Глава 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Величина, скорость и направление электрического тока

Выше уже говорилось, что электрическим током называется упорядоченное движение электронов из той точки, где их избыток, в ту точку, где их недостаток. Однако такое определение справедливо лишь для твердых проводников.

В жидких проводниках и .в газах природа электрического тока несколько иная. В них отдельные атомы и молекулы не связаны прочно между собой и могут участвовать в переносе электрических зарядов. Атомы или молекулы, получившие лишние электроны - отрицательные ионы,- движутся от минуса к плюсу. Положительные ионы, т. е. атомы или молекулы, потерявшие один - или несколько электронов, движутся от плюса к минусу. Поэтому более точно было бы определить электрический ток как упорядоченное движение электрических зарядов. Такое определение справедливо для всех типов проводников.

В зависимости от количества зарядов, протекающих по проводнику в единицу времени, различают ток большой величины, когда по проводнику проходит сразу много зарядов, и ток небольшой величины, когда их проходит сравнительно мало.

Но много и мало - это понятия очень относительные. Для точной характеристики какой-либо величины ее нужно выразить в соответствующих точных единицах. Длину, например, измеряют метрами, вес - килограммами;для измерения величины электрического тока установлена специальная единица - ампер (а).

Ампер - это такая величина электрического тока, при которой через поперечное сечение проводника за каждую секунду проходит один кулон электричества (или 6,3* 10? электронов).

Если известно, что за 20 сек через нить лампы прошло б к электричества, то величина тока равна

2 , , 19

в радиотехнике часто используются более мелкие единицы измерения величины тока: тысячная доля ампера - миллиампер (ма) и миллионная доля ампера-микроампер (мка).

Еще задолго до открытия электронов, наблюдая только внешние явления, сопровождающие электрический ток, люди условились считать, что ток течет от положительного полюса - плюса к отрицательному - минусу. Но с открытием электронов убедились, что в твердых проводниках электроны движутся от отрицательного полюса к положительному.

-Тыльное направ

Условное направление тона

Рис. 12. Направления движения электронов и тока

Таким образом, направление движения электронов оказалось обратным ранее принятому направлению тока. Чтобы не изменять установленных законов и правил, решили считать, что ток течет от плюса к минусу (рис. 12).

Хотя электрический ток в твердых проводниках и представляет собой движение электронов, однако скорость движения электронов и скорость распространения электрического тока - понятия разные. В проводнике, в любой его точке, свободные электроны движутся во всевозможных направлениях со сравнительно небольшой скоростью. Если же на концах проводника создать разность потенциалов, то вдоль проводника со скоростью, близкой к скорости света (около 300 ООО км/сек), будет распространяться уже знакомое нам электрическое поле, воздействующее на свободные электроны. Под влиянием электрического поля к беспорядочному движению электронов добавится еще упорядоченное, направленное в одну сторону. Это упорядоченное движение электронов происходит с очень малой скоростью, почти никогда не превышающей 1 см/сек.

Однако скоростью электрического тока являетсяне эта малая скорость движения электронов, а огромная скорость распространения электрического поля, которое приводит электроны в упорядоченное движение

Сопротивление

Многие вещества благодаря свободным электронам обладают способностью проводить электрический ток. Провода, сделанные из таких веществ, являются как бы каналами для прохождения электрического тока. Но каналы эти представляют собой не свободную дорогу, а большей частью очень трудный путь. Провод со-

стоит из ионов данного вещества, между которыми движутся свободные электроны. Поэтому, когда по проводу течет ток, электронам приходится, словно путнику через густые заросли кустарника, пробираться через густую рещетку ионов.

Движение электронов по проводу напоминает течение воды по трубе, плотно набитой камнями (рис. 13). Как камни препятствуют движению воды, так и ионный остов любого проводника мешает движению электронов, оказывает ему сопротивление.

Электроны продвигаются в проводе как бы с трением. При трении же каких-либо предметов всегда образуется тепло, следовательно, при прохождении электронов по проводнику также должно Рис. 13. Прохождение тока по проводу выделяться тепло и про- подобно течению воды по трубе, набитой водник должен нагреваться. камнями

Опыт показывает, что это

действительно так, причем с ростом величины тока количество тепла резко возрастает.

