкой, в проволоке возникает ток. Просто от движения. Это открытие и есть основа всей современной энергетики.
Дальше остаётся вопрос, кто будет крутить. Ответы разные, но суть одна:
- Тепловая станция. Сжигают газ или уголь, кипятят воду, пар крутит турбину, турбина крутит магнит.
- Атомная станция. То же самое, только воду греет не огонь, а распад атомных ядер.
- Гидроэлектростанция. Турбину крутит падающая вода реки.
- Ветряк. Турбину крутит ветер.
- Солнечная панель — единственное исключение: там магнит никто не крутит, свет выбивает электроны в полупроводнике напрямую.
Заметь, что почти всё в этом списке в конце концов упирается в Солнце. Ветер дует потому, что Солнце неравномерно греет воздух. Реки текут потому, что Солнце испаряет воду с океана. Уголь — это спрессованные растения, которые когда-то поймали солнечный свет. Только у атомной станции другой источник — энергия, оставшаяся от древних звёзд.
Электричество, которое можно потрогать безопасно
Не весь ток живёт в проводах. Самое первое электричество, которое узнали люди, было статическим: греки ещё две с половиной тысячи лет назад заметили, что потёртый янтарь притягивает соломинки. Греческое слово «электрон» как раз и значит «янтарь» — отсюда пошло всё название.
Когда ты трёшь одну вещь о другую, часть электронов перескакивает с одной поверхности на другую. На одной их становится больше, на другой меньше — и предметы начинают притягиваться. Зимой это особенно заметно: сухой воздух плохо уносит заряд, поэтому свитер трещит, а дверная ручка щёлкает.
Молния — это то же самое, только огромное. В грозовом облаке разделяются заряды, разница накапливается до десятков миллионов вольт, и в какой-то момент воздух не выдерживает и пробивается.
Главное в трёх строчках
- Электроны уже находятся в проводах; розетка не присылает их, а заставляет шевелиться, поэтому лампа загорается мгновенно, хотя электроны ползут медленнее улитки.
- Ток — это сколько частиц проходит за секунду, напряжение — насколько сильно их подталкивает; опасна именно комбинация того и другого.
- Почти вся электроэнергия получается вращением магнита у катушки, а крутит его в итоге почти всегда энергия Солнца.