Конституция электрической цепи.

(В главное меню)

    То, о чем рассказано в этой главе, есть нечто очень важное, а может быть, даже самое важное на вашем пути в электронику Вам сейчас предстоит познакомиться с основными законами электрических цепей, и прежде всего с законом Ома Выучить и пересказать законы электрических цепей несложно Но этого мало - вам нужно понять и прочувствовать все описанные этими законами взаимозависимости и взаимные влияния электрических величин Вчитываясь в объяснения и всматриваясь в рисунки, вы должны при каждом удобном случае спрашивать себя

    «А почему именно так?»-и отвечать себе на все эти «почему?» обстоятельно и точно Если вы преодолеете эту главу, если поймете существо законов электрических цепей и привыкнете к ним, то можете смело считать, что путь в электронику для вас открыт Торжественные слова «закон Кулона», или «Третий закон Ньютона», или «закон Ома для участка цепи» мы часто воспринимаем так, будто бы Кулон, Ньютон и Ом придумали какие-то законы, которым теперь подчиняется природа и которые поэтому нужно учить и знать на экзаменах В действительности же дело обстоит совсем не так И вообще в выражении «закон природы» смысл слова «закон» не имеет ничего общего с его привычным, житейским смыслом

    Когда мы говорим «закон», то имеем в виду определенные правила, которые придумали сами люди для того, чтобы упростить и упорядочить какие-то свои отношения Законы природы никто не придумывает, люди только записывают их под диктовку реальности Законом природы принято называть подмеченную человеком некоторую общую, одинаковую черту в какой-то группе явлений, некоторые правила, которые действуют в природе только потому, что все в ней устроено именно так, а не иначе Если бросать с высокой башни камень, медный подсвечник и кусок мыла, то эти разные предметы, падая на землю, будут постепенно ускорять свое движение, причем одинаково - каждую секунду их скорость будет увеличиваться на 9,8 м/с Одинаковое ускорение всех падающих предметов может быть подтверждено в любых других подобных экспериментах, и именно такую одинаковость, разумеется, после того, как она замечена и точно описана, можно называть законом природы

    Закон Ома не относится к числу фундаментальных законов природы Он рассказывает о довольно узком круге явлений в достаточно скромной системе - в электрической цепи Рассказывает о том, как электрический ток в этой цепи зависит от действия генератора (э д с ) и от свойств самой цепи (сопротивление) Зависимости эти, утверждает закон Ома, очень просты ток прямо пропорционален электродвижущей силе генератора и обратно пропорционален сопротивлению цепи (Р-16)

    То, что ток должен возрастать с увеличением э д с , в принципе понятно, и то, что он должен уменьшаться с ростом сопротивления, тоже не вызывает сомнений Но заметьте, закон Ома не просто устанавливает характер зависимости, ее качественную сторону, не просто утверждает, что с ростом э д с ток растет, а с ростом сопротивления уменьшается Немецкий физик Георг Ом полтора столетия назад подметил и описал точную количественную связь между ЭДС , током и сопротивлением Он подметил, что во сколько раз возрастает э д с , во столько же раз возрастает ток, во сколько раз возрастает сопротивление, во столько же раз ток уменьшается Никаких общих соображений, точно и определенно - «во сколько раз во столько же раз » В этой точной количественной связи - главный смысл закона Ома и его важное практическое значение

    Все, о чем говорит закон Ома, можно записать в виде короткого алгебраического выражения, так называемой формулы Для этого прежде всего введем условные обозначения - э д с обозначим буквой Е.ток - буквой I и сопротивление буквойЯ Краткая алгебраическая запись, формула закона Ома, приведена на рисунке Р-16.4 Из формулы видно, что ток I зависит от двух величин от электродвижущей силыЕи сопротивления В этой зависимости Е находится в числителе дроби, и, значит, с увеличением Е ток I возрастает Так записывается прямая зависимость тока I от э д с Е Величина Я стоит в знаменателе, а значит, с увеличением гок I уменьшается

    Как видите, зависимость, для записи которой словами понадобилась чуть ли не сотня букв, на языке математики записана всего тремя буквами

    Формула не только очень короткий, лаконичный способ записи различных зависимостей, но еще и удобный способ Удобство его, во-первых, состоит в том, что, одним взглядом окинув формулу, часто можно сразу же почувствовать, какая величина от какой зависит И как зависит

    Если какая-либо величина в числителе, она работает на увеличение результата (как Ев формуле закона Ома), если в знаменателе, работает на уменьшение (какЯв этой же формуле) Извинившись перед читателями, хорошо знающими алгебру, мы сейчас напомним некоторые типичные зависимости одних величин от других Это микроотступление в математику очень пригодится нам в дальнейшем

    На рисунке Р-17 приведено несколько возможных зависимостей между тремя величинами, обозначенными буквами А, В и С Зависимость 1 - точная копия закона Ома А возрастает с увеличением В и падает с увеличением С В зависимости 2 все наоборот величина С уже старается увеличить величину А .а  величина В старается ее уменьшить Зависимость 3 говорит о том, что А совершенно одинаково зависит от В и С, причем с увеличением любой из них А тоже увеличивается В зависимости 4 обе величины В и С тоже одинаково влияют на А, но, в отличие от предыдущего примера, обе они стоят в знаменателе, и поэтому с ростом В и С величина А уменьшается

