Книга Электроника для начинающих (2-е издание) - Чарльз Платт

Рис. 1.62. Электроны перемещаются от цинкового электрода к медному

Теперь, когда «популяция» электронов цинкового электрода уменьшилась, реакция между цинком и кислотой может продолжаться, замещая сбежавшие электроны новыми, которые быстро перенимают манеру своих предшественников и пытаются сбежать от остальных по проводу. Они обладают такой энергией, что мы можем направить электроны через светодиод, где они высвободят некоторое количество энергии, заставив его светиться.

Процесс продолжается, пока реакция между цинком и кислотой не прекратится, это происходит обычно из-за образования слоя вещества, например, оксида цинка, который не взаимодействует с кислотой и не позволяет ей вступать в реакцию с расположенным глубже цинком. (Вот почему цинковые электроды могут выглядеть потемневшими, когда вы вытащите их из кислотного электролита.)

Описанные процессы происходят в первичной батарее. Это значит, что она вырабатывает электричество, как только обеспечено соединение между ее полюсами. Сила тока, которую способна обеспечить первичная батарея, определяется скоростью протекающих химических реакций по высвобождению электронов. Когда необработанный металл электродов полностью используется в химической реакции, батарея больше не сможет производить электричество вследствие истощения. Ее не так просто перезарядить, потому что химические реакции трудно обратить, а электроды могли окислиться.

В перезаряжаемых аккумуляторах, также известных как вторичные батареи, более тщательный подбор электродов и электролита позволяет сделать химические реакции обратимыми.

История о плюсе и минусе

Как я уже упоминал, электричество – это поток электронов, которые имеют отрицательный заряд. В таком случае, почему же в экспериментах, которые вы уже провели, я говорил о том, что электричество перетекает от положительного полюса батареи к отрицательному?

Рассказ начинается с конфузов в истории исследования электричества. Когда Бенджамин Франклин пытался понять природу электрического тока, изучая такой феномен, как молния во время грозы, он считал, что наблюдает поток «электрических флюидов» от положительной стороны к отрицательной. Он выдвинул эту концепцию в 1747 году.

Фактически Франклин сделал досадную ошибку, которая оставалась неисправленной до тех пор, пока в 1897 году физик Джозеф Джон Томсон не сообщил о своем открытии электрона. На самом деле электричество – это поток отрицательно заряженных частиц из области с большим отрицательным зарядом в другую область, которая является «менее отрицательной» или «более положительной». В батарее электроны исходят от отрицательного полюса и текут к положительному.

Вы могли бы подумать, что когда этот факт был установлен, всем следовало бы забраковать идею Бена Франклина о потоке частиц от плюса к минусу. Но люди мыслили в этих терминах уже 150 лет. К тому же, когда электрон движется по проводу, вы можете представлять, что соответствующий положительный заряд движется в противоположном направлении. Когда электрон покидает свое место, он забирает небольшой отрицательный заряд с собой, поэтому его исходное место становится немного более положительным. Когда электрон прибывает на место назначения, его отрицательный заряд делает это место чуть менее положительным. Все это во многом подобно тому, как если бы воображаемая положительная частица путешествовала в обратном направлении. Более того, все математические закономерности, описывающие поведение электричества, остаются верными, если применить их к воображаемым положительным зарядам.

По традиции и для удобства ошибочная концепция Бена Франклина о потоке частиц от положи тельного полюса к отрицательному прижилась, поскольку, в конечном счете, это не имеет значения.

На обозначениях таких компонентов, как диоды и транзисторы, вы увидите стрелки, которые подсказывают, в каком направлении необходимо подключать выводы, – и все эти стрелки указывают от плюса к минусу, несмотря на то, что в действительности все устроено совсем не так.

Когда Бен Франклин изучал молнию, он воспринимал ее как электрический разряд, который двигается из положительной области (от облаков на небе) к отрицательному хранилищу (к планете Земля). Действительно, облака являются более положительными, но в реальности это просто означает то, что молния передает электроны от земли в небо. Да, именно так: тот, кого «ударила молния», может пострадать от испускания электронов, а не от их получения, как показано на рис. 1.63.

Рис. 1.63. При определенных погодных условиях поток электронов во время удара молнии может идти от земли, через ваши ноги к макушке головы и выше к облакам. Бенджамин Франклин был бы удивлен

Немного теории

Теперь я собираюсь вернуться назад, к некоторым определениям, которые обычно приводятся в начале книг по электронике.

Электрический потенциал определяется как сумма зарядов отдельных электронов. Основная единица измерения – кулон, который равен общему заряду 6 241 509 629 152 650 000 электронов.

Если вы знаете, сколько электронов проходит через отрезок провода за секунду, то сможете вычислить поток электричества, который можно выразить в амперах:

1 ампер = 1 кулон/секунда

(около 6,24 квинтиллионов электронов за секунду)

Даже если бы вы сумели заглянуть внутрь провода с электрическим током, то не смогли понаблюдать за электронами, поскольку их размеры меньше, чем длина волны видимого света, и кроме того, их слишком много и двигаются они очень быстро. Тем не менее, у нас есть косвенные способы их обнаружения. Например, движение электрона создает электромагнитную силу. Большее число электронов создает большую силу, и ее можно измерить. На ее основе мы можем вычислить силу тока. Ваш домашний электросчетчик работает по такому же принципу.

Сила, необходимая чтобы «протолкнуть» электроны через проводник, – это напряжение, оно создает электрический ток, который производит тепло, как вы заметили, когда замыкали батарею. (Если бы провод, который вы использовали, имел нулевое сопротивление, то электричество проходило бы по нему, не выделяя тепла.) Эту энергию можно напрямую превратить в тепло, как в электроплитах, или, например, запустить двигатель. В обоих случаях за счет энергии электронов выполняется какая-либо работа.

Один вольт можно определить как величину напряжения, которое вам необходимо для создания тока в 1 ампер, совершающего работу в 1 ватт. Как было указано ранее, 1 ватт = 1 вольт × 1 ампер, но это определение чаще записывают по-другому:

1 вольт = 1 ватт/1 ампер

Этот вариант более нагляден, поскольку ватт можно определить в неэлектрических терминах. Если вам интересно, можно раскрыть единицы метрической системы таким образом:

1 ватт = 1 джоуль/секунда

1 джоуль = 1 ньютон силы, совершающей работу на расстоянии в 1 метр

1 ньютон силы ускоряет 1 кг на 1 м/сек за каждую секунду

На этом основании все электрические единицы могут быть получены через наблюдения за массой, временем и зарядом электронов.

А теперь практика

Для практических целей, я думаю, интуитивное понимание электричества полезнее, чем теория. Мне