Физика без формул - Александр Леонович

Эффективность этого элемента, к сожалению, довольно мала. Однако возможность перевести тепловую энергию в электрическую подсказала и другие, как бы встречные идеи.

Сейчас покажется очевидным, что электричество доставляет нам в дома практически всю необходимую энергию. А ну-ка, пройдемся по своей квартире. Кроме батарей центрального отопления, пожалуй, все остальные нагревательные приборы «питаются» электричеством. У многих на кухнях стоят электроплиты. Подогреть воду зачастую предпочитают в электрическом чайнике и электросамоваре. Бывает, что в холодные дни, когда отключают на ремонт водяное отопление, вы призываете на помощь электрокамины.

Не удивляйтесь, если вы, даже включив свет, не обнаружите в доме еще несколько источников тепла, потребляющих электричество. Но вы сразу догадаетесь, о чем речь, когда поспешите выкрутить из патрона перегоревшую лампочку. Обожглись? Так что же, разве лампочка — не источник тепла? Увы, ваше предположение о том, что она — источник света, верно лишь отчасти. На излучение света лампой тратится лишь несколько процентов электроэнергии. Все остальное — тепловые потери.

Таким образом, возможность перехода электрической энергии в тепловую оказалась для нас очень важной. Иногда, как в нагревателях, хотелось бы тепла получить побольше, а вот в примере с лампочкой — поменьше.

Что же требуется для того, чтобы тек электрический ток? Какие условия обязательно должны выполняться? Первым делом, разумеется, должны быть в наличии носители заряда — заряженные частички, к примеру, электроны. Второе условие: необходима сила, которая будет их «тащить» вдоль проводника.

Но почему мы говорим только об отрицательно заряженных электронах? Ведь если включить ток в электрической цепи, то выяснится, что полный заряд всех ее элементов может быть равным нулю. Тогда закон сохранения заряда подскажет нам, что кроме электронов в нашей цепочке скрывается ровно столько же зарядов положительных. И правда, прошло не так уж много времени после открытия электрона, как были обнаружены его товарищи-напарники. Их назвали протонами, они в пару тысяч раз помассивнее электрона, а вот заряд имеют точно такой же, но положительный. Комбинации этих двух видов заряженных частиц обеспечивают протекание тока во всех известных случаях, хотя ясно, что легоньким электронам это удается лучше.

А вот другой закон сохранения — энергии — позволил «разложить по полочкам» все ее переходы внутри электрической цепи, какой бы сложной она ни была. Судите сами. Что подает энергию в цепь? Батарейка, аккумулятор, генератор тока на электростанции. Все они совершают работу, преобразуя в электрическую иные виды энергии, скажем, химическую или механическую. А дальше все происходит, как в любой известной нам машине. Часть электрической энергии идет на нужный нам нагрев, положим, воды в электросамоваре или воздуха в комнате, либо — на механическую работу, как в электрокофемолке или пылесосе. И, конечно, неминуемы потери, которые, как всегда, учтет коэффициент полезного действия нашего устройства.

Закон сохранения энергии в применении к электрическим цепям был установлен двумя физиками: английским — Джеймсом Джоулем и российским — Эмилием Христиановичем Ленцем немногим более 170 лет назад.

Отчего же все-таки при протекании электрического тока проводники нагреваются? И даже могут излучать свет? Многие десятилетия нагревательные и осветительные приборы создавали подбором, наблюдая и описывая лишь внешние эффекты. Вот, например, этот металл или угольный стерженек раскаляется ярче, чем какой-то другой. А не попробовать ли еще какой-нибудь — вдруг будет лучше? Понятно, что такой метод — метод проб и ошибок — был не очень продуктивным. С другой стороны, отдадим дань упорству и настойчивости десятков изобретателей, которые шли этим нелегким путем.

Хорошая иллюстрация здесь — история создания электрической лампочки накаливания. Русский электротехник Александр Николаевич Лодыгин затратил множество усилий, перебирая различные материалы для нагреваемого стерженька. Постепенно он дошел до идеи накалять угольный стерженек в закупоренной стеклянной колбе. Первые лампы горели около получаса. Откачав воздух из колбы, Лодыгин довел время накала до нескольких часов. Даже такими несовершенными лампами ему удалось осветить в 1873 году одну из улиц Петербурга.

Узнав о лодыгинской лампе, ею заинтересовался американский изобретатель Томас Эдисон. Проделав 6000 опытов, исписав 200 записных книжек, он выяснил, что нужно для продолжительной работы такой лампочки. Откачка до низкого давления, патрон и выключатель — этим мы пользуемся до сих пор. А вот лучше всего у Эдисона светились обугленные бамбуковые волокна. Затем вновь Лодыгин усовершенствовал лампу, заменив волокна на вольфрамовую нить. Этот металл «прижился» в лампе и работает в ней и сейчас.

Как вы думаете, выгодно ли сегодня так, буквально вслепую, подбирать нужные нам качества у создаваемых приборов? Стремление получить надежные ответы на запросы практики, да и, конечно, неутомимое любопытство заставляло исследователей вновь заглянуть в «устройство» вещества. Может быть, там кроются разгадки замысловатых тайн электрического тока?

Еще раз поставим вопрос: почему электрический ток нагревает проводники? А теперь попробуем ответить на него, опираясь на достижения ученых в изучении микроструктуры вещества. Открытая 120 лет назад самая маленькая заряженная частичка — электрон — словно взяла на себя ответственность за протекание тока в металлах. Если металл-проводник не включен в электрическую цепь, то юркие электроны снуют внутри него, как молекулы газа в комнате. Но стоит подключить проводник к источнику тока, как тут же появляется сила, которая чем-то напоминает дуновение ветра.

Вспомните, быть может, вам приходилось видеть рой мошкары, снующей в воздухе у пруда, у реки или в летнем лесу. Дунул ветер, и все облако словно поехало, хотя беспорядочное движение в нем продолжается. Так и «электрический ветер» понесет вдоль проводника стаи электронов, и тем сильнее, чем большее напряжение способен создать источник тока.

Постойте, скажете вы, ведь электроны несутся не в пустотелой трубочке, это же сплошной металл! Но тут молекулярная теория напомнит вам, что как бы плотно ни были упакованы атомы вещества, между ними — довольно порядочные щелки. В каком-то смысле движение электронов по металлу напоминает просачивание воды, льющейся из-под крана сквозь пористую поролоновую губку.