Я ополоснула заварочный чайник и опустила в него пакетик с чаем. Чашка и молоко готовы. Остается подождать, пока нагреется вода в чайнике. Для этого требуется всего пара минут, но когда я испытываю жажду, мне не терпится. Скорее же! Я знаю, какое напряжение в электросети, но это далеко не все. Чем оно выше, тем больше энергии может отдать каждый электрон. Но это не говорит о том, сколько электронов проходит по электрической цепи. Чтобы отдать в воду как можно большее количество энергии, нужно, чтобы по цепи двигалось как можно больше электронов. Это называется силой электрического тока, которую мы измеряем в амперах. Чем сильнее ток, тем больше электронов проходит через определенную точку в проводе за одну секунду. Если напряжение источника питания умножить на силу тока, протекающего по цепи, вы получите суммарную величину энергии, выделяющейся за одну секунду. Напряжение, подаваемое на мой электрочайник, равняется 230 вольт, сила тока, протекающего в цепи электрочайника, составляет 13 ампер, так что, умножая, получим 230 × 13 = 3000 (приблизительно). Согласно паспортным данным моего электрочайника, его мощность равна 3000 ватт (3000 W), что соответствует 3000 джоулям энергии, выделяющейся за одну секунду. Этого достаточно, чтобы нагреть воду до кипения менее чем за две минуты. Правда, какая-то часть тепла при этом рассеивается в окружающей среде, так что на практике кипячение воды в таком чайнике занимает примерно две с половиной минуты.
У меня нет никакого желания это проверять, пока я готовлю чай, но говорят, что «напряжение бьет, а ток убивает». Разница напряжений между мной и моим автомобилем тогда, в морозный день в Род-Айленде, составляла, наверное, 20 000 вольт. Но через мой палец прошла лишь крошечная величина электрического заряда, поэтому он не причинил мне особого вреда. Сила тока была незначительна, и энергии было передано мало. Если бы я прикоснулась пальцами к оголенным проводам, которыми подсоединяется к электросети настенная розетка у меня дома, ситуация оказалась бы совершенно иной. Сильный электрический ток означает упорядоченное перемещение огромного количества электронов, каждый из которых является носителем одного и того же количества энергии. Суммарное количество энергии огромно ввиду колоссального числа ее носителей. Испытать на себе действие энергии такой величины гораздо опаснее, чем удар статического электричества в результате прикосновения к автомобилю, несмотря на то что величина напряжения, подаваемого на электрочайник, составляет лишь сотую долю напряжения, возникающего между моим пальцем и автомобилем. Главную опасность для человека представляет не величина напряжения, воздействующего на него, а сила тока.
Когда электроны проходят через металл нагревательного элемента электрочайника, они движутся под действием электрического поля. Оно придает им некоторое ускорение, но поскольку проводник состоит из множества атомов, эти ускорившиеся электроны неизбежно соударяются с препятствиями, возникающими на их пути, и в результате теряют энергию, нагревая то, с чем соударяются. Таким образом, заставляя огромное количество зарядов упорядочено перемещаться по нагревательному элементу, вы принуждаете их соударяться с препятствиями. В результате огромного числа таких соударений происходит сильный нагрев. Именно в этом и заключается принцип работы электрочайника: ускорение электронов при прохождении через его нагревательный элемент приводит к их многочисленным соударениям с препятствиями, вследствие чего электроны отдают свою энергию в виде тепла. Сами по себе электроны в цепи дрейфуют довольно медленно, со скоростью примерно 1 миллиметр в секунду[77]. Но этого вполне достаточно.
В кипящей воде масса дополнительной энергии. Самое поразительное, что вода получает ее от соударения невообразимо крошечных электронов с препятствиями, возникающими на их пути. Удивительно, но факт: мой чай вскипятился в результате нагрева, вызванного воздействием электрических полей на электроны в проводнике! Это, наверное, простейший из возможных вариантов использования электрической энергии: ее непосредственное преобразование в тепло. Но как только люди научились создавать всевозможные электрические цепи и источники электропитания, варианты применения электричества начали усложняться, причем с нарастающей скоростью.
