Завод, где работают электроны.

 

(В главное меню)

 

Т-21. В некоторых веществах электроны и ионы могут находиться в свободном состоянии.

    Есть хорошая французская поговорка «Для того чтобы сделать рагу из зайца, нужно, как минимум, иметь зайца» По аналогии можно сказать для того чтобы заставить ионы и электроны работать, в электрических машинах, нужно, как минимум, иметь ионы и электроны Причем иметь их в свободном состоянии, чтобы можно было эти микроскопические детали перемещать, двигать и тем самым заставить их выполнять какую-то работу.

    Повседневный опыт приучил нас, что твердые тела и жидкости имеют плотную, непрерывную структуру А вместе с тем структура у них, если можно так сказать, ажурная Любое вещество-вода, бумага, мрамор, сталь - больше напоминает редкую волейбольную сетку, чем плотный клубок ниток Мы, конечно, не можем увидеть эту ажурность, сетчатость, но точными физическими исследованиями установлено, что в атоме сгустки вещества - атомные ядра и электроны - находятся друг от друга на расстояниях, во много раз превышающих размеры этих частиц Так, скажем, если предположить, что атомное ядро имеет размеры футбольного мяча, то для соблюдения истинных пропорций нужно представить себе, как вокруг этого мяча на расстояниях в сотни и тысячи метров (I) вращаются электроны размером с горошину А все остальное-пустота Ну а расстояния между соседними атомами в этом масштабе совсем уже огромны - это десятки и сотни километров!

    Ажурные атомные конструкции, огромные пространства между атомами - вот первая особенность строения вещества, которую важно знать конструкторам электрических заводов, где будут работать электроны.

    А вот вторая В любом веществе всегда найдется некоторое количество атомов, потерявших электроны со своих внешних орбит В твердом теле атомы как бы закреплены в определенных точках пространства, связаны друг с другом в прочный каркас В жидкостях атомы связаны слабее, могут смещаться, именно поэтому жидкость «мягкая», она легко изгибается, течет Во всех случаях атомы совершают какие-то небольшие движения, колеблются, пошатываются, причем тем сильней, чем выше температура вещества Только при абсолютном нуле, при температуре.

    О градусов по шкале Кельвина (ОК минус 273,16 градуса по шкале Цельсия, получить такую температуру пока никому не удалось, хотя подошли к ней очень близко - остались миллионные доли градуса), собственные хаотические движения атомов затихают В процессе этих хаотических, как их называют, тепловых колебаний атомы, грубо говоря, сбрасывают некоторые внешние электроны, те, что сильно удалены от ядра и слабее других привязаны к нему электрическими силами Вырвавшиеся из атомов электроны беспорядочно слоняются (Т - 8) в межатомном пространстве, они свободны, и эти свободные электроны вполне можно было бы использовать в качестве движущихся деталей электрических машин (Р-5. 3).

    Запомним, в твердом веществе могут быть свободные электроны А теперь перейдем к жидкостям и газам.

    Атом, потерявший один или несколько электронов, - это положительный ион В твердых телах такие положительные ионы неподвижны, в жидкостях и особенно в газах они могут двигаться Кроме того, в жидкостях и газах могут появиться подвижные отрицательные ионы - атомы, в которые попал лишний электрон Таким образом, в жидкостях и газах может быть сразу три типа работающих деталей - свободные положительные ионы, свободные отрицательные ионы и, как всегда, еще свободные электроны (Р-5, 4).

    Итак, в веществе существуют свободные электрические заряды И есть свободное пространство, где они могут двигаться Теперь попробуем выяснить, какую пользу можно получить от такого движения зарядов, какую работу эти заряды могут выполнять.

Т-22. Движущиеся свободные электроны (ионы) могут создавать тепло и свет, участвовать в транспортировке вещества.

Если бить молотом по куску железа, то оба они сильно нагреются энергия движущегося молота в процессе удара превращается в тепло По той же причине быстрый поток песчинок, выбрасываемый пескоструйным аппаратом, попав на гранитную плиту, не только очищает ее, но еще и нагревает.

Если в каком-либо веществе создать поток электронов или свободных ионов, то, сталкиваясь с атомами вещества и друг с другом, эти движущиеся частицы будут нагревать вещество - удар всегда удар Тепловое действие, нагревание-первая профессия движущихся зарядов (Р-6. 1,2).

Вторая их профессия - излучение света Если хорошо разогнать свободные заряды, то они будут ударять по атомам вещества с такой силой, что те начнут светиться, как, скажем, светится сильно нагретый кусок железа.

И еще одна профессия движущихся зарядов Создать поток ионов- это означает создать поток вещества, ионы - это ведь тоже атомы, а тот факт, что у них недостает электронов или есть лишние электроны, позволяет двигать их электрическими силами, перебрасывать из одного района в другой Так, например, перебрасывая из растворов на поверхность какого-либо предмета ионы меди, никеля, хрома, серебра, золота, наносят на этот предмет тонкие металлические покрытия (Р-6, 3) Или наоборот - если создать поток ионов из какого-либо вещества в раствор, можно очистить это вещество от тех или иных примесей.

Мы пока еще, к сожалению, не готовы к рассказу о главной профессии свободных электронов и ионов - они еще умеют выполнять механическую работу, вращать диск электрофона, двигать диффузор громкоговорителя, тянуть электропоезда Но даже известная уже нам продукция движущихся зарядов - тепло, свет, транспорт вещества - стоит того, чтобы подробнее познакомиться с машинами и установками, где эти движущиеся заряды работают.

