Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)
easy

Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)

Объясняем на гуманитарном

Недавно мы предлагали читателям-гуманитариям задать вопросы обо всём техническом. В десятке самых популярных вопросов — как ток бежит по проводам и другие вопросы, связанные с электричеством. Постараемся ответить максимально просто. 

Что такое электрический ток

«Ток» — от слова «течь», то есть что-то течёт. Можно представить, что это течёт вода. 

«Электрический ток» — это когда текут некие частицы, которые передают электрический заряд. 

«Электрический заряд» можно представить как кусочек энергии, который может заставить какие-то специальные механизмы что-то делать: крутиться, нагреваться, охлаждаться, сжиматься, светиться и т. д. Например, если у вас есть электрический моторчик, то он начинает вращаться, когда в него затекает электрический заряд.

Частицы, которые передают электрический заряд в токе, называются электронами. Можно представить, что это молекулы воды, хотя в реальности это сложнее. 

Учёные называют электрон элементарной частицей — то есть самое простое, что бывает и что нельзя разобрать на части. 

Считается, что электрон способен передавать минимально возможный в природе отрицательный заряд. 

Нюанс с электронами в том, что его очень сложно поймать. Это не какая-то точка в пространстве, которую можно взять в маленький пинцет и пощупать. Это больше похоже на облако, внутри которого с какой-то вероятностью в каждой точке может быть электрон.

Есть теория, что электрон — это не просто частица, а проявление возмущения электромагнитного поля. Можно представить так: сквозь нас проходит невидимое поле, мы как бы в него погружены. Колебания этого поля создают в пространстве то, что мы воспринимаем как частичку-электрон. Это как если бы мы сидели на озере и видели волны, но не знали бы, что они берутся из озера. 

Другая математическая концепция говорит, что электрон — это невидимая нам струна, которая вибрирует определённым образом. Это не доказано, но теория есть.

Как ток бежит по проводам

Для начала метафора: 

  • Представьте, что у вас есть труба.
  • С одной стороны к трубе подключён большой бак с водой. Вода давит сама на себя. 
  • С другой стороны у трубы кран. Пока он закрыт, вода никуда не льётся, потому что ей некуда.
  • Вы открываете кран, вода начинает литься: из места, где она на себя давит, в место, где на неё ничто не давит. 

Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)

Как это переносится на электричество: 

  • У вас есть материал, в котором электроны могут перемещаться с некоторой свободой. Такие материалы называются проводниками — это всякие металлы, например медь. 
  • В одном месте проводника создаётся избыток электронов, которые друг на друга давят, им там тесно и напряжно.  
  • В другом месте проводника создаётся недостаток электронов.
  • Электроны начинают течь из места напряга в место расслабления (условно говоря).

Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)

На самом деле электроны в проводнике перемещаются очень мало и сами по себе не передают энергию из точки А в точку Б.

Правильнее сказать так: электроны двигаются в целом хаотично, а общим направлением их движения управляет электромагнитное поле. Именно поле определяет, сколько куда энергии передать, и именно поле отвечает за передачу этой энергии.

Но со стороны это выглядит неотличимо от того, как если бы сами электроны текли по проводам, как вода. Поэтому в учебниках обычно ограничиваются этим объяснением.

Подробнее об этом у Веритассиума

Как ток превращается в работу моторов, грелок и прочих полезных приборов

Люди изобрели устройства, которые превращают электрический ток в полезную работу. Например: 

Электромотор работает так: там есть центральная вращающаяся ось и её окружение. По окружению бежит ток, который создаёт электромагнитное поле (считайте, что там появляется магнит). На центральной оси тоже есть что-то вроде магнита, который начинает вращать эту ось под действием внешнего магнита. Получается вращение. 

Нагреватели работают так: электроны стукаются об атомы в нагревающем элементе и передают им энергию. Атомы начинают шевелиться, потому что по ним лупят электроны. Шевеление атомов — это и есть тепловая энергия. 

Светодиоды работают так: там используются кусочки кремния, в которые подмешаны разные дополнительные материалы. Комбинации этих подмесов позволяют электронам передавать энергию от одного кусочка кремния к другому, попутно превращая эту энергию в фотоны, то есть в свет. В зависимости от того, что подмешано в кремний, можно получать светодиоды разных цветов. 