    В формуле 5 величина А равна сумме В и С, увеличьте любую из них, и А возрастет, правда, не так резко, как в зависимости 3

    А вот в зависимость 6 величина С входит со знаком «минус», и чем она больше по абсолютной величине, тем меньше А

    Во все предыдущие формулы В и С входили в первой степени, в следующую формулу 7 одна из них входит во второй степени, в квадрате Это значит, что А особо сильно зависит от В увеличьте В в 2раза, и Л увеличится в 4 раза, увеличьте В в 10 раз, иА возрастет в 100 раз

    Зависимость 8 уже не квадратичная, а кубическая В входит в нее в третьей степени и еще сильнее влияет на А если В возрастает в 2 раза, то А увеличивается в 8 раз, если В растет в 10 раз, то Л - в 1000 раз

    Зависимость 9 тоже квадратичная, но В находится в знаменателе и со всей своей силой старается уменьшить ЛВ формуле 10 влияние величины, попавшей под знак корня, резко уменьшается величина В влияет на Л значительно слабее, чем в формуле 3 если увеличить В в 4 раза, то в зависимости 3 величина Л возрастет в те же 4 раза, в зависимости 10-всего в 2 раза

    Мы лишь несколькими словами коснулись нескольких простейших математических зависимостей Но даже наши простейшие примеры демонстрируют одно из удобств математического языка, показывают, как много важной информации можно легко и быстро извлечь из записей, сделанных в виде формул

    Другое удобство математического языка заключается в том, что, используя известные способы преобразования алгебраических выражений, можно из одной зависимости получить другую, в каком-то отношении более удобную Причем делается это быстро и, можно сказать, просто, механически, без рассуждений о том, какие конкретные величины обозначены той или иной буквой И во всех случаях, если делать преобразования правильно и исходная формула верна, новая формула тоже будет правильной

    Разные способы преобразования математических зависимостей глубоко и в большом объеме в течение нескольких лет изучаются в школе, в курсе алгебры Мы же приведем одно простое правило, которое в некоторых случаях может оказаться полезным для того, чтобы преобразовать какую-нибудь формулу и получить из нее другую, более удобную Правило это можно изложить так «Если из формулы, которая показывает, как величина а зависит от величины Д ей так далее, вам нужно получить другую формулу, которая показывала бы, как от всех этих величин зависит, например, величина нужно одновременно с обеими частями формулы производить любые полезные, по вашему мнению, операции до тех пор, пока величина не будет отделена от всех других величин и не останется в одиночестве» Слова «одновременно с обеими частями формулы» выделены потому, что это важнейшее условие, нарушение которого может привести к совершенно неверному результату

    На Р-17, 11 приведены примеры применения нашего «самодельного» правила для преобразования формул Пользуясь этим же правилом, можно из формулы закона Ома (Р-16 Р-17, 12) получить две новые формулы (Р-17, 13 и Р-17, 14) Первая получается, если в формуле закона Ома обе части умножить на Я. вторая - если обе части одновременно умножить на Я и разделить на I Обе эти формулы получены нами с помощью математических фокусов и физического смысла не имеют, их нельзя читать так, как первую, основную формулу закона Ома «Ток в цепи зависит от » и так далее Действительно, было смешно прочитать вторую формулу так «Электродвижущая сила зависит от сопротивления цепи » Электродвижущая сила - это есть характеристика генератора, и от сопротивления цепи она никак не зависит Но несмотря на все это, полученные нами из закона Ома две новые формулы очень полезны Это расчетные формулы, которые позволяют при необходимости подсчитать неизвестную э д с Е по известным I nR или подсчитать неизвестное сопротивление R no известным .

    До сих пор мы считали, что электрическая цепь состоит всего из двух элементов- из генератора и нагрузки Но чаще всего такого не бывает Хотя бы потому, что нагрузка несколько удалена от генератора и в цепи появляется еще один элемент - соединительные провода По этим проводам электроны идут на работу и с работы (Р-18) и, естественно, теряют в проводах некоторую часть своей энергии Иными словами, соединительные провода обладают некоторым сопротивлением, которое входит в общее сопротивление цепи и которое иногда необходимо учитывать Кроме того, некоторым сопротивлением обладает и сам генератор внутри генератора, между его электродами, тоже идет ток, тоже движутся заряды Они, как обычно, сталкиваются с атомами среды и, как обычно, теряют какую-то часть энергии Так что если рисовать полную схему даже самой простой цепи, то в нее нужно включить несколько новых элементов, в которых отражалось бы сопротивление проводов и внутреннее сопротивление генератора

    Можно нарисовать упрощенный чертеж электрической цепи, не вдаваясь в то, как устроен тот или иной элемент, а лишь показав условными знаками, что есть в цепи такие-то элементы и соединены они таким-то образом Такой чертеж называется принципиальной схемой Условные обозначения, принятые при составлении принципиальных схем, показаны на КЗ и К4 Элемент, обладающий электрическим сопротивлением, независимо оттого, что это за элемент (лампочка, электроплитка, кусок провода), в некоторых случаях на принципиальной схеме изображают в виде небольшого прямоугольника и обозначают латинской буквой R(от слова resistans - сопротивление) Этим как бы хотят сказать «В данном случае для нас важно, что этот элемент оказывает сопротивление току И ничего больше» В схеме простейшей электрической цепи Р-18 должно быть пять таких элементов

