Страница 5 из 75
В качестве единицы электрического заряда (заряд обозначается буквой q) можно было бы взять электрон, заряд которого при любых условиях остается неизменным. Однако заряд электрона очень мал, и на практике пользуются более крупной единицей — кулоном (к), который равен более чем шести квинтиллионам (квинтиллион — это миллиард миллиардов, единица с восемнадцатью нулями!) зарядам электрона (лист 19).
Электрический ток — это упорядоченное движение свободных зарядов по проводнику, и, чем более массовый характер носит это движение, тем сильнее ток. Величина тока (обозначается буквой I) или, как иногда говорят, сила[3] тока, измеряется в амперах (а) и более мелких единицах — миллиамперах (ма) и микроамперах (мка). Ток в проводнике равен 1 а в том случае, если через поперечное сечение этого проводника каждую секунду проходят частицы с общим зарядом 1 к, (например, 6 280 000 000 000 000 000 электронов (рис. 8, лист 20). Если же за одну секунду пройдет заряд, больший чем 1 к, или, наоборот, если 1 к пройдет за время, меньшее чем 1 сек, то значит, ток в цепи больше одного ампера. Для иллюстрации единиц измерения тока приведем следующие цифры: ток, который проходит по нити лампочки карманного фонаря, примерно равен 100–200 ма (0,1–0,2 а); ток в проводах, идущих от мощной электростанции, может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер; ток, который под действием радиоволн появляется в антенне приемника, обычно не превышает тысячных долей микроампера.
Для измерения величины тока существует специальный прибор — амперметр (миллиамперметр, микроамперметр). Прибор этот включают в электрическую цепь так, чтобы через него проходил весь ток, который нужно измерить. Амперметр как бы подсчитывает число проходящих через него зарядов, и стрелка прибора показывает величину тока в цепи. Чем сильнее ток, тем больше зарядов проходит через амперметр, тем дальше отклоняется его стрелка (лист 21).
Рис. 8. Величина (сила) тока говорит о скорости и «массовости» движения электрических зарядов в цепи. Величина тока в проводнике равна 1 а, если за одну секунду через условное поперечное сечение этого проводника проходит заряд 1 кулон.
Заряд, ток, сопротивление — это пока все, чем мы можем характеризовать электрическую цепь. Большинство других характеристик связано с той работой, которую выполняют заряды, движущиеся по цепи.
Всякую работу можно приравнять к поднятию определенного груза на определенную высоту. Так, например, велосипедист, ехавший по шоссе в течение часа, выполнил работу, равносильную поднятию груза в 500 кг на высоту 5.и, а трактор за один час вспашки целины выполняет такую же работу, какую нужно было бы затратить на поднятие груза в 50 т на высоту 50 м.
Примерно такую же работу выполнит источник тепла, который доводит до кипения бочку воды. Единицей измерения работы является джоуль (дж), соответствующий поднятию груза около 100 г на высоту 1 м (лист 22). Поэтому, когда вы поднимаете со стола стакан молока и подносите его ко рту, то совершаете работу, примерно равную 1 дж. Работа в 1 дж сравнительно невелика. Так, например, для того чтобы в электрическом чайнике вскипятить 5–6 л воды, проходящий по нагревателю этого чайника ток выполняет работу около миллиона джоулей!
О возможностях того или иного человека выполнять физическую работу можно судить по его мускульной силе. Работоспособность двигателя внутреннего сгорания в основном зависит от числа цилиндров, их диаметра и степени сжатия горючей смеси в цилиндрах. Работу, которую может выполнить гидравлическая (водяная) турбина, определяется площадью ее лопаток и давлением воды на эти лопатки.
От чего же зависит та полезная работа, которая может выполняться в электрической цепи? Прежде всего она зависит от способности источника тока двигать заряды. Так, например, чем сильнее отрицательный электрод гальванического элемента «выталкивает» электроны и чем сильнее они «притягиваются» положительным электродом, тем большую работу смогут выполнить эти электроны, двигаясь по электрической цепи. Эта способность источника «выталкивать» и «притягивать» заряды, то есть его способность выполнять работу, перемещая по цепи определенный электрический заряд, характеризуется величиной электродвижущей силы (часто пишется сокращенно — э. д. с., или обозначается буквой Е), единицей измерения которой (лист 23) является вольт (в). Более мелкими единицами являются милливольт (мв) и микровольт (мкв), а более крупной единицей — киловольт (кв).
Если при перемещении заряда в один кулон (например, 6 280 000 000 000 000 000 электронов) источник тока выполнит работу в 1 дж (подъем груза в 100 г на высоту 1 м), то такой источник обладает работоспособностью, а говоря официально, — электродвижущей силой, в 1 в (рис. 9).
Рис. 9. Величина электродвижущей силы (э.д.с.) характеризует способность источника электрической энергии совершать работу при перемещении зарядов.
Величину э.д.с. можно измерить специальным прибором — вольтметром, который подключается к выходу источника тока, то есть между его зажимами[4]. При этом по электрической цепи вольтметра течет ток. В зависимости от работы, выполняемой зарядами, отклоняется стрелка вольтметра. По шкале прибора, размеченной в вольтах, стрелка показывает э. д. с. источника (лист 24). Вольтметр обычно конструируют так, чтобы при измерениях он потреблял от источника тока как можно меньше энергии.
Теперь, когда мы уже знаем, что такое заряд, сопротивление, ток и электродвижущая сила и какими единицами они измеряются, можно познакомиться с основными соотношениями в электрических цепях, с основными законами электротехники.
Первый и, пожалуй, самый важный из них — это закон Ома. Им приходится руководствоваться при рассмотрении всех без исключения цепей электро- и радиоаппаратуры. Недаром у радиолюбителей в отношении закона Ома существует такая суровая поговорка: «Не знаешь закон Ома — сиди дома!»
Давайте вернемся к нашему «подопытному» карманному фонарику (рис. 6). От чего зависят основные характеристики этой электрической цепи: э. д. с., сопротивление и ток? Очевидно, э. д. с. зависит от активности химических реакций в батарейке, а сопротивление нити лампочки — от ее материала, длины, диаметра и температуры. А от чего же зависит ток в цепи? Попробуем разобраться.
Источником тока является батарея — именно она заставляет электроны двигаться по цепи. Сама же электрическая цепь, и особенно лампочка, обладая определенным сопротивлением, в какой-то степени препятствует движению электронов. Чем больше э. дс. (Е) батареи, тем большей работоспособностью будет обладать каждый движущийся заряд, тем легче он преодолеет все препятствия и быстрее пройдет по цепи. А чем быстрее движутся заряды, тем большее их количество проходит через любую точку цепи, тем, следовательно, больше ток (I).
Совершенно иначе влияет на ток сопротивление цепи. Чем больше сопротивление лампочки (R). тем труднее двигаться зарядам, тем меньше их скорость, а следовательно, тем меньше и ток.
Таким образом, величина тока в цепи зависит от электродвижущей силы Е и сопротивления R. С увеличением э.д.с. ток растет, а с увеличением сопротивления уменьшается. Эта зависимость, называемая законом Ома для всей цепи (лист 25), может быть выражена очень простой формулой:
3
Здесь слово «сила» имеет тот же смысл, что и в выражении «сильный дождь», то есть дождь, при котором на землю падает много воды.
4
Выходными зажимами источника тока называют зажимы, гнезда, металлические лепестки или, наконец, просто провода, к которым подключается внешняя цепь.