Т-23. Проводники, полупроводники, изоляторы - вещества с различным содержанием свободных электрических зарядов.

    Количество свободных зарядов в каком-либо веществе зависит от многих факторов Например, от чистоты вещества - бывает, что небольшие количества примеси способствуют или, наоборот, препятствуют появлению свободных электронов или ионов У некоторых веществ число свободных электронов можно увеличить, если облучать эти вещества светом - свет просто выбивает электроны из атомов У других веществ такой же эффект наблюдается под действием рентгеновского излучения Количество свободных зарядов зависит также от температуры - чем она выше, тем интенсивнее собственные колебания атомов и молекул, тем больше слетает с них электронов И конечно же, число свободных зарядов в веществе зависит оттого, какое это вещество, насколько крепко в его атомах внешние электроны привязаны к ядру, насколько легко им вырваться на свободу И оттого, насколько велики атомы, насколько густо они расположены и долго ли сможет свободный электрон бродить в межатомном пространстве, не подвергаясь опасности наткнуться на свободное место в атоме и вновь очутиться на орбите (Т-8).

    Специалисты по электричеству привыкли делить все вещества на три основные группы - проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы) К проводникам относятся вещества, в которых свободных зарядов очень много Полупроводники - это те вещества, в которых свободных зарядов немного, но все же они есть В диэлектриках свободных зарядов очень мало, почти нет (Р-7).

    В диэлектриках все электроны крепко связаны с ядром и редко какой-то из них может вырваться на свободу Нужно пересмотреть миллиарды миллиардов атомов диэлектрика, чтобы отыскать среди них один положительный ион, один атом, упустивший какой-нибудь свой электрон.

    Теперь о проводниках К проводникам относятся все металлы У них внешние электроны связаны с ядром очень слабо и почти каждый атом превратился в положительный ион, выпустил в межатомное пространство один или даже несколько электронов В металлах так много свободных электронов, что по отношению к ним применяют выражение «электронный газ» или «электронная пыль».

    Проводниками могут быть жидкости и газы «Могут быть» в данном случае н^жно понимать так количество свободных зарядов в жидкости (или в газе) зависит оттого, какие вещества в ней растворены, какие химические процессы происходят Например, дистиллированная вода - это изолятор, свободных зарядов в ней очень мало Но стоит бросить в воду щепотку соли, как она становится проводником - соль растворяется, образует в воде большое количество свободных положительных и отрицательных ионов О полупроводниках пока умолчим Это вещество со сложным характером Придет время, и мы поговорим о них особо.

    Не требуется, по-видимому, пояснять, что полноводная река работает лучше, чем тонкая струйка воды из водопроводного крана Вот так большое число движущихся свободных зарядов при прочих равных условиях может выполнить большую работу, чем малое их количество И если мы хотим увидеть от движущихся зарядов настоящую работу, нужно привлечь к делу как можно больше этих зарядов А значит, организовывать движение свободных зарядов не в диэлектрике, где их очень мало, а в проводнике, где зарядов-работников огромное количество.

 

Т-24. Генератор и нагрузка - основные элементы электрической цепи.

    Завод, где работают свободные электроны или ионы, получил название «электрическая цепь» Слово «цепь» в этом названии появилось потому, что заряды, как правило, последовательно, поочередно проходят по нескольким цехам, нескольким участкам, как бы по звеньям цепочки

    Какой бы сложной ни была электрическая цепь, в ней обязательно есть два основных участка, два главных цеха В одном из них свободные заряды получают энергию Это генератор На другом участке, в другом главном цехе заряды отдают полученную энергию Этот Цех называют нагрузкой - он нагружает генератор, отбирает у него энергию, использует ее для выполнения полезной работы Так, например, в нагрузке свободные заряды - электроны и ионы,- которые генератор заставил двигаться, сталкиваются с «местными» атомами, ударяют по ним, и в результате этих ударов в нагрузке выделяется тепло или свет (Р-8)

    Генератор и нагрузка - эти элементы входят в любую схему использования энергии, в любое устройство, предназначенное для выполнения каких-либо работ Возьмем, к примеру, водяную мельницу Могучие силы природы - солнце и ветер - испаряют воду с поверхности земли, собирают ее в прекрасные белые облака и выплескивают обратно на землю, в том числе на горные вершины С гор вода течет вниз, сливается в русла быстрых рек Так работает генератор, он создает потоки воды, снабжает их энергией А мельничное колесо - нагрузка -  эту энергию отбирает Падающая вода вращает колесо, оно приводит в движение жернова, и они выполняют нужную работу - перемалывают зерно

    Две наэлектризованные палочки - стеклянная (+) и пластмассовая (-)-вотяке готов простейший генератор, который мог бы двигать свободные электрические заряды, заставляя их работать (вы^ке, очевидно, обратили внимание - зарядами мы для краткости называем свободные электроны и ионы, наши микроскопические наэлектризованные детали) Стоит только соединить эти палочки проводником, как в нем сразу же появится электрический поток (принято говорить ток, очевидно, тоже для краткости) - начнется упорядоченное движение свободных зарядов с одной палочки на другую Проводник в этой системе играет роль нагрузки проходя по нему, заряды работают, выделяют, вырабатывают какое-то количество тепла А это значит, что наша цель достигнута, завод, где работают движущиеся заряды, построен Давайте для определенности предположим, что к наэлектризованным палочкам (генератор) подключен именно металлический проводник (нагрузка), и попробуем более подробно рассмотреть, как работает наш завод и какими показателями нужно оценивать его работу.

