Как работает электричество?

Электрический ток, который вы можете обнаружить в розетке - упорядоченное движение заряженных частиц. А теперь разберёмся поподробнее.

Все окружающие нас тела состоят из атомов, а атомы - из тяжёлого положительно заряженного ядра и небольших отрицательно заряженных электронов, которых обычно несколько (у водорода - один). В проводниках, таких как металлы, электроны слабо связаны с ядрами и беспорядочно двигаются по всему объёму. При внесении проводника в электрическое поле на электроны начинает действовать сила, имеющая определённое направление и заставляющая их двигаться. Так, если металлический провод поместить в достаточно сильное электрическое поле, все его электроны переместятся к одному концу, и он станет заряжен отрицательно, а другой конец, не содержащий электронов, будет заряжен положительно.

Любой заряд, помещённый в электрическое поле, обладает потенциальной энергией (как и любое тело, помещённое в поле силы тяжести). Для описания энергетических характеристик поля вводится понятие электростатического потенциала (обозначают греческой буквой φ, т.е. фи), равного отношению энергии тела к его заряду. Так, если поместить заряд +2 Кл в точку с потенциалом 10 В, то его энергия будет равна 20 Дж. Можно провести аналогию между потенциалом и высотой - как мяч, положенный на высокую полку, имеет высокую энергию, так и тело в точке с высоким потенциалом обладает высокой энергией (не обязательно: надо учитывать знак заряда).

Теперь дополним мысленный эксперимент и приставим к полке наклонную плоскость. Мяч, естественно, скатится вниз - то есть, его энергия уменьшится. При этом изменение энергии прямо пропорционально разности высот - с которой шар скатился и той, на которой оказался, т. е. h1 - h2.

Так и заряд, получивший возможность свободно двигаться, направится в направлении уменьшения энергии, то есть в направлении уменьшения (или увеличения - всё зависит от знака заряда) потенциала, при этом он пройдёт через разность потенциалов φ1 - φ2. Эту разность потенциалов называют напряжением.

Осталось повнимательнее присмотреться к наклонной плоскости, позволяющей беспрепятственно двигаться вниз и к полке, мешающей дальше падать. Для электричества горка, по которой заряд скатывается в область меньших потенциалов, - проводник, а полка - диэлектрик, в котором электроны удерживаются ядрами атомов сильнее, чем их пытается утянуть электрическое поле.

Откуда берётся разность потенциалов? Её, как правило, создают не электрические процессы, а что-нибудь другое: химические реакции (как в аккумуляторах и батарейках), поток магнитного поля (как в генераторе), разность температур (как в термоэлементах) или что-нибудь другое.

Так что же происходит, когда вы, например, подключаете небольшую лампочку к батарейке? Химические процессы создают между полюсами батарейки разность потенциалов - напряжение. В момент замыкания цепи, то есть подсоединения проводов от лампочки к батарее, для электронов появляется путь к другому полюсу, и они начинают двигаться. По пути они могут совершить какую-нибудь работу, в нашем случае - заставить лампочку светиться.

Напоследок стоит сказать, что не обязательно электрический ток - это движение электронов. Некоторые вещества состоят из ионов - заряженных атомов. Так, солёная вода содержит ионы, образующиеся при растворении соли. Если опустить в стакан с раствором электроды, то цепь будет замкнута. Проводить ток может и воздух, не содержащий заряженных частиц: при достаточном для пробоя напряжении от молекул газов начинают отрываться электроны, появляющиеся заряженные частицы начинают двигаться. Это явление называют газовым разрядом.

Если в цепи, соединенной проводником есть разность потенциалов (она же напряжение), то в ней начинает происходить упорядоченное движение электронов, которые при движении выполняют физическую работу.