Среди невежд часто возникает путаница в таких терминах, как электричество, ток, напряжение, мощность и т. д. Естественно, все эти понятия очень разные. В соответствии со словарем, электричество – это свойство материи легко наблюдаемое, которое проявляется притяжением или отталкиванием тел под действием присутствующих электрических зарядов. Название происходит из греческого языка и означает янтарь: еще древние греки заметили, что если потереть тканью или шерстью кусок янтаря, то он станет отрицательно заряженным и сможет притягивать нетяжелые предметы, например, пух или кусочки бумаги. Теперь поговорим об электрическом токе и отнесемся к нему как к отдельному элементу В реальности же ток, напряжение, сопротивление и мощность – это взаимозависимые и обратно пропорциональные величины, которые могут быть описаны математическими формулами, но на данный момент мы не будем это обсуждать.
Рис. 1.5. Обложка книги «Электротехника в рисунках и чертежах»
Электрический ток – это движение электрически заряженных частиц внутри проводника, такого как медь или железо. Когда-то считалось, что эти частицы заряжены положительно, но на самом деле это электроны, то есть частицы, имеющие отрицательный заряд. Металлы состоят из атомов, богатых электронами, которые могут свободно перемещаться; в связи с этим ток хорошо проходит в меди и железе, поэтому эти металлы называются «проводниками». Представим, что мы берем батарейку, лампочку и соединяем их электрическим проводом. Электрические заряды отправятся от положительного полюса батарейки, двигаясь по проводу и включая «по дороге» лампочку, а потом вернутся к исходному пункту в отрицательный полюс. Провод можно сравнить с трубой, а электроны с молекулами воды, которые проходят через трубу. Положительный полюс батарейки можно сопоставить с краном, а отрицательный полюс – со стоком, куда вода стекает в конце своего движения.
Ток имеет направление, или полярность, так как заряды всегда текут от положительного полюса к отрицательному. Первым человеком, кто ввел эту идею, был Бенджамин Франклин, который не обладал средствами или физическими знаниями, чтобы доказать, что в действительности ток обусловлен отрицательно заряженными электронами, а не гипотетически положительными частицами. Франклин просто описывал то, что он мог видеть своими глазами. Эта условность осталась и по сей день, хотя в действительности электроны движутся от отрицательного полюса к положительному. Положительный полюс обычно указывается знаком «+» или красным цветом, в то время как отрицательный полюс обозначается знаком «−» или черным цветом.
Рис. 1.6. Вода и электроны иногда ведут себя похожим образом
Как можно измерить ток? Измерить ток воды достаточно просто: нам нужны секундомер и счетчик воды, текущей из трубы. Скорость тока воды зависит от диаметра трубы и скорости воды и равна количеству литров, которые проходят через секцию трубы в секунду: могут пройти десять, сто или тысяча литров в секунду. Для измерения силы электрического тока поступают подобным образом, но вместо измерения количества воды, мы должны считать электрические заряды, или количество электронов, которые проходят в электрическом проводе в секунду (или лучше через данное сечение провода).
Рис. 1.7. Ток измеряется подсчетом количества зарядов, проходящих через сечение провода в секунду
Единицей измерения электрического тока, или силы тока, является ампер (А), в честь первооткрывателя электрического тока – великого французского физика Андре-Мари Ампера, жившего на рубеже XVIII–XIX веков. Символом ампера является «А». Как правило, в формулах сила тока обозначается буквой «I». Токи небольшой величины могут быть выражены в миллиамперах [мА]. Очень малые токи, например перехватываемый радио, он может быть выражен в микроамперах [мкА]. Один миллиампер равен 0,001 А, а один микроампер равен 0,000001 А.
Рис. 1.8. Андре-Мари Ампер (1775–1836)
Полноводные реки, такие как Волга, Тобол или Нил, можно сравнить с линиями электропередач – большими электрическими кабелями, которые проходят от электростанций до городов. Реки поменьше можно сравнить с кабелем, в котором проходит ток, необходимый для перемещения трамвая. Пожарный шланг может быть приравнен к кабелю для обеспечения работы больших станков, таких как пресс или промышленный токарный станок; домашний кран можно сравнить с кабелем, который тянется от розетки до чайника или тостера.