Т-25. Наряду с веществом существует и такая форма материи, как поле.

    Этот небольшой раздел, пожалуй, самый сложный во всем нашем повествовании, и в значительной степени из-за него это повествование пришлось начинать издалека С того, что человек нелегко и непросто постигал устройство мира Что мир устроен намного сложней, чем кажется с первого взгляда И что нужно уметь считаться с реальностью, какой бы непривычной она ни казалась, уметь подчиняться неотвратимым аргументам опыта Уметь ограждать себя от неверия и внутренних протестов спокойной формулой -  «Так устроен этот мир » Как конкретно, через каких посредников взаимодействуют электрические заряды? Как наэлектризованная палочка тянет клочки бумаги? Ведь они находятся на значительном расстоянии, непосредственно не соприкасаются Не может же палочка действовать на бумажки через Ничто, обязательно должно существовать Нечто, через которое один заряд тянет к себе другой

    Проще всего было бы предположить, что заряды как-то взаимодействуют через вещество, которое находится между ними, в нашем примере через воздух Например, тянут или толкают друг друга через молекулы, атомы, электроны или еще какие-нибудь частицы, подобно тому, как паровоз передаст свою тягу последнему вагону через все промежуточные вагоны Но достаточно перенести эксперимент в безвоздушное пространство, и эта гипотеза безнадежно отпадает - в вакууме, в пустоте, где никакого промежуточного вещества нет, палочка притягивает клочки бумаги с такой же силой, как и в воздухе А это значит ..

    А это значит, что, кроме реальности «вещество», к которому мы привыкали миллионы лет и прекрасно знаем все его свойства и повадки - массу, объем, геометрические формы, гравитационное притяжение, движение по инерции, плотность, температуру ,- так вот, кроме вещества, кроме этой привычной реальности, есть еще совершенно иная, бестелесная, размазанная по пространству реальность, которой не заготовлено место в нашем сознании Этой реальности, этой особой форме материи дано название «поле»

    Поля бывают разные, разных, если можно так сказать, сортов Вокруг электрического заряда существует электрическое поле, вокруг магнитов, с которыми мы начнем подробно знакомиться очень скоро, существуют магнитные поля, каждую массу-протон, яблоко, планету-окружает гравитационное поле И именно через поля происходят все взаимодействия на расстоянии - взаимное притяжение масс, взаимодействие магнитов, притяжение или отталкивание электрических зарядов (Р-9. Р-10)

Т-26. В замкнутой электрической цепи можно создать непрерывный ток, упорядоченное движение свободных зарядов.

    Как только мы подключим к наэлектризованным палочкам (генератор) металлический проводник (нагрузку), в этом проводнике сразу же начнется упорядоченное движение свободных электронов Слово «упорядоченное» в данном случае должно подчеркнуть, что речь идет не просто о движении электронов, а о том движении, которое возникает под действием внешних электрических сил под действием электрических полей наэлектризованных палочек Свободные электроны никогда не стоят на месте, они, как всегда, непрерывно совершают свои хаотические рывки в разные стороны, рывки тем более энергичные, чем выше температура проводника Но под действием электрических сил электроны, кроме этих хаотических движений, непрерывно смещаются в одном определенном направлении, и именно это смещение, именно это упорядоченное движение в одну сторону как раз и называется электрическим током

    Нетрудно сообразить, куда будут двигаться свободные электроны в нашем проводнике - пластмассовая палочка своим отрицательным зарядом (-) будет отталкивать электроны (-), и они будут уходить от нее, стеклянная палочка своим положительным зарядом (+) будет тянуть к себе электроны (-), и они будут двигаться к ней Таким образом поток электронов в проводнике будет направлен оттого места, где их слишком много (-), к месту, где их не хватает (+) Короче - поток электронов будет двигаться от пластмассовой палочки к стеклянной, от «минуса» к «плюсу»

    Но вот проходит некоторое время, и ток в проводнике прекращается Избыточные, лишние электроны, которые как раз и создавали отрицательный заряд пластмассовой палочки, уйдут из нее в проводник, а из него свободные электроны в свою очередь уйдут в стеклянную палочку и займут пустовавшие там места - положительный заряд стекла появлялся именно из-за нехватки электронов В итоге все атомы пластмассы, отдав лишние электроны, станут нейтральными, все положительные ионы стекла, получив недостающие электроны, станут нейтральными, и ток в проводнике прекратится Произойдет это все практически мгновенно, и ток в нагрузке ничего наработать не успеет Можно придумать несколько типов электрических генераторов, которые, в отличие от наших палочек, могли бы длительное время поддерживать ток в нагрузке В самом простом из них можно производить непрерывную электризацию двух дисков - стеклянного и пластмассового, прижав к ним для этого куски шерсти и шелка (Р-8. 3)