Про компьютеры и как там работает электричество — расскажем отдельно. 

Что такое постоянный и переменный ток? 

Люди придумали, что электроны можно гонять по проводнику двумя способами: просто в одном направлении и туда-сюда. 

Постоянный ток — это когда ток идёт в одном направлении от места, где у тебя избыток электронов (минус) в место, где у тебя недостаток электронов (плюс). Постоянный ток используется внутри всего, что питается от батарей; во всей электронике; в компьютерах и смартфонах.

Переменный ток — это когда ток течёт то в одном направлении, то в другом. Направление тока меняется 50–60 раз в секунду. Это изобретение позволило передавать ток на дальние расстояния и сделало его более удобным в эксплуатации. В розетке у вас переменный ток. 

В вашей бытовой электронике стоит преобразователь переменного тока в постоянный. Он берёт переменный ток из розетки и переводит в нужный для прибора постоянный ток. 

Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)
Ноутбуки, смартфоны, планшеты и огромная часть электроники — всё это использует постоянный ток, преобразованный из переменного

Что такое короткое замыкание? 

Обычно ток гоняют по проводам не просто так, а чтобы передать энергию какому-то полезному устройству — например светодиоду. На этом устройстве теряется часть энергии и движение тока затруднено.

Если просто дать току бежать по проводам без нагрузки, он будет бежать очень бодро, попутно сталкиваясь с атомами своего проводника. Атомы от такого мощного потока начнут греться. А если тока много, то проводник нагреется очень быстро и может загореться. Это и есть короткое замыкание. 

Короткое замыкание случается тогда, когда соединяются напрямую плюс и минус или два провода с переменным током. Это может произойти, если собака перегрызёт вам кабель питания и в нём соединятся два провода. Тогда за несколько секунд провода перегреются и могут загореться. 

Чтобы предотвратить пожар из-за короткого замыкания, во всех квартирах сейчас устанавливают специальные устройства: они автоматически отключают ток, когда видят, что ток стал слишком большим.

Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)
Нормальное состояние электроцепи: часть энергии уходит на полезную работу
Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)
Когда энергия не уходит на полезную работу, она уходит на нагревание проводника

Что нужно знать гуманитарию про ток? 

Не ремонтируйте самостоятельно розетки и не вешайте люстры на голые провода. Вызовите электрика. 

Не трогайте оголённые провода. Никакие и никогда. 

Не разбирайте устройства, если на них наклеена наклейка «Опасность электрического шока». Там наверняка стоит какой-нибудь лютый конденсатор, который может ударить током будь здоров. Вообще, лучше не разбирать устройства, если вы точно не знаете, как их отремонтировать. 

Если у вас маленькие дети, сначала поставьте заглушки на розетки, а потом научите детей технике безопасности с розеткой. 

Корректор:

Ира Михеева

Художник:

Даня Берковский

Иллюстрации:

Влада Кораблёва

Вёрстка:

Кирилл Климентьев

Соцсети:

Виталий Вебер

Читаете «Код»? Зарабатывайте на коде
Сфера ИТ и разработки постоянно растёт и требует новых кадров. Компании готовы щедро платить даже начинающим разработчикам, а опытных вообще отрывают с руками. Обучиться на разработчика можно в «Яндекс Практикуме».
Начать бесплатно
Читаете «Код»? Зарабатывайте на коде Читаете «Код»? Зарабатывайте на коде Читаете «Код»? Зарабатывайте на коде Читаете «Код»? Зарабатывайте на коде
Получите ИТ-профессию
В «Яндекс Практикуме» можно стать разработчиком, тестировщиком, аналитиком и менеджером цифровых продуктов. Первая часть обучения всегда бесплатная, чтобы попробовать и найти то, что вам по душе. Дальше — программы трудоустройства.
Начать карьеру в ИТ
Получите ИТ-профессию Получите ИТ-профессию Получите ИТ-профессию Получите ИТ-профессию
Еще по теме
easy