Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Нажатие кнопки включения выполняет очень простую функцию: сдвигает маленькую металлическую пластину, в результате чего в электрическую цепь добавляется последний фрагмент, превращающий ее в замкнутый контур, по которому электрический ток может проходить от одного штырька вилки до другого. Правда, в данном случае источник электрического поля не батарея, а гнезда настенной электрической розетки.

У стандартной трехконтактной вилки сверху есть один длинный штырек. Он называется штырьком заземления и полностью отделен от остальной электрической цепи. По сути, он выполняет ту же задачу, что и мой автомобиль холодным снежным утром, – создает путь для отвода избыточных электронов, которые могут накапливаться в нежелательном для нас месте (скажем, на поверхности корпуса чайника). Этот путь не имеет никакого отношения к пути, по которому проходит электрический ток, нагревающий мой электрочайник.

Другие два штырька меньшего размера – это составные элементы электрической цепи, которая служит для нагрева электрочайника. Один из них ведет себя как фиксированный положительный заряд, а другой – как фиксированный отрицательный заряд. Нажимая кнопку включения, я добавляю недостающее звено в электрическую цепь, в результате чего она становится замкнутой. Под действием электрического поля в ней начинается упорядоченное движение электронов. Они отталкиваются от штырька – носителя отрицательного заряда и, проходя через цепь электрочайника, притягиваются к положительно заряженному штырьку. Итак, пока я ищу заварочный чайник и пакетики с чаем, электроны продолжают циркулировать по замкнутой цепи моего электрочайника.

В нижней части электрочайника указано, что он может питаться от сети напряжением 230 вольт (230 V). Напряжение означает силу электрического поля, которое обусловливает упорядоченное движение электронов в замкнутой электрической цепи. Чем сильнее это электрическое поле, тем большую энергию должен потратить каждый электрон при прохождении электрической цепи. Таким образом, величина напряжения говорит нам о количестве энергии, используемой при прохождении электрической цепи. Выше мы приводили аналогию с перемещением людей в кабине лифта. Если ее продолжить, то напряжение – это высота, с которой электрон скатывается по горке электрической цепи к другому штырьку вилки. Чем выше напряжение, тем больше энергии понадобится каждому электрону при прохождении электрической цепи.

Я ополоснула заварочный чайник и опустила в него пакетик с чаем. Чашка и молоко готовы. Остается подождать, пока нагреется вода в чайнике. Для этого требуется всего пара минут, но когда я испытываю жажду, мне не терпится. Скорее же! Я знаю, какое напряжение в электросети, но это далеко не все. Чем оно выше, тем больше энергии может отдать каждый электрон. Но это не говорит о том, сколько электронов проходит по электрической цепи. Чтобы отдать в воду как можно большее количество энергии, нужно, чтобы по цепи двигалось как можно больше электронов. Это называется силой электрического тока, которую мы измеряем в амперах. Чем сильнее ток, тем больше электронов проходит через определенную точку в проводе за одну секунду. Если напряжение источника питания умножить на силу тока, протекающего по цепи, вы получите суммарную величину энергии, выделяющейся за одну секунду. Напряжение, подаваемое на мой электрочайник, равняется 230 вольт, сила тока, протекающего в цепи электрочайника, составляет 13 ампер, так что, умножая, получим 230 × 13 = 3000 (приблизительно). Согласно паспортным данным моего электрочайника, его мощность равна 3000 ватт (3000 W), что соответствует 3000 джоулям энергии, выделяющейся за одну секунду. Этого достаточно, чтобы нагреть воду до кипения менее чем за две минуты. Правда, какая-то часть тепла при этом рассеивается в окружающей среде, так что на практике кипячение воды в таком чайнике занимает примерно две с половиной минуты.

У меня нет никакого желания это проверять, пока я готовлю чай, но говорят, что «напряжение бьет, а ток убивает». Разница напряжений между мной и моим автомобилем тогда, в морозный день в Род-Айленде, составляла, наверное, 20 000 вольт. Но через мой палец прошла лишь крошечная величина электрического заряда, поэтому он не причинил мне особого вреда. Сила тока была незначительна, и энергии было передано мало. Если бы я прикоснулась пальцами к оголенным проводам, которыми подсоединяется к электросети настенная розетка у меня дома, ситуация оказалась бы совершенно иной. Сильный электрический ток означает упорядоченное перемещение огромного количества электронов, каждый из которых является носителем одного и того же количества энергии. Суммарное количество энергии огромно ввиду колоссального числа ее носителей. Испытать на себе действие энергии такой величины гораздо опаснее, чем удар статического электричества в результате прикосновения к автомобилю, несмотря на то что величина напряжения, подаваемого на электрочайник, составляет лишь сотую долю напряжения, возникающего между моим пальцем и автомобилем. Главную опасность для человека представляет не величина напряжения, воздействующего на него, а сила тока.

Когда электроны проходят через металл нагревательного элемента электрочайника, они движутся под действием электрического поля. Оно придает им некоторое ускорение, но поскольку проводник состоит из множества атомов, эти ускорившиеся электроны неизбежно соударяются с препятствиями, возникающими на их пути, и в результате теряют энергию, нагревая то, с чем соударяются. Таким образом, заставляя огромное количество зарядов упорядочено перемещаться по нагревательному элементу, вы принуждаете их соударяться с препятствиями. В результате огромного числа таких соударений происходит сильный нагрев. Именно в этом и заключается принцип работы электрочайника: ускорение электронов при прохождении через его нагревательный элемент приводит к их многочисленным соударениям с препятствиями, вследствие чего электроны отдают свою энергию в виде тепла. Сами по себе электроны в цепи дрейфуют довольно медленно, со скоростью примерно 1 миллиметр в секунду[77]. Но этого вполне достаточно.

В кипящей воде масса дополнительной энергии. Самое поразительное, что вода получает ее от соударения невообразимо крошечных электронов с препятствиями, возникающими на их пути. Удивительно, но факт: мой чай вскипятился в результате нагрева, вызванного воздействием электрических полей на электроны в проводнике! Это, наверное, простейший из возможных вариантов использования электрической энергии: ее непосредственное преобразование в тепло. Но как только люди научились создавать всевозможные электрические цепи и источники электропитания, варианты применения электричества начали усложняться, причем с нарастающей скоростью.

Существует фундаментальная разница между движением электронов, вызванным электрической батареей, и происходящим при подключении какого-либо из устройств к настенной электрической розетке. В любом устройстве, работающем от батареи, электроны всегда движутся в одном направлении. Такое их упорядоченное одностороннее движение называется постоянным током (direct current – DC). Стандартная электрическая батарейка типоразмера AA обеспечивает постоянный ток напряжением 1,5 вольта. Но ток, получаемый из настенной электрической розетки, принципиально отличается от постоянного тока – он переменный (alternating current – AC). Переменный ток меняет свое направление со скоростью примерно сто раз в секунду[78]. Переменный ток во многих отношениях более удобен в использовании, чем постоянный ток.