    Теперь, как только с пластмассового диска в проводниках начнут уходить избыточные электроны и отрицательный заряд диска начнет уменьшаться, прижатый кусок шерсти добавит в пластмассу еще какое-то количество электронов - в этом-то и состоит процесс электризации пластмассы, при натирании в нее попадают лишние электроны, выдираемые из атомов шерсти Точно также, когда из проводника начнут поступать электроны в стеклянный диск, прижатый к нему кусок шерсти будет эти электроны убирать - электризация стекла состоит именно в том, что при натирании из его атомов вырываются электроны и переходят на натирающий предмет, то есть на кусок шерсти (шелка) Казалось бы, что благодаря всему этому избыток и недостаток электронов на дисках генератора будет все время поддерживаться и в проводнике, подключенном к такому генератору, будет существовать непрерывный, непрекращающийся ток

    Но это только «казалось бы » Между электрическими зарядами в наэлектризованных дисках, в шелке, в шерсти и свободными электронами, бегающими по проводнику, существуют довольно сложные отношения Они приводят к странным на первый взгляд результатам, которые, однако, всегда объяснимы и справедливы В электрической цепи неукоснительно действуют железные законы хозрасчета, и всякое событие происходит или не происходит в зависимости от соотношения многих разных сил, выступающих «за» или «против» Мы подключили к нашему дисковому генератору металлический проводник-нагрузку, завращали диск, и по проводнику пошел ток Однако, проникнув мысленным взором в проводник, мы увидим, что интенсивность упорядоченного движения электронов в нем постепенно снижается и через какое-то время тока уже вообще нет Почему1? А потому, что через некоторое время на куске шелка, собирающем электроны со стеклянного диска, скопилось так много этих электронов, что ни одной новой частицы шелк принять уже не может Это легко понять - по мере накопления электронов на шелке, его отрицательный заряд (-) увеличивается и каждому новому электрону все труднее преодолеть отталкивающее действие этого заряда, выйти из стекла в шелковую тряпку Точно также, по мере выдирания электронов из куска шерсти, примыкающего к пластмассе, у этого куска будет все больший положительный заряд (+) и он со все возрастающей силой будет удерживать электроны (-), пытающиеся уйти в пластмассу

    Устранить эти неприятности и создать в проводнике-нагрузке непрерывный ток очень просто, соедините шерсть и шелк-тот кусок, что электризует стекло, и тот, что электризует пластмассу - еще одним проводником По этому проводнику «сверхнормативные» электроны будут переходить с куска шелка (-) на шерсть (+), а вместе с этим исчезнет препятствие для непрерывной электризации дисков и непрерывного движения зарядов по цепи Теперь уже по замкнутой (Р-8)

    Электрическая цепь с генератором, который мы до сих пор применяли, имеет ряд особенностей, и детально разобраться в том, что происходит в такой цепи, не очень просто Трудности главным образом связаны с тем, что в генераторе использованы электроды из диэлектриков - стекла и пластмассы (Электродами принято называть самые разные детали самых разных электрических машин и электронных приборов, в частности детали, к которым приходят или с которых уходят электрические заряды ) Нам, пожалуй, нет смысла тратить время для знакомства с данным типом генератора, а лучше перейти к генераторам, которые часто встречаются на практике

Т-27. В аккумуляторах и гальванических элементах для электризации электродов используются химические реакции.

    Что требуется от генератора? Во-первых, требуется, чтобы на электродах генератора был избыток электрических зарядов - на одном электроде избыток отрицательных зарядов (такой электрод называют отрицательным или сокращенно «минусом»), на другом электроде - избыток положительных зарядов (это положительный электрод, «плюс») Во-вторых, по мере того как свободные электроны будут уходить с «минуса» генератора в нагрузку и приходить с нагрузки на «плюс», нужно каким-то образом добавлять электроны в «минус» и убирать их из «плюса» Одним словом, нужно, чтобы в электродах генератора поддерживался избыток электрических зарядов Чтобы накопить на электродах генератора избыточные ионы и электроны, чтобы создать на электродах заметный суммарный заряд, нужно поработать Первый же избыточный электрон (-), который вы втолкнете в отрицательный электрод, будет препятствовать вталкиванию следующего электрона (-) ничего не поделаешь, одноименные заряды отталкиваются И первый же положительный ион (+), который после удаления электрона (-) появится в положительном электроде, будет препятствовать удалению следующих электронов (-) разноименные заряды, как всегда, притягиваются Нет, конечно же, избыточные заряды на электродах генератора не появятся сами собой, чтобы накопить их, нужно затратить определенную энергию

    Это в принципе может быть энергия разных сортов (Р-11) -световая, тепловая, энергия атомных излучений, механическая работа А еще энергия химических реакций (Р-11. Р-12)

    Когда вы отпускаете тетиву лука, выпускаете из него стрелу, то лук, точнее, его только что натянутая тетива отдает свою энергию - распад системы на составные части (лук-стрела) сопровождается выделением энергии, ее уносит стрела Когда в ведро с водой падает камешек, то появление новой системы (камешек-вода), объединение этих двух только что еще разных объектов, тоже сопровождается выделением энергии, в частности в виде слабого звука, всплеска воды

    Выделением энергии сопровождаются и химические превращения, распад молекул на части или объединение атомных комплексов в более крупные молекулярные системы Энергия запасена в самой структуре химических веществ, подобно тому как она запасена в натянутой тетиве лука или в поднятом над водой камешке Химические реакции в генераторе используют эти запасы энергии именно на то, чтобы непрерывно ввозить электроны в отрицательный электрод и вывозить их из положительного То есть для того, чтобы накапливать электрические заряды на электродах