     Rh-элемент, отображающий нагрузку, Rnp1, Rnp2 и Rnp3-сопротивление кусков провода, RBHyrp - внутреннее сопротивление генератора Если почему-либо сопротивление проводов учитывать не нужно, то элементы Rnp не рисуют (Р-18, 3) Но во всех случаях прямые линии, соединяющие на схеме один элемент с другим, принято считать идеальными проводниками, не имеющими никакого сопротивления

    Представьте себе такую ситуацию нужно уменьшить ток в цепи, а генератор при этом трогать нельзя Что делать? Решение подсказывает закон Ома нужно увеличить сопротивление цепи, ввести в нее дополнительный трудный участок Есть детали, основное назначение которых именно в том, чтобы оказывать сопротивление току, они называются резисторами Сопротивление таких деталей строго дозировано, и почти всегда прямо на самой детали написано, чему оно равно

    Резисторы делятся на две большие группы - проволочные и непроволочные (К-3,1,2) Чем длиннее и чем тоньше провод, которым намотан резистор, тем больше его сопротивление (Р-19) А еще сопротивление зависит от так называемого удельного сопротивления (сопротивление куска провода длиной 1 ми диаметром 1ммили сопротивление кубика с ребром 1ш),которое характеризует свойство материала (С^) У некоторых металлов (серебро, медь, алюминий) количество свободных электронов, их подвижность сравнительно велики, и удельное сопротивление у этих металлов не очень большое У других же (железо, ртуть и особенно некоторые сплавы - нихром, константан) движение свободных зарядов затруднено самой структурой вещества, и удельное сопротивление его сравнительно велико

    Резисторы с большим сопротивлением - килоомы, мегомы - из проволоки изготовить сложно, в них используют тонкие токопроводящие пленки, нанесенные на керамическую трубочку (К-3, 2)

    Особое место занимают переменные резисторы, или, иначе, резисторы переменного сопротивления (К-3, 3),-их сопротивление можно менять, перемещая подвижный контакт и изменяя тем самым ту часть резистора, которая включена в цепь (Р-26, 5)

    Уже попытка нарисовать реальную схему карманного фонаря приводит к сравнительно сложной цепи из семи последовательно соединенных элементов (Р-18) На практике же приходится иметь дело с цепями более сложными, и значительно более сложными Что такое, например, телевизор? Это тоже электрическая цепь, но состоящая из сотен или тысяч элементов, сложным образом соединенных между собой А вычислительная машина? Цепь из тысяч или миллионов элементов Даже простенький карманный приемник представляет собой электрическую цепь, в которой десятки деталей соединены сложным образом и подключены к общему генератору - гальваническому элементу или аккумулятору

    Рассматривать сложные и очень сложные электрические цепи сразу целиком, к счастью, почти никогда не приходится В большой, сложной машине, как правило, можно выделить самостоятельные узлы и агрегаты В автомобиле, например, это двигатель, коробка перемены передач, передний мост, задний мост, рулевое управление, тормозная система В сложной электрической цепи, как правило, тоже можно выделить свои узлы и блоки Каждый из них представляет собой самостоятельную сложную цепь, но состоящую уже не из сотен и даже не из десятков, а чаще всего из нескольких элементов С некоторыми такими простыми цепями мы сейчас познакомимся При этом отвлечемся от того, какие элементы входят в цепь, и будем считать, что она состоит из генератора (для конкретности - гальванического элемента) и нескольких различным образом соединенных резисторов

    Начнем с цепи с последовательным соединением резисторов (Р-20,1) Ее общее сопротивление равно сумме всех сопротивлений ток последовательно проходит по всем участкам цепи, и «препятствия», которые он встречает в каждом участке, в итоге суммируются Из двух последовательно соединенных резисторов главный тот, чье сопротивление побольше, он в основном определяет общее сопротивление По всем элементам последовательной цепи идет один и тотже ток если бы по двум соседним резисторам шел разный ток, то к месту их соединения приходило бы больше свободных зарядов, чем ушло, или, наоборот, уходило бы больше зарядов, чем пришло Ни то, ни другое невозможно В первом случае заряды непрерывно накапливались бы в месте соединения резисторов, во втором - это место должно было бы быть неистощимым поставщиком зарядов

    При параллельном соединении элементов цепи их общее сопротивление меньше любого из сопротивлений (Р-20, 2) если параллельно какому-нибудь резистору подключить другой резистор, то откроется дополнительный обходной путь для зарядов и двигаться им будет легче Чтобы подсчитать сопротивление двух элементов цепи, соединенных параллельно, н^жно произведение их сопротивлений разделить на их сумму При параллельном соединении двух резисторов главный тот, чье сопротивление поменьше, именно он в основном определяет общее сопротивление (Р-20, 2) Подойдя к параллельно соединенным элементам цепи, поток свободных зарядов разветвляется - большая часть тока идет по меньшему сопротивлению, также примерно, как в разветвляющемся трубопроводе большая часть потока пойдет по более широкой трубе Сумма тока в параллельных ветвях равна току до разветвления и току после разветвления (Р-23, 3) Общий ток любой сложной цепи, как бы он в этой цепи ни разветвлялся, определяется общим количеством зарядов, которое двигает генератор Этот общий ток подсчитывается по формуле закона Ома, в которую, естественно, уже входит общее сопротивление всей цепи Общее сопротивление сложной цепи, в которой есть и параллельные и последовательные участки, можно подсчитать постепенно, шаг за шагом, например, сначала определить общее сопротивление параллельного участка и затем сложить его со всеми последовательными сопротивлениями (Р-20, 5).

