Щелчок выключателя - и лампа загорается практически мгновенно, хотя каждый отдельный электрон в проводе проползает за секунду лишь доли миллиметра. Эту «мгновенность» обеспечивает электрическое поле, которое устанавливается вдоль цепи со скоростью, близкой к 300 000 км/с.
И тут возникает вопрос, ставящий в тупик многих начинающих: если поле и без того сразу «добегает» до лампы, зачем цепи вообще нужны электроны? Не может ли работать одно только поле? Давайте разберемся, проследив шаг за шагом, что именно происходит в цепи после замыкания контактов.
Поле создает силу, но не переносит заряд
При замыкании выключателя в цепи действительно почти мгновенно устанавливается электрическое поле - здесь нет никакого преувеличения. Но само по себе поле не переносит заряд и не совершает работу. Оно лишь создает силу, действующую на заряженные частицы, своего рода команду, адресованную всем свободным зарядам цепи одновременно.
В металлических проводах такими частицами служат свободные электроны. В меди их огромное количество: примерно по одному свободному электрону на каждый атом, а концентрация достигает 8,5·1028 штук на кубический метр.
Получив «команду» поля, электроны начинают упорядоченно дрейфовать вдоль провода - и именно это движение мы и называем электрическим током. Выходит, что поле без электронов подобно давлению в пустой трубе: величина вполне реальная и измеримая, только работать с ней нечему.
Что такое ток на самом деле
Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц, а сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за одну секунду. Носители заряда в разных средах различны, и именно их наличие или отсутствие определяет, пойдет ли по цепи ток.
| Среда | Носители заряда | Где встречается |
|---|---|---|
| Металлы | Свободные электроны | Провода, спираль лампы накаливания |
| Электролиты | Положительные и отрицательные ионы | Аккумулятор, электролизер |
| Полупроводники | Электроны и дырки | Диоды, транзисторы, микросхемы |
| Ионизированные газы, плазма | Электроны и ионы | Газоразрядные лампы, молния |
Если же в материале свободных носителей нет, как в хорошем диэлектрике, то даже сильное поле не вызовет сколько-нибудь заметного тока. Поле есть - тока нет.
Как энергия превращается в свет и тепло
Проследим цепочку событий от выключателя до света. Источник, будь то батарея или городская сеть, создает в цепи электрическое поле. Поле действует на электроны в проводах и в спирали лампы и разгоняет их.
Двигаясь сквозь металл, электроны постоянно сталкиваются с ионами кристаллической решетки и отдают им часть кинетической энергии. Решетка раскаляется, и при температуре свыше 2500 градусов вольфрамовая спираль начинает ярко светиться.
Здесь есть тонкость, о которой стоит помнить. Энергию от источника к лампе переносит действительно поле, причем идет она в основном не внутри провода, а в пространстве вокруг него.
Но расходуется эта энергия только там, где есть движущиеся заряды. Уберите электроны - и передавать энергию будет просто некому: спираль останется холодной, сколько бы вольт ни показывал вольтметр на зажимах источника.
Проводник, из которого убрали электроны
Мысленно проделаем эксперимент: «удалим» из медного провода все свободные электроны, оставив один кристаллический каркас из положительных ионов.
Замыкаем выключатель - поле в цепи возникает, как и прежде, практически мгновенно. Но действовать ему не на кого: свободных зарядов в проводнике нет. Ток не возникает, провод не греется, лампа не светится.
Примерно так устроены диэлектрики, то есть изоляторы: в резине, стекле, большинстве пластмасс электроны прочно связаны со своими атомами и не способны перемещаться по материалу (подробнее об этом мы рассказывали в статье про полярные и неполярные диэлектрики). Поле в толще диэлектрика проникает свободно, а тока в нем нет - потому из этих материалов и делают изоляцию проводов.
Почему же свет загорается мгновенно
На этом месте путаются многие, и числа действительно выглядят парадоксально. Поле устанавливается со скоростью, близкой к 300 000 км/с, а средняя скорость направленного движения электронов в меди - жалкие доли миллиметра в секунду. При типичной плотности тока в 1 А/мм2 это примерно 0,07 мм/с: за целый час электрон смещается вдоль провода всего на четверть метра.
Разгадка проста. Свет включается быстро не потому, что электроны «прибегают» от выключателя к лампе, а потому что поле почти одновременно сообщает всем электронам цепи команду начать движение. Электроны приходят в движение сразу по всей длине провода, и ток возникает повсюду в одно мгновение.
Картина похожа на строй: если команду «шагом марш» все слышат одновременно, колонна трогается вся сразу, хотя шагает каждый со своей обычной скоростью. О скорости движения электронов в проводниках мы уже писали в статье Скорость электрического тока.
