Объясняем на гуманитарном
Недавно мы предлагали читателям-гуманитариям задать вопросы обо всём техническом. В десятке самых популярных вопросов — как ток бежит по проводам и другие вопросы, связанные с электричеством. Постараемся ответить максимально просто.
Что такое электрический ток
«Ток» — от слова «течь», то есть что-то течёт. Можно представить, что это течёт вода.
«Электрический ток» — это когда текут некие частицы, которые передают электрический заряд.
«Электрический заряд» можно представить как кусочек энергии, который может заставить какие-то специальные механизмы что-то делать: крутиться, нагреваться, охлаждаться, сжиматься, светиться и т. д. Например, если у вас есть электрический моторчик, то он начинает вращаться, когда в него затекает электрический заряд.
Частицы, которые передают электрический заряд в токе, называются электронами. Можно представить, что это молекулы воды, хотя в реальности это сложнее.
Чуть сложнее: что же такое электрон?
Учёные называют электрон элементарной частицей — то есть самое простое, что бывает и что нельзя разобрать на части.
Считается, что электрон способен передавать минимально возможный в природе отрицательный заряд.
Нюанс с электронами в том, что его очень сложно поймать. Это не какая-то точка в пространстве, которую можно взять в маленький пинцет и пощупать. Это больше похоже на облако, внутри которого с какой-то вероятностью в каждой точке может быть электрон.
Есть теория, что электрон — это не просто частица, а проявление возмущения электромагнитного поля. Можно представить так: сквозь нас проходит невидимое поле, мы как бы в него погружены. Колебания этого поля создают в пространстве то, что мы воспринимаем как частичку-электрон. Это как если бы мы сидели на озере и видели волны, но не знали бы, что они берутся из озера.
Другая математическая концепция говорит, что электрон — это невидимая нам струна, которая вибрирует определённым образом. Это не доказано, но теория есть.
Как ток бежит по проводам
Для начала метафора:
- Представьте, что у вас есть труба.
- С одной стороны к трубе подключён большой бак с водой. Вода давит сама на себя.
- С другой стороны у трубы кран. Пока он закрыт, вода никуда не льётся, потому что ей некуда.
- Вы открываете кран, вода начинает литься: из места, где она на себя давит, в место, где на неё ничто не давит.
Как это переносится на электричество:
- У вас есть материал, в котором электроны могут перемещаться с некоторой свободой. Такие материалы называются проводниками — это всякие металлы, например медь.
- В одном месте проводника создаётся избыток электронов, которые друг на друга давят, им там тесно и напряжно.
- В другом месте проводника создаётся недостаток электронов.
- Электроны начинают течь из места напряга в место расслабления (условно говоря).
Чуть сложнее: как на самом деле бежит ток
На самом деле электроны в проводнике перемещаются очень мало и сами по себе не передают энергию из точки А в точку Б.
Правильнее сказать так: электроны двигаются в целом хаотично, а общим направлением их движения управляет электромагнитное поле. Именно поле определяет, сколько куда энергии передать, и именно поле отвечает за передачу этой энергии.
Но со стороны это выглядит неотличимо от того, как если бы сами электроны текли по проводам, как вода. Поэтому в учебниках обычно ограничиваются этим объяснением.
Подробнее об этом у Веритассиума
Как ток превращается в работу моторов, грелок и прочих полезных приборов
Люди изобрели устройства, которые превращают электрический ток в полезную работу. Например:
Электромотор работает так: там есть центральная вращающаяся ось и её окружение. По окружению бежит ток, который создаёт электромагнитное поле (считайте, что там появляется магнит). На центральной оси тоже есть что-то вроде магнита, который начинает вращать эту ось под действием внешнего магнита. Получается вращение.
Нагреватели работают так: электроны стукаются об атомы в нагревающем элементе и передают им энергию. Атомы начинают шевелиться, потому что по ним лупят электроны. Шевеление атомов — это и есть тепловая энергия.
Светодиоды работают так: там используются кусочки кремния, в которые подмешаны разные дополнительные материалы. Комбинации этих подмесов позволяют электронам передавать энергию от одного кусочка кремния к другому, попутно превращая эту энергию в фотоны, то есть в свет. В зависимости от того, что подмешано в кремний, можно получать светодиоды разных цветов.
Про компьютеры и как там работает электричество — расскажем отдельно.
Что такое постоянный и переменный ток?
Люди придумали, что электроны можно гонять по проводнику двумя способами: просто в одном направлении и туда-сюда.
Постоянный ток — это когда ток идёт в одном направлении от места, где у тебя избыток электронов (минус) в место, где у тебя недостаток электронов (плюс). Постоянный ток используется внутри всего, что питается от батарей; во всей электронике; в компьютерах и смартфонах.
Переменный ток — это когда ток течёт то в одном направлении, то в другом. Направление тока меняется 50–60 раз в секунду. Это изобретение позволило передавать ток на дальние расстояния и сделало его более удобным в эксплуатации. В розетке у вас переменный ток.
В вашей бытовой электронике стоит преобразователь переменного тока в постоянный. Он берёт переменный ток из розетки и переводит в нужный для прибора постоянный ток.
Что такое короткое замыкание?
Обычно ток гоняют по проводам не просто так, а чтобы передать энергию какому-то полезному устройству — например светодиоду. На этом устройстве теряется часть энергии и движение тока затруднено.
Если просто дать току бежать по проводам без нагрузки, он будет бежать очень бодро, попутно сталкиваясь с атомами своего проводника. Атомы от такого мощного потока начнут греться. А если тока много, то проводник нагреется очень быстро и может загореться. Это и есть короткое замыкание.
Короткое замыкание случается тогда, когда соединяются напрямую плюс и минус или два провода с переменным током. Это может произойти, если собака перегрызёт вам кабель питания и в нём соединятся два провода. Тогда за несколько секунд провода перегреются и могут загореться.
Чтобы предотвратить пожар из-за короткого замыкания, во всех квартирах сейчас устанавливают специальные устройства: они автоматически отключают ток, когда видят, что ток стал слишком большим.
Что нужно знать гуманитарию про ток?
Не ремонтируйте самостоятельно розетки и не вешайте люстры на голые провода. Вызовите электрика.
Не трогайте оголённые провода. Никакие и никогда.
Не разбирайте устройства, если на них наклеена наклейка «Опасность электрического шока». Там наверняка стоит какой-нибудь лютый конденсатор, который может ударить током будь здоров. Вообще, лучше не разбирать устройства, если вы точно не знаете, как их отремонтировать.
Если у вас маленькие дети, сначала поставьте заглушки на розетки, а потом научите детей технике безопасности с розеткой.