    Чтобы глубже понять то, что происходит в электрической цепи, можно привлечь на помощь силу воображения и мысленным взором просматривать кинофильмы с участием легких и быстрых пылинок-электронов, неповоротливых тяжелых ионов, неподвижных атомов, невидимых электрических полей и других положительных и отрицательных героев Конечно, такие кинофильмы будут страшным упрощением истинной картины, но это не должно бросать тень на их учебную полезность (Т-8) Ведь мы понимаем, что чертеж-это упрощение реальной машины, но вместе с тем прекрасно пользуемся чертежами, чтобы понять, как эта машина устроена

    Мысленно заглядывая во внешнюю электрическую цепь (нагрузка и соединительные провода), вы рано или поздно наткнетесь на вопрос а где, собственно говоря, эта внешняя цепь начинается, где проходит ее граница с генератором? Это не в смысле геометрических форм, а в смысле электрического состояния Мы знаем, что на электродах генератора скопились избыточные заряды, они-то и создают электродвижущую силу Известно также, что в куске провода как таковом избыточных зарядов нет, свободных электронов в нем ровно столько же, сколько и покинутых ими атомов, положительных ионов Так, может быть, граница между электродами генератора и внешней цепью - это своего рода электрический обрыв, пропасть? Может быть, на электродах есть скопление зарядов и они ни на шаг не выходят за пределы электрода? А что же тогда будет, если и электроды и проводник сделать из одного и того же материала и соединить сваркой? Как в этом случае заряды узнают, где кончается электрод и начинается провод, где именно проходит та граница, через которую переступать нельзя?

    А как представить себе те «пограничные войска», которые смогут удержать избыточные заряды в пределах электрода? И еще одно сомнение если избыточные заряды не выходят за пределы генератора, то, значит, электрическое поле, которым генератор, собственно говоря, и подталкивает свободные электроны (]^8), должно доставать до любой, даже самой удаленной точки цепи А если генератор находится в Москве и к нему проводами подключена нагрузка, которая находится во Владивостоке?

    Рассказывают, что однажды Наполеон приехал в артиллерийскую часть, которая накануне подвела его в очень важном сражении, и спросил тамошних командиров «Вы почему же, такие-сякие, вчера в самый ответственный момент перестали стрелять?» - «У нас на то было - отвечали артиллеристы,-восемнадцать причин» -«Ну-ка, давайте выкладывайте, называйте свои причины» - «Во-первых, у нас не было снарядов, во-вторых » - «Стоп, хватит,- прервал артиллеристов Наполеон,- дальше рассказывать не нужно Все остальное уже не имеет значения.

    Этим рассказом обычно хотят подчеркнуть, что во всяком деле есть стороны более важные и менее важные и есть самые важные, принципиально важные, такие, что если их не учитывать, то «все остальное ^ке не имеет значения» Одна из чрезвычайно важных особенностей всякой электрической цепи-это то, что ток во всех ее участках одинаков, при разветвлении имеется в виду сумма тока в ветвях (Р-26. 6, 7) Другая принципиально важная особенность цепи связана с вопросом, который мы только что пытались обседать где фактически заканчивается область со скоплением избыточных зарядов, где кончаются электроды генератора?

    Разобраться в этом нам поможет довольно простая аналогия захватив санки, мы заберемся на высокую снежную гору и, на время забыв об электрических цепях, прокатимся вниз (Р-21. 2, 3,4) Прокатимся? Возможно Но только не в этот раз Мы подходим к краю снежной горы и вместо покатого склона видим резкий обрыв, затем совершенно ровное снежное плато и опять обрыв О том, чтобы прокатиться на санках с такой горки, и речи быть не может, с нее можно только упасть

    Находим другой спуск, на этот раз очень пологий и ровный, без единого бугорка или впадины Но при внимательном рассмотрении оказывается, что и этот спуск не очень-то хорош для катания на санках участки рыхлого снега чередуются на нем с гладким, блестящим льдом и с голой оттаявшей землей По такой дорожке санки будут двигаться рывками - по льду они мчатся быстро, по рыхлому снегу им двигаться труднее, а на голой земле могут совсем остановиться

    После долгих поисков находится, наконец, горка хорошая во всех отношениях На ней, правда, как и на предыдущей, тоже чередуются лед, снег и оттаявшая земля, но наклон этих разных участков тоже разный там, где лед, дорога пологая, где снег, она идет несколько более круто, а там, где появилась голая земля, спуск совсем крутой Одним словом, там, где санкам трудней двигаться, там спуск круче Три придуманные нами горки иллюстрируют три варианта распределения избыточных зарядов в электрической цепи (Р-21. 2, 3,4) Первый вариант все избыточные заряды, появившиеся в генераторе, сконцентрированы на его электродах Этот вариант уже забракован нами в замкнутой цепи не может быть электрического обрыва Второй вариант - избыточные заряды после подключения цепи равномерно распределяются по всем ее участкам, и свободные электроны, создающие ток, подталкиваются на всем своем пути с одинаковой силой Но такое тоже невозможно на участках с разным сопротивлением свободные электроны в этом случае двигались бы с разными скоростями, подобно санкам, спускающимся со второй нашей горки То есть в последовательной цепи на участках с разным сопротивлением шел бы разный ток, чего, конечно, быть не может

