Страница 4 из 75
Примером простейшей схемы может служить изображенная на рисунке 6 схема карманного фонаря. Если замкнуть выключатель Вк1, то в цепи карманного фонаря появится ток и лампочка Л1 засветится. Свечение лампочки объясняется тем, что ее нить оказывает большое сопротивление движущимся зарядам. Дело в том, что заряды не двигаются по Проводнику беспрепятственно: то и дело они ударяются о встречные атомы или сталкиваются между собой. Из-за всех этих ударов и столкновений часть энергии движущихся зарядов превращается в тепло, подобно тому как превращается в тепло часть энергии молота, ударившего по наковальне (рис. 6).
Рис. 6. Движущиеся в электрической цепи заряды ударяются о неподвижные атомы проводника, благодаря чему проводник, по которому течет ток, например нить лампочки, нагревается.
Способность какого-либо участка электрической цепи препятствовать движению зарядов называется электрическим сопротивлением. Сопротивление нити лампочки довольно велико, а диаметр этой нити очень мал. Поэтому нить отбирает у тока много энергии и в то же время плохо излучает тепло. Нагревшись до высокой температуры, нить лампочки начинает светиться. Таким образом и преобразуется энергия движущихся зарядов, то есть энергия электрического тока, в свет и тепло. Само собой разумеется, что сопротивление соединительных проводов должно быть как можно меньше, чтобы они не отбирали энергию у движущихся зарядов.
На первый взгляд может показаться странным, как это движущийся электрон, обладающий ничтожной массой, нагревает до высокой температуры нить лампочки или спираль электроплитки. Конечно, если бы речь шла об одном электроне, то эти сомнения были бы оправданы. Действительно, энергия одного электрона настолько мала, что ее не стоит и учитывать. Но ведь по нити лампочки или по спирали плитки одновременно движется очень много электронов. Настолько много, что их количество может выражаться числом, у которого после единицы стоят десятки нулей! И хоть мал работник — электрон, а с такой огромной армией уже не считаться нельзя — она может проделать весьма значительную работу.
Другой путь использования энергии движущихся зарядов — это превращение ее в механическую работу. Для этой цели служат электрические двигатели, которые с помощью тока вращают колеса электровоза, поднимают ковши гигантских экскаваторов или приводят в движение винты атомохода «Ленин».
При упорядоченном движении электрических зарядов по проводнику он не только нагревается, но и приобретает магнитные свойства — становится своего рода магнитом (рис. 7).
Рис. 7. Вокруг движущихся зарядов возникает магнитное поле. Как и обычный магнит, проводник, по которому течет ток, обладает магнитными свойствами: он может поворачивать стрелку компаса, притягивать железные предметы или другие проводники, по которым течет ток.
Если взглянуть на постоянный магнит, например на стрелку компаса, то может показаться, что магнетизм не имеет ничего общего с электричеством. В действительности же магнитные свойства любого постоянного магнита связаны с движением зарядов и, в частности, с движением электронов вокруг атомного ядра. Магнитные свойства Земли, благодаря которым стрелка компаса всегда поворачивается на север, также обусловлены мощными токами, которые существуют как внутри земного шара, так и в атмосфере.
Если взять два проводника, по которым течет электрический ток. то они будут взаимодействовать между собой как два магнита, то есть будут взаимно притягиваться или отталкиваться (в зависимости от направления тока). Это явление и используется в электрических двигателях, где силы взаимного притяжения или отталкивания постоянного магнита и проводника с током или еще чаще одних только проводников с током выполняют нужную нам механическую работу (лист 13).
Самое сложное электротехническое устройство с множеством генераторов, двигателей, переключателей, нагревательных и осветительных приборов различных типов всегда можно рассматривать как комбинацию сравнительно простых цепей. Сложные и простые электрические цепи в свое время были тщательно изучены. Результатами такого изучения явились несколько основных законов, основных правил, которым подчиняются электрические процессы. С некоторыми из этих правил мы сейчас познакомимся.
В качестве примера простой цепи возьмем уже известный нам карманный фонарик, в котором имеется и источник тока — батарейка — и так называемая нагрузка — лампочка, потребляющая электрическую энергию батареи, и соединительная линия — два провода, по которым электроны идут «на работу» и «с работы», то есть по одному проводу двигаются от батареи к нагрузке, а по другому — от нагрузки к батарее.
Прежде чем рассматривать законы электрической цепи, нам необходимо научиться количественно оценивать происходящие в ней процессы. Пока мы лишь общими фразами описывали характеристики электрических цепей и то, что в них происходит.
Мы говорили, например, что на стеклянной палочке сосредоточен сильный заряд или, наоборот, слабый заряд, что проводник хорошо проводит ток или, наоборот, плохо проводит ток, что ток в цепи велик или мал. Таких общих слов, как «большой», «малый», «сильный», «слабый», «много», «мало» и др., очень часто оказывается недостаточно ни в технике, ни в повседневной жизни. Ведь вы же не можете прийти в магазин и потребовать: «Отпустите мне мало хлеба» или «Продайте мне много манной крупы». Вы должны назвать точную цифру и указать единицу измерения — килограмм, грамм, литр, метр и т. д. Точно так же, описывая какую-нибудь электрическую цепь, мы должны точно оценивать протекающий в ней ток, сопротивление всей цепи и отдельных ее участков, мощность, потребляемую нагрузкой и теряемую в соединительных проводах, и ряд других величин.
Единицей измерения электрического сопротивления служит ом (листы 14,15). Вместо слова «ом» иногда ставят греческую букву «омега» — Ω. Более крупными единицами являются килоом (ком) и мегом (Мом). Для характеристики этих величин укажем, что сопротивление накаленной нити лампочки карманного фонаря примерно равно 20 ом, а кусок медной проволоки диаметром 1 мм и длиной 1 м обладает сопротивлением около 0,02 ом (лист 17). Если же такой провод протянуть от Москвы до Владивостока (расстояние около 10 000 км), то его сопротивление уже составит 200 ком (или 0,2 Мом). Сопротивление провода растет не только при увеличении длины, но и при уменьшении его диаметра (лист 16) — чем тоньше проводник, тем труднее электронам двигаться в нем. Кроме того, сопротивление зависит еще и от материала, из которого сделан проводник (сопротивление медного провода меньше, чем железного, но больше, чем серебряного), и от его температуры (при нагревании большинство материалов увеличивает свое сопротивление). В формулах и на схемах, а иногда и в тексте сопротивление сокращенно обозначается буквой R, первой буквой латинского глагола resistere — сопротивляться.
В ряде случаев для отдельных элементов электрической цепи достаточно знать только их сопротивление — сопротивление нити лампочки, обмотки электродвигателя, соединительных проводов и т. п. В подобных случаях все эти элементы на схемах изображают в виде небольших прямоугольников, которые являются условными обозначениями любых сопротивлений (лист 18).