Аналогия с водопроводом
Нагляднее всего соотношение поля и электронов видно на примере водопровода. Давление воды здесь аналог электрического поля, сама вода в трубах - электроны, а поток - электрический ток. Открывая кран, вы создаете перепад давления, который распространяется по трубам очень быстро, со скоростью звука в воде.
Но если трубы пусты, никакого потока не будет: ни кран не потечет, ни турбина не закрутится, сколько бы атмосфер ни показывал манометр на насосной станции. Так и в электрической цепи: поле - это лишь «давление», а «водой», которая вращает турбины и раскаляет спирали, служат электроны.
Не только лампочки
Без движущихся электронов остановилась бы не одна осветительная техника. В электродвигателе ток в обмотках создает магнитное поле, и его взаимодействие с полем ротора вращает вал: нет тока - нет вращения.
В гальванических элементах и аккумуляторах перенос электронов между электродами неразрывно связан с химическими реакциями, и без него батарея превращается в бесполезную банку с электролитом.
Электролиз и гальваника, то есть осаждение металлов, получение газов, зарядка аккумуляторов, целиком держатся на движении ионов и электронов. А вся современная электроника, от простейшего диода до процессора смартфона, построена на управлении потоками электронов и дырок в кристаллах полупроводников.
Простой опыт вместо формул
Убедиться в сказанном можно за пару минут. Возьмите батарейку, маленькую лампочку и два предмета: кусок медного провода и пластиковую линейку. Соберите цепь через провод - лампа загорится. Теперь включите в цепь вместо провода линейку - и свет погаснет, хотя напряжение на полюсах батареи и поле вокруг цепи останутся прежними. Разница только в одном: в меди свободные электроны есть, а в пластике их практически нет.
Тот же союз поля и зарядов работает и в устройствах потоньше. В стабилитроне, например, сильное поле в тонком переходе вырывает электроны из связей и разгоняет их, порождая лавину носителей, - и именно это управляемое движение зарядов позволяет прибору удерживать на себе стабильное напряжение.
Где бы инженеру ни пришлось иметь дело с электричеством, от карманного фонаря до генератора электростанции, картина повторяется одна и та же: поле отдает команду - заряды выполняют работу.
Как диэлектрик замедляет поле в кабеле
Выше мы говорили, что поле устанавливается вдоль цепи со скоростью, близкой к 300 000 км/с. Но это справедливо лишь для проводов в воздухе. В реальном кабеле жилы окружены изоляцией, а электромагнитная волна распространяется главным образом в диэлектрике между проводниками - и здесь ее скорость заметно ниже.
Скорость волны в среде определяется диэлектрической и магнитной проницаемостью материала. Для немагнитных диэлектриков магнитная проницаемость близка к единице, и формула упрощается:
где er - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции.
Откуда берется замедление? Под действием поля молекулы диэлектрика поляризуются: связанные заряды в них смещаются и сами создают встречное поле. На эту перестройку уходит время, и суммарная волна движется медленнее. Чем выше проницаемость материала, тем сильнее «торможение».
| Диэлектрик | er | Коэффициент укорочения | Скорость поля |
|---|---|---|---|
| Воздух (воздушная линия) | 1,0 | 1,00 | около 300 000 км/с |
| Фторопласт (PTFE) | 2,1 | 0,70 | около 210 000 км/с |
| Полиэтилен | 2,3 | 0,66 | около 200 000 км/с |
| ПВХ | 3,0 | 0,58 | около 175 000 км/с |
| Вспененный полиэтилен | 1,5 | 0,80 | около 240 000 км/с |
Отношение скорости волны в кабеле к скорости света называется коэффициентом укорочения. Для популярных коаксиальных кабелей с полиэтиленовым диэлектриком, например RG-58 и RG-213, он равен 0,66. Получается, что в таком кабеле сигнал идет со скоростью около 200 000 км/с - две трети скорости света.
Числа эти вовсе не абстрактны. За одну наносекунду импульс в полиэтиленовом кабеле успевает пройти всего около 20 сантиметров.
На этом построена рефлектометрия - метод поиска повреждений кабельных линий: прибор посылает в линию короткий импульс, измеряет время, за которое вернется отражение от места обрыва или замыкания, и, зная коэффициент укорочения, вычисляет расстояние до дефекта. Именно поэтому коэффициент укорочения указывают в паспорте кабеля: без него рефлектометр соврет с расстоянием, и бригада будет копать не там.
Обратите внимание на любопытный вывод. В кабеле с ПВХ-изоляцией свет все так же включается «мгновенно», но само поле теперь устанавливается со скоростью около 175 000 км/с вместо 300 000. А электроны при этом ничего не заметили: их дрейфовая скорость определяется током и материалом проводника и от изоляции не зависит вовсе. Поле «притормозило» в диэлектрике, а рабочие-электроны продолжают ползти со своими долями миллиметра в секунду, словно ничего не произошло.
Смотрите также по этой теме: Азбука проводимости: от электронного газа до ионного драйва
Андрей Повный