    От неудачного второго варианта остается всего один шаг до следующего, третьего, который в точности соответствует действительности  Знакомство с этим третьим вариантом мы начнем с прокручивания очередного учебного кинофильма Представьте, что мы движемся вдоль последовательной электрической цепи и всякий раз берем из нее пробу вещества, подобно тому, как геолог берет для химических анализов пробу грунта Начнем с «минуса» генератора, с отрицательного электрода

    В пробе, взятой из него, естественно, обнаружится избыток отрицательных зарядов, ну, скажем, лишняя тысяча электронов (эта цифра, как и все последующие,- чистая выдумка, цифры подобраны так, чтобы пояснить суть дела, его качественную сторону) Движемся в сторону положительного электрода и еще раз берем пробу, на этот раз уже в соединительном проводнике Здесь избыток отрицательных зарядов несколько меньше - в том месте, где проводник соединяется с нагрузкой, с лампочкой, в пробе оказалось 990 электронов Как видите, разница в количестве избыточных зарядов на концах соединительного провода невелика - на одном его конце всего на 10 зарядов больше, чем на другом

    А вот пройдя по нити лампочки, мы обнаружим большое различие в количестве избыточных электронов - на одном конце нити их, как мы только что установили, 990, а на другом оказывается уже 590 - разница в 400 избыточных электронов Двигаясь дальше, мы в какой-то момент обнаружим участок цепи, где избыточных электронов вообще нет, а затем начнут появляться избыточные положительные заряды, положительные ионы самого металла По мере продвижения к «плюсу» количество избыточных положительных зарядов будет все возрастать и на положительном электроде достигнет своего максимума-1000 лишних ионов в каждой пробе

    Учебный фильм «Путешествие вдоль электрической цепи» также, как и наш третий вариант санного спуска (крутизна отдельных участков тем больше, чем больше трение по их поверхности), иллюстрирует точно установленный порядок распределения избыточных зарядов До тех пор, пока генератор находится в одиночестве, избыточные заряды сконцентрированы только на его электродах Но подключите к генератору внешнюю цепь, и продукция генератора - избыточные заряды - появится во всей цепи, распределится по различным ее участкам Но неравномерно Заряды автоматически распределятся так, что на участок с большим сопротивлением придется большее их количество А это значит, что чем больше сопротивление участка, тем сильнее будут проталкиваться через него свободные электроны И в итоге получится, что во всех участках, независимо от их сопротивления, установится одинаковый ток Также как может установиться одинаковая скорость движения саней на горке с разным покрытием (лед, снег, земля) и с разной крутизной спуска

    Хочется обратить особое внимание на слово «автоматически» Скопление зарядов на разных участках цепи регулируется самим током Если вдруг в какой-нибудь точке избыточных зарядов станет чуть больше или чуть меньше, например, потому, что по каким-то причинам сопротивление одного из участка цепи изменилось, ток тутже на мгновение изменится и исправит нарушение баланса, добавит немного зарядов или убавит Причем всегда с таким расчетом, чтобы восстановить свое неизменное значение во всей цепи

    Теперь мы должны другими глазами взглянуть на электрическую цепь, по которой идет ток На каждом участке такой цепи, а не только на электродах генератора, есть избыточные заряды, а значит, между любыми двумя точками цепи действует электродвижущая сила Конечно же, первопричина всех этих местных электродвижущих сил - генератор Именно в нем за счет других видов энергии (свет, тепло, химические реакции, механическая работа) происходит электризация атомов, накапливаются избыточные электроны или положительные ионы Но в итоге все избыточные заряды, вся электрическая энергия, вырабатываемая генератором, распределяется между участками цепи А могло ли быть иначе'? Н^жноже как-то двигать свободные заряды по этим участкам, создавать в них ток Ту часть э д с , которая достается какому-либо участку цепи, принято называть напряжением на этом участке и обозначать буквой U (P-21 Р-22) несколько раз подчеркивалось, разница в избыточных зарядах на концах какого-либо участка последовательной цепи автоматически оказывается тем больше, чем больше сопротивление этого участка То есть, иными словами, напряжение на участке цепи пропорционально сопротивлению участка Ну, а кроме того, по абсолютной величине это напряжение тем больше, чем больше сама э д с ,-если делить на несколько человек большой каравай хлеба, то каждому достанется больше, чем если бы делить маленькую булочку (Р-26. 2) И еще-между током I, напряжением ина участке и сопротивлением Я действуют соотношения закона Ома, в этом случае их называют законом Ома для участка цепи (Р-22. 2,3,4 Р-23)

    Если отвлечься оттого, что происходит во всей последовательной цепи, и рассматривать только события на одном ее участке, то из формулировок закона Ома наиболее удобной становится такая напряжение на участке цепи тем больше, чем больше его сопротивление и чем больший ток по нему идет (Р-22, 2) Вот в этом самом « чем больший ток по нему идет» отражены сразу все сложные взаимные связи между элементами цепи В частности, отражено то, что на напряжение влияет э д с генератора чем она больше, тем больше ток в цепи и, значит, напряжение во всех ее участках

