Основная составляющая работы всех устройств на микроконтроллере – электрический ток. И, чтобы начать его использовать в своих целях – нам надо понять, откуда он берётся, и как он делает для нас то, что нам нужно.
Всё, что нас окружает, состоит из маленьких элементов – молекул. Молекул существует множество разновидностей, и каким будет вещество – лёгким или тяжелым, жидким или твёрдым, зависит от того, из каких молекул оно состоит.
Каждая молекула обладает определённой энергией, которая позволяет ей двигаться в пространстве, а также межмолекулярной силой, которая притягивает её к другим молекулам. Если энергии много она преодолевает и притяжение других молекул, и силу тяжести – тогда мы получаем газ. Если энергии поменьше, то молекула преодолевает частично только притяжение других молекул – так получается жидкость. И если энергии совсем мало, а межмолекулярные связи образуются сильные – то мы получаем твердое вещество. Но между тем, это зависит ещё и от температуры – с нагревом мы даём молекулам больше энергии. Например, нагревая воду, мы добиваемся того, чтобы молекулы получили столько энергии, что легко преодолевают притяжение других молекул и убегают в воздух в виде пара.
Но чтобы понять электричество, нам нужно углубиться в строение вещества ещё глубже. И на следующем уровне находятся атомы. Каждая молекула состоит из определённого набора атомов. И если видов молекул огромное множество, то набор атомов в природе довольно ограничен, они все перечислены в таблице Менделеева. Свойства молекулы зависят от атомов, из которых она состоит. Для примера рассмотрим три молекулы: это молекула кислорода, молекула воды, и молекула ДНК человека. Молекула кислорода, которым мы дышим, состоит из двух атомов кислорода. А вот вода является соединением двух атомов кислорода и одного атома водорода. Человеческая ДНК, в которой закодирована вся генетическая информация, состоит из множества самых разных атомов: кислорода, углерода, водорода, фосфора, натрия и т.д.
И всё разнообразие веществ в мире складывается из различных комбинаций атомов.
Атом переводится с древнегреческого как «неделимый». Но увы, греки ошибались: он вполне себе делится на составные части. И именно в этих частичках, из которых состоит атом, как раз и кроется ответ на вопрос «что такое электрический ток?».
Атом состоит всего из трёх частичек: нейтрона, протона и электрона. Объединившись, эти частицы создают атом, тип которого зависит только от количества частиц в нём.
Протоны и нейтроны находятся в самой середине, и составляют ядро атома. Электроны же вращаются вокруг этого ядра, каждый на строго определённом расстоянии.
Ну а теперь самое главное: считается, что у этих частиц есть заряд. У электрона он отрицательный (минус), у протона – положительный (плюс), а у нейтрона – нейтральный.
Заряды эти взаимодействуют: если мы возьмём два одинаковых заряда, то они будут отталкивать друг друга, а одинаковые притягиваться. Протоны в ядре не разлетаются друг от друга только потому, что их удерживают рядом друг с другом более мощные ядерные силы (именно на использовании этих сил и построены ядерные электростанции).
Сила притягивания положительного заряда по мере удаления от протона ослабевает, а распределение этой силы в пространстве вокруг ядра называется электромагнитным полем. Несколько протонов, объединяя силу положительного заряда, создают положительно заряженное поле атома, и именно это поле притягивает к атому электроны.
Причем заряды протона и электрона друг друга уравновешивают, и в атоме их количество одинаково: сколько протонов в ядре, столько электронов и будет вращаться вокруг. При этом каждый электрон ещё и находится на определенном отдалении от ядра.
Чтобы понять лучше эту систему, представь себе океан, в котором плавают рыбы. Есть рыбы глубоководные, а есть плавающие на самой поверхности. С электронами так же: некоторые плавают на самой глубине, и не дают другим электронам нырнуть глубже к ядру, некоторые плавают в середине, а есть и такие которым достаётся только поверхность электромагнитного поля.
Но на поверхности, силы удерживающие электрон, у некоторых атомов довольно слабые, и он может перепрыгнуть на соседний атом. При этом атом потерявший электрон теряет с ним часть отрицательного заряда, и становится положительно заряженным. Его называют положительный ион.
А атом, к которому прибежал электрон получает усиление отрицательного заряда, и становится отрицательным ионом.
Электрон, который отправляется в путешествие от одного атома к другому, называют свободный электрон.
В некоторых веществах электроны держатся на поверхности поля плохо, и постоянно путешествуют от одного атома к другому:
Если вещество плохо держит на поверхности атома электроны, и они легко соскакивают и перемещаются на соседний атом, то его называют проводник. Если вещество держит электроны на поверхности крепко – то оно называется диэлектриком.
Перемещения электронов обладают одним главным свойством: электрон всегда стремится в сторону положительного заряда. То есть туда, где электронов меньше протонов.
Здесь действуют сразу две силы: положительный заряд атомов, у которых отсутствуют электроны, притягивает их к себе. А отрицательный заряд других электронов, в свою очередь, выталкивает передние электроны. Именно поэтому все электроны будут стремиться вправо, до того момента, пока равномерно не распределятся по веществу.
И когда все электроны бегут в одном направлении – тогда и получается постоянный электрический ток.
Итак, чтобы получить постоянный электрический ток, нам нужно сделать так, чтобы в одной точке пространства был переизбыток электронов, а в другой точке пространства был их недостаток.
В качестве примера можно привести обычную батарейку: на одном её полюсе с помощью химической реакции поддерживается переизбыток электронов, на другом полюсе их недостаток. Если мы проложим электронам путь, от одного полюса к другому, с помощью проводника, то электроны побегут по нему. Нам останется только расположить на их пути разные элементы, чтобы ток выполнял полезную для нас работу!