Страница 16 из 64
Л. — Вот почему произведение сопротивления R на емкость С названо «постоянной времени» цепи. Если выразить R в омах, а С в фарадах, то эта постоянная времени будет измерять время в секундах, нужное для того, чтобы напряжение на обкладках конденсатора достигло около 2/3 напряжения источника U.
Н. — Таким образом, при резисторе сопротивлением 10 000 ом и конденсаторе емкостью 2 мкф постоянная времени будет составлять 20 000 сек.
Л. — Ах, Незнайкин, какой позор! Микрофарада в миллион раз меньше фарады. И у цепи будет постоянная времени 20 000, деленные на 1 000 000, или 2/100 сек.
Н. — Прости мне эту маленькую ошибку… Я догадываюсь теперь, что для получения мгновенного разряда нужно замкнуть конденсатор на очень малое сопротивление.
Л. — Практически это можно сделать, замкнув выключатель К.
Н. — Или в моей гидравлической модели — вылив воду из резервуара С при помощи крана К с большой пропускной способностью.
Л. — Твоя аналогия достаточно приемлема.
Н. — Я все еще думаю о постоянной времени. Раз она выражает длительность заряда до уровня, равного двум третям напряжения источника, общая продолжительность заряда должна быть наполовину больше. Так, в примере, который мы рассмотрели, постоянная времени составляет 2/100 сек. Значит, конденсатор должен быть полностью заряжен 3/100 сек.
Л. — Неправильно! Трижды неправильно! Запомни, Незнайкин, что конденсатор никогда не заряжается до конца!
Н. — Что это, шутка? Я не могу попять, по правде говоря, почему по прошествии достаточного количества времени напряжение на обкладках конденсатора С не сможет достигнуть той же величины, что и у источника U.
Л. — Считаешь ли ты ток заряда постоянным?
Н. — Раз напряжение источника U постоянно, так же как сопротивление R и емкость С, то нет никакого основания считать, что величина тока изменяется.
Л. — А вот как раз основание и существует. То, что заставляет двигаться электроны через сопротивление по направлению к обкладке конденсатора, — это разность потенциалов между этой обкладкой и отрицательным полюсом источника U. В начале заряда эта разность потенциалов равна самому напряжению источника U. Но как только заряд начался, как только какое-то количество электронов накопилось на обкладках конденсатора, разность потенциалов уменьшается. И чем дольше длится заряд, тем меньше эта разность потенциалов. Что же произойдет с величиной тока?
Н. — Очевидно, она настолько же уменьшится. Итак, чем больше заряжен конденсатор, тем медленнее дальнейший темп заряда.
Л. — Будем считать, что наш источник напряжения равен 100 в. Если постоянная времени равна 2/100 сек, то через этот промежуток времени напряжение между обкладками конденсатора будет равно 65 в. Изморим его через следующие 2/100 сек; оно увеличится только на 2/3 разницы между 100 и 65 в. Мы получили около 89 в. Дадим возможность пройти еще 2/100 сек, и у нас будет 97 в.
Н. — Но это же никогда не кончится! Ведь в каждый данный промежуток времени мы будем увеличивать напряжение конденсатора только на одну часть того, чего ему не хватает, чтобы достигнуть напряжения источника. Для получения зарядного тока нужно, чтобы конденсатор не был полностью заряжен. А чтобы его зарядить полностью, необходим зарядный ток. Какой порочный круг!!!
Л. — Да, Незнайкин. Заряд конденсатора никогда не прекращается.
Н. — А мой резервуар С тоже никогда не будет заполнен водой до того же уровня, что и резервуар U. Ведь для того чтобы туда поступала вода, необходима разность уровней.
Л. — Вот кривая, показывающая закон изменения напряжения на конденсаторе во время заряда (рис. 32). Эту кривую называют «показательной» («экспоненциальной»)[5]. Точно так же кривая разряда тоже является экспонентной.
Рис. 32. Экспоненциальная кривая напряжения между обкладками конденсатора при заряде. За каждый интервал времени, равный постоянной времени Т, напряжение увеличивается на две трети того напряжения, которого еще не хватает до напряжения источника U.
Н. — Но ведь такие изменения напряжения не могут служить для управления перемещением пятна. Нам нужно линейное изменение напряжения, изображенное графически в виде прямой линии, а вовсе не эти экспоненциальные кривые.
Л. — Теоретически ты прав. Однако практически применяют и такие кривые, но при условии использования только небольшого начального участка, который можно рассматривать с известным приближением как прямой.
Н. — Подобно этому небольшая часть земной поверхности, которую может охватить наш взгляд, кажется плоской, хотя Земля и круглая.
Л. — Более того, удается исправить отсутствие линейности в развертках времени, создавая искусственно деформации обратного знака.
Н. — В заключение я должен сказать, что развертывающее устройство является очень простым приспособлением. Источник напряжения, конденсатор и сопротивление хорошо мне знакомы. Меня лишь слегка беспокоит разрядный выключатель. Каким образом можно открыть его и закрыть (на мгновение) 15 625 раз в секунду?
Л. — Ты, конечно, догадываешься, что это вовсе не механическое приспособление…
Н. — Да, это я понимаю. Электроника во всем, чего же еще! Но какая же вакуумная лампа будет выполнять в данном случае эту чудесную работу?
Л. — Это не вакуумная, а газоразрядная лампа. В простейших случаях это неоновая лампа.
Н. — Не может быть! Это из тех ламп дневного света, одну из которых я недавно разбил, так как она создавала массу помех?..
Л. — Неоновая лампа, которую мы применим, относится к другому типу ламп. Она выполнена в виде небольшой стеклянной колбы, содержащей два электрода в форме диска, спирали или цилиндра и наполненной неоном под слабым давлением.
Н. — И без нити накала?
Л. — Да, Незнайкин. Впрочем, нам с тобою уже приходилось помещать неоновую лампу за диском Нипкова, и у нее тоже не было нити. Неоновая лампа начинает светиться, когда напряжение между двумя электродами достигает некоторой величины, так называемого «напряжения ионизации» или «напряжения зажигания». В этот момент молекулы газа распадаются на положительные и отрицательные частицы (ионы и электроны), которые, перемещаясь по направлению к электродам противоположной полярности, образуют ток. Пространство между электродами становится тогда проводником. Чтобы ионизация (и свечение) прекратилась, следует снизить напряжение на некоторую величину. Например, для некоторых образцов ионизация происходит тогда, когда напряжение достигает 110 в. Чтобы прекратить ее и погасить лампу, нужно снизить напряжение до 80 в.
5
Она называется так потому, что в описывающем ее уравнении время фигурирует в показателе степени.