    Местная э д с , то есть напряжение на участке цепи (часто говорят- «падение напряжения»), это не выдумка, помогающая что-то объяснить или подсчитать Это реальность Причем настолько реальность, что к любому участку цепи, как к генератору, можно подключить свою нагрузку и образовать свою местную цепь в большой общей цепи При подключении такой местной нагрузки, как при всяком параллельном подключении, несколько уменьшится общее сопротивление этого участка, а значит, и реально действующее на нем напряжение Напряжение, также как и э д с , говорит о той энергии, с которой проталкивается каждый кулон свободных электрических зарядов (а если строго - о той работе, которую он выполняет), но, конечно, уже по какому-либо участку, а не по всей цепи Поэтому напряжение, также как и э д с , измеряется в вольтах Очевидно, что общая работа, выполняемая единичным зарядом во всей цепи, равна сумме работ, выполненных на отдельных ее участках, то есть э д с равна сумме всех напряжений на участках цепи (Р-26, 2)

    Напряжение на участке цепи, сопротивление участка и ток, который проходит по этому участку, можно подсчитать по одной из формул закона Ома fP-22. P-23) А можно и измерить Несколько позже мы узнаем о том, как устроены приборы для измерения напряжения (э д с ) и тока-вольтметр и амперметр (Т-290) Пока же будем считать, что вольтметр как-то измеряет разницу между количеством избыточных зарядов в двух участках цепи, определяет, каких зарядов и где больше, и насколько И тут же вычисляет, какую работу выполнит каждый кулон электричества при такой разнице концентрации зарядов Результаты измерений и вычислений прибор выдает сразу в вольтах, за что он и получил название вольтметр Подключается вольтметр к тем двум точкам, напряжение между которыми н^жно измерить (Р-24. 1) При этом важно выполнить такое условие собственное сопротивление вольтметра должно быть во много раз больше, чем сопротивление, к которому он подключен Вольтметр с недостаточно большим сопротивлением может заметно уменьшить общее сопротивление участка, а значит, и напряжение на этом участке, и в итоге прибор покажет меньшее напряжение, чем было до его подключения (Р-24, 2) Амперметр - это своего рода счетчик движущихся зарядов со встроенным секундомером Подсчитав количество зарядов, которые проходят по цепи за одну секунду, прибор показывает величину тока сразу в амперах, за что он и получил название амперметр Прибор включается последовательно в цепь, в которой нужно измерить ток (Р-24, 3) Собственное сопротивление амперметра должно быть во много раз меньше, чем общее сопротивление цепи, иначе он сам заметно изменит общее сопротивление цепи и покажет ток значительно меньший, чем был до его включения (Р-24, 4) Омметр можно представить себе как комбинированный прибор, который одновременно измеряет напряжение и ток и сразу же по формуле закона Ома вычисляет сопротивление (Р-24, 5) Возможен и более простой вариант элемент цепи, сопротивление которого нужно измерить, подключается к генератору, э д с которого известна, и тогда омметр определяет сопротивление только по величине тока (Р-24, 6)

    Внутреннее сопротивление генератора R внутри - такой же элемент цепи, как и все остальные И на нем также, как и на других участках, создается какое-то напряжение (Р-25) При этом всей внешней цепи теперь уже достается напряжение несколько меньшее, чем э д с , меньшее как раз на величину внутреннего падения напряжения Если увеличится потребляемый от генератора ток, то в полном согласии с законом Ома увеличится и внутреннее падение напряжения в генераторе, а значит, уменьшится напряжение на выходе генератора (Р-25, 3, 4) Чтобы изменение нагрузки как можно меньше влияло на выходное напряжение генератора, его внутреннее сопротивление стараются свести к минимуму Кстати, напряжение на выходе батарейки уменьшается и при ее старении, так как со временем увеличивается R внутри (Р-25, 4)

    Можно так подобрать элементы последовательной цепи, чтобы на каком-нибудь из них получить напряжение, по сравнению с исходным уменьшенное во сколько угодно раз (Р-26. 1,2) Чем меньшую часть исходного напряжения мы хотим получить и подать на нагрузку, тем меньше должно быть сопротивление участка, с которого оно снимается Кроме того, сопротивление участка делителя, с которого снимается напряжение, должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки, которая к этому участку будет подключена (Р-26, 3) Иначе подключение нагрузки изменит сопротивление всего участка и напряжение на нем снизится В одной из разновидностей делителя частью его является сама нагрузка (Р-26, 4) В этом случае второе сопротивление делителя, то, на котором гасится избыток напряжения, называют гасящим сопротивлением Еще одна разновидность делителя - с резисторами переменного сопротивления (Р-26, 5), с помощью которых можно плавно менять напряжение

    Подключив резистор параллельно нагрузке, можно уменьшить идущий в нее ток (Р-26, 6) Резистор, который мы включили для ответвления лишнего тока, называется шунтом («шунт» в переводе на русский - обходной путь), а сам процесс уменьшения тока с помощью шунта называют шунтированием Чем меньше сопротивление шунта, тем большая часть тока пойдет в него и меньшая - в нагрузку

Т-41. Электрическая мощность-произведение напряжения на ток; единица измерения мощности -ватт.