    Типичный химический генератор - это хорошо всем знакомый гальванический элемент {СУ-, Р-12) Он получил свое название по имени итальянского естествоиспытателя Луиджи Гальвани, который около двухсот лет назад обнаружил взаимосвязь между химическими процессами и электрическим током Устройство всех гальванических элементов одинаково-два электрода, вставленных в электролит, в жидкость, где как раз и происходят основные химические реакции, которые в итоге электризуют электроды Различаются гальванические элементы самим веществом электродов и электролита и, следовательно, конкретным типом реакций

    В наиболее популярном марганцево-цинковом элементе в качестве отрицательного электрода, «минуса» (-), используется цинк (Zn), в качестве положительного, «плюса» (+),-порошкообразная двуокись марганца (МпО2), а электролитом сложит раствор хлористого аммония (NH4CI) Цинковый электрод (-) - это чаще всего стаканчик, в который спрятана вся «начинка» элемента Двуокись марганца (+) смешана с графитом и соединена с внешним миром через угольный стержень, который часто по ошибке принимают за положительный электрод

    Электролит входит в кашеобразную массу, которая соприкасается и с цинком (-), и с двуокисью марганца (+) Процессы в гальваническом элементе в самом упрощенном виде можно описать так В результате химических реакций между цинком и электролитом из отрицательного электрода уходят положительные ионы цинка (Zn++h-атом с двумя недостающими электронами, их отбирает атом хлора, который уходит из NH4CL и соединяется с Zn), и в электроде остаются избыточные свободные электроны Так на цинковом электроде образуется значительный отрицательный заряд «минус» Одновременно совсем другие положительные ионы (NH4 - молекулярный блок с одним недостающим электроном), которые появляются в электролите из-за его самопроизвольного химического распада, отбирают свободные электроны из двуокиси марганца, и у нее появляется значительный положительный заряд, «плюс»

    Когда гальванический элемент никуда не подключен, то на его электродах накапливается некоторое количество избыточных зарядов и после этого химические реакции в основном прекращаются Потому что химическая реакция может вталкивать на электрод заряды лишь до тех пор, пока у нее хватит сил, чтобы преодолеть отталкивающее действие такихже зарядов, ^ке скопившихся на электроде Но как только к химическому генератору будет подключена нагрузка и в цепи начнется ток, то есть в ней начнется движение электронов от цинка (-) к двуокиси марганца (+), то тутже химические реакции заработают, убирая с одного электрода положительные ионы, а с другого свободные электроны Одновременно внутри генератора будут пополняться запасы «отбирателей», зарядов (CI и NH4), причем именно за счет химических реакций (распад NH4CI) «Отбиратели» будут двигаться каждый к «своему» электроду и соединяться каждый со «своим» зарядом (CI-с ионом цинка, NH4-с электроном) И до тех пор, пока эти реакции будут идти, до тех пор, пока хватит химического сырья, наш генератор будет работать, будет происходить электризация электродов и они будут создавать ток во внешней цепи, в нагрузке А когда запасы сырья кончатся или появятся какие-либо другие помехи для химических реакций, то эти реакции прекратятся и генератор перестанет быть генератором Важная характеристика химического источника тока - его емкость fP-13. C-1), она говорит о том, как долго этот источник может создавать ток той или иной величины Понять эту характеристику будет нетрудно после того, как мы познакомимся с единицами измерения тока (Т-30)

    Если вы разберете негодный гальванический элемент, то увидите в нем частично разрушенный цинковый стакан-часть цинка уже израсходовалась, ушла в электролит в виде положительных ионов Это одна из причин того, что элемент вышел из строя, разрядился В этом отношении аккумуляторы выгодно отличаются от гальванических элементов - разрядившийся аккумулятор можно вновь зарядить, накачать его энергией от другого источника При этом восстановится состав электродов и электролита, аккумулятор вновь сможет создавать ток в нагрузке (Р-12. 6)

    Главная, пожалуй, характеристика химических источников тока, как, впрочем, и всех других электрических генераторов, говорит о том, насколько интенсивно на электродах происходит накопление избыточных зарядов Чем больше силы, которые производят электризацию электродов (трение, химические реакции, тепло, свет), тем больше суммарный заряд, который на этих электродах накопится Тем, следовательно, сильней будут выталкиваться свободные электроны с «минуса» в нагрузку, тем сильней они будут втягиваться из нагрузки в «плюс» И тем, значит, энергичней будет движение электронов в нагрузке, электрический ток Эта характеристика, этот показатель уровня электризации, называется электродвижущей силой генератора, и именно с нее мы начинаем знакомство с конкретными характеристиками электрической цепи

Т-28. Электродвижущая сила (э. д. с), ток и сопротивление - важнейшие характеристики электрической цепи.

    Важнейшие характеристики грузового автомобиля грузоподъемность, размеры кузова, мощность двигателя, максимальная скорость, расход горючего, стоимость Важнейшие характеристики водяной мельницы высота подъема воды (высота, с которой вода падает на мельничное колесо), расход воды (количество воды, которое падает на колесо в единицу времени, например в секунду), скорость вращения жерновов, рабочая поверхность жерновов, трение в подшипниках водяного колеса, в подшипниках жерновов и другие потери энергии, производительность-количество зерна, перемалываемого в час

    Важнейшие характеристики электрической цепи (Р-14)-электродвижущая сила генератора, сила тока в цепи, сопротивление нагрузки, общее сопротивление цепи

