Каждый день мы включаем свет, телевизор, компьютер, чайник и десятки других электроприборов. Некоторые из них могут работать часами, а иногда и сутками. Но если задуматься, возникает любопытный вопрос. Если по проводам постоянно течёт электрический ток, почему он не заканчивается?
Ведь бензин в автомобиле заканчивается. Газ в баллоне заканчивается. Вода в бутылке тоже рано или поздно заканчивается. Почему тогда электричество может идти по одному и тому же проводу годами?
Ответ оказывается совсем не таким очевидным.
Кажется, что электроны должны постепенно "утекать"
Большинство людей представляет электрический ток примерно так. Есть электростанция, которая выпускает огромное количество электронов. Они бегут по проводам к лампочке, делают свою работу и исчезают.
Но если бы всё происходило именно так, то через некоторое время в проводах просто закончились бы электроны. На самом деле ничего подобного не происходит. Электроны вообще почти никуда не путешествуют.
Представьте длинную трубу с водой
Допустим, есть очень длинная труба, полностью заполненная водой. Если с одного конца включить насос, вода сразу начнёт вытекать с другого конца.
Но ведь это не означает, что первая капля воды за секунду пролетела всю трубу. Просто вся вода внутри трубы одновременно немного сдвинулась.
С электричеством происходит почти то же самое. Медный провод уже заполнен свободными электронами. Их не нужно доставлять туда с электростанции. Они уже находятся внутри.
Тогда что приходит от электростанции?
Вот здесь начинается самое интересное. Электростанция почти не "посылает электроны". Она создаёт электрическое поле. Именно оно заставляет свободные электроны, которые уже находятся в проводах, одновременно начать двигаться. Получается очень необычная картина.
Когда вы включаете выключатель, электроны возле лампы начинают двигаться практически сразу. Не потому, что они прилетели с электростанции. А потому, что электрическое поле распространилось по всей цепи почти со скоростью света. Поэтому лампа загорается почти мгновенно.
Тогда почему провод не становится легче?
Это ещё один интересный вопрос. Если бы электроны действительно постоянно покидали провод, его масса постепенно уменьшалась бы. Но этого не происходит. Количество электронов внутри проводника остаётся практически постоянным. Одни электроны слегка смещаются вперёд, другие занимают их место. Можно представить очередь людей. Когда очередь начинает двигаться, каждый человек делает всего один-два шага.
Но движение проходит через всю очередь. Никто не исчезает и не появляется заново. С электронами происходит очень похожая история.
А что тогда расходуется?
Если электроны остаются внутри проводов, возникает новый вопрос. За что же тогда мы платим в счетах за электроэнергию? Ответ очень простой. Мы платим не за электроны. Мы платим за энергию.
Представьте водяную мельницу. Вода проходит через колесо и заставляет его вращаться. Но мельница расходует не саму воду. Она использует её энергию.
Точно так же работает и электрическая цепь. Электроны остаются в проводнике, но передают энергию от электростанции к лампочке, чайнику или электродвигателю. Именно эта энергия превращается в свет, тепло или вращение.
Тогда почему электростанции вообще нужны?
Если электроны уже находятся в проводах, может показаться, что электростанция вообще ничего не делает. На самом деле именно она является источником энергии.
Генераторы вращаются благодаря турбинам, которые приводятся в движение водой, паром, ветром или газом. Эта механическая энергия превращается в электрическую. Затем электрическое поле переносит её по линиям электропередачи к нашим домам.
Получается, что электростанция постоянно "подталкивает" всю огромную цепочку электронов, находящихся в проводах. Без этого движения энергия просто перестанет передаваться.
Почему электричество может работать бесконечно долго?
Теперь ответ становится очевидным. Электроны не расходуются. Они постоянно находятся внутри проводников и лишь немного перемещаются под действием электрического поля.
Пока электростанция вырабатывает энергию, а цепь остаётся замкнутой, этот процесс может продолжаться сколько угодно долго. Именно поэтому лампочка может светить всю ночь, двигатель — работать целую смену, а линии электропередачи — передавать энергию десятилетиями.
Расходуются не электроны. Расходуется энергия, которую необходимо постоянно производить.
Вывод
Когда кажется, что электрический ток бесконечно течёт по проводам, создаётся впечатление, будто электроны постоянно исчезают и заменяются новыми.
Но на самом деле всё устроено гораздо интереснее. Свободные электроны уже находятся внутри проводов. Электростанция не поставляет их заново, а лишь создаёт электрическое поле, которое заставляет их двигаться и переносить энергию.
Поэтому электрический ток не заканчивается так же, как не заканчиваются люди в очереди, когда она начинает двигаться. Меняется не количество электронов. Передаётся энергия.
Именно благодаря этому простому, но очень красивому принципу электричество уже более ста лет остаётся одним из самых удобных способов передачи энергии на большие расстояния.