    С одной стороны, мы знаем, что мощность - это работа, выполненная за единицу времени, и что единица измерения мощности- ватт соответствует работе в 1 джоуль за 1 секунду (Т-29) С другой стороны, напряжение - это есть работа, которую выполняет в электрической цепи каждый кулон движущихся зарядов, а ток - число кулонов, которое проходит по цепи каждую секунду (Т-30) Отсюда следует, что мощность, потребляемая участком цепи,- это произведение тока на напряжение, произведение числа кулонов в секунду на число джоулей, которое нарабатывает каждый кулон (Р-27) Мощность возрастает и с увеличением напряжения, и с увеличением тока Если неизвестен один из сомножителей в формуле мощности (ток или напряжение), можно определить его по одной из формул закона Ома (Р-22, 2,3) И тогда получатся две новые формулы для подсчета мощности (Р-27, 2, 3) Они поясняют, что при неизменном сопротивлении участка Я выделяемая в нем мощность Р связана с током I или напряжением ^квадратичной зависимостью (Р-27, 4, 5) при увеличении тока в два раза мощность возрастет в четыре раза, повышение напряжения в пять раз увеличит мощность в двадцать пять раз Здесь нет никакого противоречия с тем, что говорит первая формула для подсчета мощности (Р== LH) Потому что с увеличением тока в цепи всегда возрастает напряжение на участке и, значит, увеличение тока сразу по двум каналам, двумя «рычагами», влияет на мощность само по себе (растет число кулонов в секунду) и повышая напряжение (растет работоспособность каждого кулона) Напряжение также двумя «рычагами» влияет на мощность если увеличить напряжение на участке цепи, не меняя его сопротивления, то при этом сразу же мощность поднимется за счет увеличения работоспособности каждого заряда, и еще она увеличится потому, что с ростом напряжения возрастет и ток, увеличится число работающих кулонов Сама эта характеристика - «мощность» - может относиться и к генератору, и к нагрузке, и к любому другому элементу цепи Мощность генератора говорит о том, какое количество работы он может выполнить в электрической цепи каждую секунду Мощность, которая указана на пассивных элементах электрической цепи, на потребителях энергии - это то, что в нормальном режиме может переварить этот элемент Например, если на лампочке написано «100 Вт», это значит, что каждую секунду она может превращать в свет (и, к сожалению, в тепло) 100 джоулей электрической энергии А если подвести к такой лампочке большую мощность, увеличив, например, напряжение на ней, то лампочка просто выйдет из строя количество тепла, выделяемого в ней, возрастет и температура нити превысит расчетную величину

    Мощность, указанная на корпусе резисторов, также предостерегает от нарушения теплового режима (Р-27, 6) если превысить допустимую мощность, резистор может перегреться, его проводящий слой разрушится (это заметно внешне - чернеет окраска корпуса) и деталь выйдет из строя На схемах допустимую мощность резисторов указывают условными знаками Если же условного знака нет, то, значит, в данной цепи на резисторе выделяется ничтожно малая мощность и можно применять деталь любого типа

    В цепи, где есть жидкий или газообразный проводник, можно наблюдать движение зарядов в нем одновременно в двух противоположных направлениях - свободные электроны идут от «минуса» к «плюсу», положительные ионы - от «плюса» к «минусу» (Р-28. 1) Во многих случаях при тепловом действии тока, например, это не имеет значения - куда бы ни двигался заряд, он делает свое дело, работает Более того, рассматривая схемы электрических цепей, как правило, совсем не нужно знать подробности, не нужно знать, какие именно заряды создают ток электроны, положительные ионы или те и другие одновременно Поэтому, рассматривая схемы, обычно забывают о конкретных носителях заряда и представляют себе, что ток создается только одним сортом частиц, а именно положительно заряженными частицами Это, может быть, и несправедливо, потому что в большинстве реальных цепей ток создается электронами, отрицательно заряженными частицами Однако исторически получилось так, что главными были названы положительные частицы в то время не имели представления об электронной природе тока в проводниках И теперь нам ничего другого не остается, как считать, зачастую вопреки истине, что ток создают не электроны, а какие-то положительно заряженные шарики и что, конечно же, идет такой ток от «плюса» к «минусу» Тому, кто будет испытывать в связи с этим неудобства, ощущать внутренние протесты, можно предложить два утешения Во-первых, условное направление тока - это не более чем условное направление тока, мы пользуемся им в основном тогда, когда нужно водить пальцем по схеме, а при этом в реальной цепи жизнь идет своим чередом Во-вторых, рассматривая электрическую цепь и считая, что в ней от «плюса» к «минусу» двигаются положительные «шарики», мы получим точно те же результаты (те же величины токов и напряжений, те же полярности напряжений), как и в том случае, если бы считали, что ток создают электроны и идут они от «минуса» к «плюсу» (Р-28, 2, 3).

    Если расположить одну над другой две металлические пластины и на короткое время подключить их к генератору, то на пластинах накопится какое-то количество зарядов и они будут оставаться там довольно долго То, что заряды не уходят с пластин, можно упрощенно объяснить так пластины эти находятся близко, и разноименные заряды своими электрическими полями притягиваются друг к другу и не дают друг другу уйти с пластин Такой пластинчатый накопитель зарядов называют конденсатором (Р-29. 1) и на схемах обозначают буквой С (от слова capacitor - накопитель) Конденсаторы различаются формой пластин и веществом (изолятором), которое находится между ними Обкладки конденсатора - так часто называют его пластины - выполняют в виде дисков, вставленных друг в друга трубок, свернутых в спираль металлических лент (К-3).

Т-44. Емкость конденсатора характеризует его способность накапливать заряды; единица измерения емкости -фарада.