    В названиях двух первых характеристик встречается слово «сила», однако в обоих случаях оно скорее литературное украшение, чем точный физический термин В физике «сила» - совершенно определенное, точное понятие, она может быть точно измерена, выражена точными цифрами В повседневной речи слово «сила», хотя и имеет всегда один и тотже общий смысл, однако употребляется в самых разных конкретных значениях, часто не имеющих ничего общего с «силой», как ее понимают физики Вспомните выражения-«сильный дождь», «знание-сила», «вооруженные силы», «сильный ученик» В названии «электродвижущая сила» слово «сила» тоже введено как бы для образа Сама же электродвижущая сила - сокращенно э д с -показывает совсем не силу, а работу, которую может выполнить генератор, перемещая заряды по электрической цепи

    Перечисляя важнейшие характеристики водяной мельницы, мы назвали высоту подъема воды Это действительно важнейшая характеристика, она говорит о том, насколько работоспособна поднятая плотиной вода чем с большей высоты падает вода на мельничное колесо, тем лучше она работает Ясно, что получение полезной работы - главная цель сооружения мельничной плотины, подъема воды на высоту А значит, вместо характеристики «высота подъема воды» вполне можно было бы ввести другую характеристику «вододвижущая сила» или, точнее, «работоспособность одного литра воды», которая сразу давала бы конечный результат, показывала бы, какую работу может выполнить каждый литр воды, падающий с плотины на мельничное колесо Мы же не стали пользоваться этой удобной «работоспособностью» и выбрали «высоту подъема» только потому, что эта характеристика, по-видимому, более удобна для строителей мельничных плотин

    У любого электрического генератора одна задача - создавать ток в цепи, но о том, насколько успешно он готов справиться с этой задачей, могли бы рассказать разные характеристики генератора Скажем, концентрация избыточных зарядов на его электродах чем больше эта концентрация, тем энергичней заряды движутся по цепи, сила электрического поля, которое эти электроды создают, энергия, которую получает каждый единичный заряд-каждый электрон при его выталкивании из «минуса» и втягивании в «плюс» Или, что, по сути дела, тоже самое, работа, которую каждый электрон может совершить, двигаясь по цепи (Это очень похоже на работоспособность литра падающей воды ) Вот эта последняя характеристика и признана наиболее удобной, она очень точно показывает, насколько хорошо генератор может справляться с главными своими обязанностями выполнять работу, двигая заряды по электрической цепи И именно эта характеристика - работоспособность генератора, точнее работоспособность зарядов, которые он двигает по цепи - и называется электродвижущей силой генератора или сокращенно ЭДС Теперь о токе

    Чтобы иметь точное представление о величине тока в каком-нибудь участке электрической цепи, этот участок мысленно перегораживают, устраивают в нем своего рода пограничный контрольный пункт А затем подсчитывают, сколько свободных электронов или ионов проходит через эту воображаемую границу за единицу времени, скажем за секунду И чем больше зарядов пройдет через «перегородку», тем, значит, интенсивнее движение зарядов, тем больше величина тока, больше (сильнее) ток Чуть забегая вперед, отметим, что величина тока зависит от генератора - чем большую энергию может передать генератор свободным зарядам, тем быстрее они будут двигаться и тем большее количество зарядов включится в электрический ток Тем сильнее этот ток.

    Сопротивление, как говорит сам смысл этого слова, показывает, насколько данный участок цепи или вся цепь в целом сопротивляются созданию электрического тока И чем меньше сопротивление какого-либо проводника, тем легче генератору создавать в нем ток, тем больше будет этот ток при прочих равных условиях

    Не кажется ли вам, что в нашем рассказе об электрической цепи слишком часто используются слова там, где должны быть цифры? Мы говорим «много», «мало», «сильный», «слабый», «больше», «меньше», вместо того, чтобы точно сказать, сколько, на сколько, во сколько раз Слова помогают понять суть дела, понять, как говорится, качественную сторону Это очень важно, но не всегда достаточно Можно понимать всю важность щедрого приема гостей, но нельзя прийти в магазин и сказать «Продайте мне, пожалуйста, много печенья и очень много конфет» Вместо этих слов нужно назвать точные цифры - 2 и 8 или 2 и З - и добавить к ним единицы измерения - «килограммов» Если в своем путешествии в мир электротехники и электроники вы ставите перед собой практические задачи, скажем изучение конкретных электронных приборов, знакомство с конкретными электронными установками или даже самостоятельное изготовление некоторых из них, то вам необходимо сделать следующий шаг - от общих представлений об электрическом заряде, токе ЭДС , сопротивлении перейти к их количественной оценке

Т-29. Единица длины -метдмассы -килограмм,смпъ -ньютон,работы -джоуль, мощности - ватт.

    Если длину измерять в метрах, время в секундах, а скорость в километрах в час, то всякий раз, вычисляя скорость по известным пути и времени или путь по известным времени и скорости, придется производить утомительный пересчет, перевод километров в метры или часов в секунды Особенно неудобны такие пересчеты, когда сталкиваются вместе в одной задаче много разных характеристик, например мощность, сила, расстояние, скорость, время, работа, энергия

    Чтобы избежать лишних пересчетов, переводов одних единиц в другие (было время, когда приходилось переводить футы в метры, метры в мили, мили в сантиметры, сантиметры в дюймы, дюймы в аршины, аршины в морские мили, килограммометры в дюймофунты, дюймофунты в тонно-мили-запутаешься!), созданы системы единиц, в рамках каждой такой системы самые разные единицы связаны предельно простыми соотношениями   

