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

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.

Можно ли переходить с применения переменного тока на постоянный и наоборот? Можно, но это вызывает дополнительные проблемы. С ними сталкивается каждый, кто часто возит с собой ноутбук: в дополнение к нему приходится обязательно брать небольшую, но довольно увесистую коробочку – неотъемлемую часть кабеля питания ноутбука. Это адаптер, преобразующий переменный ток, получаемый от настенной электрической розетки, в постоянный, требуемый для питания ноутбука. Альтернативный источник питания устройства – внутренняя аккумуляторная батарея, которая представляет собой источник постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный требуются трансформаторы, это катушки проводов и довольно сложные электрические цепи, поэтому сделать адаптеры очень маленькими пока не удается [79].