    Количество зарядов, которое накапливается на конденсаторе, зависит оттого, каким напряжением его заряжали чем больше это напряжение, тем больший заряд оно втолкнет на пластины при прочих равных условиях А еще количество накопленных зарядов зависит от свойств самого конденсатора О его способности накапливать заряды говорит особая характеристика-емкость конденсатора Единица электрической емкости-фарада,такая емкость будет у некоторого условного конденсатора, в котором под действием зарядного напряжения 1 вольт накопится заряд в 1 кулон (Р-29, 5) Емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь его пластин (иногда для увеличения этой площади делают конденсаторы с большим числом параллельно соединенных пластин) и чем меньше расстояние между ними (чем ближе пластины, тем сильнее притягивающее поле одной из них действует на заряды, которые находятся на другой) Кроме того, емкость определяется свойствами вещества между пластинами О них говорит характеристика вещества, которая называется диэлектрической постоянной е (С^) чем она больше, тем, при прочих равных условиях, больше емкость Так, например, если воздушный конденсатор (между пластинами - воздух) поместить в масло, то его емкость увеличится в два-три раза е масла в два-три раза больше, чем воздуха

    Особое место занимают электролитические конденсаторы, у которых много общего с химическими источниками тока В электролитических конденсаторах под действием приложенного постоянного напряжения происходят определенные электрохимические процессы, благодаря которым резко увеличивается емкость Поэтому электролитические конденсаторы включают в цепь таким образом, чтобы на них действовало постоянное напряжение Причем в определенной полярности тот вывод конденсатора, возле которого стоит знак «+», обязательно должен быть подключен к «плюсу» источника, тот, где указан «-», к «минусу» (К-3)

    Фарада (сокращенно-Ф) - единица чрезвычайно большая Если принять расстояние между пластинами в 1 мм, то для получения емкости в 1 Ф нужно было бы взять дисковые пластины диаметром чуть ли не в 30 километров Встречаемые на практике конденсаторы (электролитические) имеют емкость в несколько тысяч или, в лучшем случае, несколько десятков тысяч микрофарад(мФ) Важная характеристика конденсатора - его рабочее напряжение Оно обычно указано на корпусе, и превышать его при зарядке конденсатора нельзя Это может привести к пробою, к разрушению диэлектрика, пластины конденсатора замкнутся, и он превратится в обычный проводник (Р-29, 6)

    В момент, когда мы подключаем конденсатор к электрическому генератору, в цепи появляется некоторый зарядный ток-это свободные электроны идут к одной обкладке конденсатора и уходят с другой, происходит накапливание зарядов на обкладках (Р-29. 7) Зарядный ток будет протекать до тех пор, пока конденсатор не примет все, что он может принять, пока не запасет столько зарядов, сколько позволяет ему емкость Чем больше емкость, чем больше зарядов должен накопить конденсатор, тем дольше будет продолжаться процесс заряда, тем дольше будет существовать в цепи зарядный ток Но как только заряд конденсатора закончится, этот ток прекратится Если последовательно с конденсатором в зарядную цепь включить резистор, то он ограничит ток в цепи и процесс заряда конденсатора будет длиться дольше Если соединить обкладки заряженного конденсатора резистором, то начнется процесс разряда, по внешней цепи избыточные заряды будут переходить с одной обкладки на другую, стремясь нейтрализовать друг друга Во время разряда в цепи тоже течет ток и его величина также зависит от емкости и также ограничивается сопротивлением резистора Разряд конденсатора, подобно заряду, будет длиться тем дольше, чем больше емкость конденсатора (то есть чем больше зарядов должно уйти с обкпадок) и чем больше общее сопротивление разрядной цепи Быстрее всего разряд произойдет, если соединить обкладки накоротко Наблюдая за зарядом и разрядом конденсатора, мы впервые сталкиваемся с тем, что элементы электрической цепи определяют продолжительность тех или иных процессов, в данном случае время заряда и разряда Электрическая цепь, состоящая из С и R, или, как ее часто называют, RC-цепочка, в данном случае чем-то напоминает песочные часы, время «разряда» которых зависит от количества песка и диаметра отверстия, по которому он течет Не случайно произведение ЯСназывают постоянной времени

    Обдумывая очередной ход в шахматной партии, приходится учитывать множество возможных его последствий Точно также, изменяя сопротивление какого-либо участка сложной электрической цепи, приходится думать о том, что произойдет на всех других участках Потому, что элементы сложной цепи взаимосвязаны, они разными путями и в разной степени влияют на условия жизни своих близких и далеких соседей (Т-8) Научиться разбираться в электронных схемах, научиться, как принято говорить, свободно читать схемы - это прежде всего значит научиться быстро оценивать, как именно связаны между собой элементы сложной цепи, как они влияют на токи, напряжения, потребляемые мощности, - одним словом, на режим других элементов

    Именно на это направлено наше постепенное, шаг за шагом, путешествие в мир электротехники и электроники Несколько полезных шагов поможет сделать рисунок (Р-30), где показано, как тот или иной элемент цепи влияет на режим всех остальных

    Вдумайтесь в эти примеры, присмотритесь внимательно к тому, какие изменения происходят при переходе от одного из них к другому, и постарайтесь объяснить, почему именно так должны были измениться токи и напряжения,- для этого вам понадобится не более чем закон Ома Если ваши расчеты совпадут с тем, что указано на рисунках, то можете считать, что получили пятерку и сделали серьезный шаг вперед Но, конечно, главные шаги в изучении языка электрических и электронных схем еще впереди

(В главное меню)