    Для практических целей чаще всего употребляется система СИ - система интернациональная, или иначе система МКСА - метр-килограмм-секунда-ампер (Р-15) Единица длины в этой системе метр Его получили так измерили длину меридиана, который проходит через Париж, разделили ее на 40 миллионов равных частей и объявили «Отныне отрезок, равный одной сорокамиллионной парижского меридиана, будет сложить единицей при измерении длины и называться метром» Конечно, метром пользоваться не всегда удобно-очень громоздкие цифры получаются, если измерять в метрах расстояние до Солнца или размеры атома Поэтому было введено последовательное десятикратное уменьшение и увеличение метра в 10,100,1000 и большее число раз Из метра легко были получены более мелкие единички с приставками деци-десятая часть, санти-сотая часть, милли - тысячная ит д И более крупные единицы с приставками кило - в тысячу раз больше, мега - в миллион раз больше ит д Эти приставки позволяют легко получить единицы более крупные и более мелкие, в зависимости оттого, что в данном случае удобней (С-2)

    Единица длины помогла получить и единицу массы - килограмм -это масса литра обычной воды при температуре 4 град Цельсия А из единицы массы получилась и единица силы для системы СИ-этоньютон.сила, с которой притягивается к Земле масса в 102 грамма-(цифра эта появилась из соотношения 1 килограмм-силы == 9,8 ньютона, число 9,8 берет свое начало от земного ускорения 9,8 метр/секундаА2) Ньютон - единица непривычная, долгие годы единица силы, или, что более понятно, единица веса (вес-это есть сила, с которой данное тело притягивается к Земле), была крупнее и называлась также, как и единица массы,- килограмм Просто единицей веса выбрали вес литра воды и дали этой единице такое же название, какое было у единицы массы (исторически все, может быть, и было иначе, но по существу - именно так) Это очень неудобно одинаково называть две совершенно разные единицы, определяя две совершенно разные характеристики Приходилось каждый раз к слову «килограмм» давать пояснения, к чему он относится - к массе или к весу Так и говорили «килограмм массы» или «килограмм силы» В системе СИ такой путаницы быть не может, здесь для силы (веса) есть своя собственная единица А если вам придется переводить килограммы веса в ньютоны, то нетрудно запомнить, что килограмм - это примерно 10 ньютонов, а ньютон-примерно 100 граммов веса

    Промелькнувшая чуть раньше единица времени секунда получена как 1/86637 часть суток, то есть времени одного оборота Земли вокруг своей оси Разумеется, в наше время, когда секунды, метры, килограммы н^жно отмерять с очень высокой точностью, пользуются и чрезвычайно точными эталонами времени, длины, массы и всех других физических величин Эталоны эти часто берут из мира атомов, отсчитывая, например, время по очень стабильному «маятнику»-электромагнитным колебаниям, возникающим, в частности, при переходе электрона с одной орбиты на другую

    Единица работы в системе СИ - джоуль Это работа, которую производит сила в 1 ньютон на пути в 1 метр, то есть, например, работа, которую нужно выполнить, чтобы поднять на высоту в 1 метр полстакана воды (без учета веса стакана) Легко получается в системе СИ и единица мощности Напомним, мощность-это работа, которая выполняется за единицу времени, например за секунду Мощность - характеристика очень важная как для поставщиков, так и для потребителей энергии Конечно, и общий объем работы очень важен, но иногда нужно еще знать, насколько интенсивно ведутся работы, сколько чего делается за определенное время, например за час или за секунду Когда мы говорим, что какой-то генератор может выполнить работу в 1 джоуль, то этого еще недостаточно, чтобы представить себе такой генератор За сколько времени он наработает этот джоуль1? Если за секунду-неплохо Если за сотую долю секунды - еще лучше, это значит, что генератор работает энергичнее, быстрее выполняет данный объем работ А если работа в 1 джоуль будет выполнена за месяц, то, значит, генератор работает чрезвычайно слабо, вяло

    Тоже самое и в отношении потребителей энергии Если, например, известно, что в электрической лампочке ток выполняет работу в 1000 джоулей, то вы не сможете представить себе яркость лампочки, пока не узнаете, за сколько времени выполняется эта работа Если за секунду - хорошо, такая лампочка светит очень ярко, ее эквивалент - тысяча свечей Если работа в 1000 джоулей растянута на минуту, то лампочка светит достаточно тускло Ну а если лампочка только за час выполняет работу в 1000 джоулей, превращая электрическую энергию в свет, то светит такая лампочка, скорее всего, как одинокий тлеющий уголек

    В системе СИ единица мощности - ватт Это работа в 1 джоуль, выполненная за 1 секунду Если генератор нарабатывает 1 джоуль за 2 секунды, то мощность этого генератора уже меньше - всего 0,5 ватта А если работа в 1 джоуль выполняется за 0,1 секунды, то, значит, генератор работает энергичней, его мощность 10 ватт

    Как видите, большую группу важных единиц мы получили, начав с метра, с единицы длины Другую группу мы сейчас получим, начав с единицы электрического заряда

Т-30. Единица электрического заряда -кулон, величины тока -амперэлектродвижущей силы - вольтдсопротивления -ом.

    С метром дело было просто - отмерил меридиан, разделил на 40 миллионов, и метр готов А где взять единицу электрических свойств, электрического заряда? Как практически получить такой единичный заряд? Или, по крайней мере, как его представить себе?

    Единицу электрического заряда лучше всего взять в атоме Там находятся частицы, у которых имеются самые маленькие порцииэлектрических свойств, причем электрические свойства этих частиц, их электрический заряд, всегда одинаковы, всегда стабильны Вы, конечно, вспомнили это протон, частица с минимальным положительным зарядом, и электрон, частица с точно таким же по величине, и отрицательным зарядом (Т-17)

    Заряд электрона (или, что количественно то же самое, заряд протона)-очень удобная единица заряда Но очень маленькая Пользоваться ею на практике было бы также неудобно, как, скажем, измерять в миллиметрах расстояние между планетами Поэтому единица заряда выбрана значительно более крупная - единицей признан электрический заряд, равный суммарному заряду 6 280 000 000 000 000 000 электронов (сокращенная запись-6,28 я 10А18) Эта единица, вобравшая в себя около 6 миллиардов миллиардов зарядов электрона, получила название кулон

    Имея единицу заряда, легко ввести и другие недостающие нам электрические единицы Единица силы тока (величины тока, тока) - ампер-получаетсятэк если через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит суммарный электрический заряд в 1 кулон, то ток в таком проводнике равен 1 амперу Теперь представим себе, что движение электронов проходит более вяло, и в результате за секунду через сечение проводника проходит уже не кулон, а полкулона, то есть не 6, а 3 миллиарда миллиардов электронов (или, что тоже самое, 6 миллиардов миллиардов электронов проходит за 2 секунды) В этом случае ток в цепи-0,5 ампера

    Здесь уместно вспомнить, что в некоторых проводниках под действием электрических сил движутся и создают ток не только свободные электроны, но еще и свободные положительные ионы (Р-6) Причем если электроны двигаются от выталкивающего их «минуса» к притягивающему их «плюсу», то положительные ионы идут в противоположном направлении «плюс» их выталкивает, «минус», наоборот, притягивает Как же в этом случае определяется величина тока? Какие учитываются заряды?

    На первый взгляд может показаться, что в счет нужно принимать разность между положительными и отрицательными зарядами Потому что одни идут туда, другие - обратно, и какое движение преобладает, то в итоге и создает ток

    Такая арифметика, однако же, несправедлива, а значит, и неверна Потому что, независимо оттого, в какую сторону идут заряды и какие это заряды - электроны или положительные ионы,- они всегда работают И те и другие, к примеру, в процессе своего движения ударяют по атомам, вырабатывают тепло, свет Поэтому, определяя ток в цепи, где движутся разные типы зарядов, нужно учитывать общее их количество, учитывать не разность, а сумму Если по проводнику за 1 секунду в одну сторону прошло 6 миллиардов миллиардов электронов (1 кулон) и за то же время в другую сторону прошло столько же положительных однозарядных ионов (атомов с одним потерянным электроном, то есть одним лишним «плюсом»), то ток составляет 2 ампера Потому что всего через поперечное сечение проводника за 1 секунду прошел заряд в 2 кулона Следующая на очереди - единица электродвижущей силы, вольт Чтобы лучше понять, что она означает, можно в порядке шутки ввести аналогичную единицу, которая позволит оценить работоспособность мельничной плотины Будем считать, что если литр воды падая с этой плотины, может выполнять работу в 1 джоуль, то ее вододвижущая сила, то есть сокращенно ВДС плотины, составляет 1 мельник А если тот же литр воды, падая вниз, наработает 5 джоулей, то ВДС плотины будет в 5 раз больше - 5 мельников На эту характеристику, на ВДС, очень похожа наша электродвижущая сила - работа, которую может выполнить генератор, перемещая по цепи определенный электрический заряд (Т-28) Единица ЭДС1 вольт - это такая электродвижущая сила, при которой каждый кулон, пройдя по цепи, совершит работу в 1 джоуль

    У батарейки для карманного фонаря, например, ЭДС - около 4 вольт, а значит, каждый кулон зарядов, которые эта батарейка протолкнет по цепи, может выполнить работу в 4 джоуля Вспомните, что одного джоуля достаточно, чтобы поднять полстакана воды на метровую высоту Но вот для тепловых работ 4 джоуля - величина очень небольшая чтобы вскипятить полстакана воды, нужно 10-20 тысяч джоулей Единица сопротивления - ом - тоже произвольная величина Сама характеристика «сопротивление» говорит о том, легко или трудно генератору создавать ток в данном проводнике (Т-8) Если под действием ЭДС 1 вольт в проводнике идет ток в 1 ампер, то сопротивление такого проводника принимается за единицу сопротивления - 1 ом Если при той же ЭДС ток меньше, значит, сопротивление больше одного ома, если ток больше, значит, сопротивление меньше ома Например, если при ЭДС 1 вольт ток в проводнике 10 ампер, то значит, сопротивление проводника в десять раз меньше единичного, то есть составляет 0,1 ома А если при э д с 1 вольт ток всего 0,001 ампера, то сопротивление 1000 ом или в 1 килоом

    Все названные единицы имеют сокращенные обозначения метр - м, килограмм - кг, секунда - с (иногда пишут сек), ньютон - Н, джоуль - Дж, ватт - Вт, кулон - К, вольт - В, ампер - А, ом - Ом

    Обратите внимание названия единиц, которые произошли от собственных имен, при сокращении пишутся с большой буквы Это дань уважения людям, чьи имена присвоены этим единицам измерения

(В главное меню)

Используются технологии uCoz