Явления теплового действия электрического тока впервые в мире исследовал и установил наблюдающиеся при этом количественные соотношения русский ученый Эмилий Христианович Ленд.

Сопротивление, которое оказывает проводник движению электронов, или просто сопротивление проводника, зависит от нескольких причин. Чем длиннее проводник и чем он тоньше (чем меньше площадь его сечения), тем больше его сопротивление. И, наоборот, чем проводник короче и толще, тем сопротивление его меньше. Но, кроме длины и толщины проводника, сопротивление его зависит еще от свойств вещества, из которого он сделан.

Чтобы выяснить способность различных веществ проводить электрический ток и определить, какое из веществ оказывает большее, а какое - меньшее сопротивление, их надо сравнивать при равных условиях, а именно: длина и толщина проводников должны быть одинаковыми. За стандартный размер проводника при сравнении сопротивлений различных веществ принята длина в один метр и сечение в один квадратный миллиметр. Сопротивление такого проводника называется удельным сопротивлением данного вещества.

Сравнивая удельные сопротивления различных веществ, можно установить, что меньше всего препятствуют движению электричества, а следовательно, обладают наименьшим сопротивлением провода из серебра и меди. Большее сопротивление имеют провода из специальных сплавов железа, никеля, хрома и некоторых других металлов.

За единицу электрического сопротивления, называемую омом, принято сопротивление ртутного столба с поперечным сечением

в один квадратный миллиметр и длиной в 106, 3 сантиметра. Тысяча Ом составляет килоом (ком), а миллион ом - мегом {Мом).

Зная длину, сечение и материал проводника, легко подсчитать его сопротивление. Для этого надо в специальных таблицах (табл. 1) найти удельное сопротивление данного материала, умножить его на длину проводника в метрах и произведение разделить на сечение проводника в миллиметрах.

Сопротивление (в омах)= Удельное сопротивление X Длина (в метрах) Сечение (в кв. миллиметрах)

Таблица 1

Удельное сопротивление проводников

Фарфор, слюда, резина и другие изоляторы обладают очень большим удельным сопротивлением; практически они вовсе не проводят электрического тока.

Разность потенциалов, электродвижущая сила и напряжение

Электрический ток может течь по проводнику только при условии, если на одном его конце имеется избыток, а на другом недостаток электронов или если на одном конце проводника имеется больший избыток электронов (меньший потенциал), чем на другом, т. е. когда на концах проводника существует разность потенциалов.

Разность потенциалов на разомкнутых зажимах источника электрической энергии называется электродвижущей силой (сокращенно ЭДС).

Источники электрической энергии бывают химические (гальванические элементы и аккумуляторы), в которых ЭДС образуется за счет происходящих в них химических реакций, и механические (электрические машины), в которых ЭДС вырабатывается в результате затраты механической энергии.

Вследствие разности потенциалов электроны перемещаются в электрической цепи от зажима с более низким потенциалом к зажиму с более высоким, создавая электрический ток.

Чтобы электрический ток не прекращался, разность потенциа лов поддерживается источником электрической энергии.

при разрыве проводника дорога электронам преграждается и ток прекращается, хотя разность потенциалов при этом существует.

Таким образом, для прохождения электрического тока по цепи необходимо, чтобы эта цепь была замкнута и чтобы в ней имелась разность потенциалов (или ЭДС).

Часть ЭДС источника электрической энергии (обычно незначительная) расходуется внутри самого источника на преодоление электронами его внутреннего сопротивления. Остальная часть тратится на преодоление сопротивления внещней цепи, т. е. на то, чтобы прогнать электроны через полезную нагрузку (через потребитель электрической энергии). Часть ЭДС, расходуемая во внешней цепи, называется напряжением, а часть ЭДС, расходуемая внутри источника, называется внутренним падением напряжения.

За единицу напряжения принят вольт. Один вольт - это напряжение, которое в цепи сопротивлением в один ом создает ток величиной в один ампер.

В радиотехнике часто приходится сталкиваться с очень небольшими напряжениями, В таких случаях в качестве единицы напряжения применяют доли вольта: тысячную - милливольт {мв) и миллионную - микровольт (ж/се).

Емкость и конденсатор

Одинаковые по размерам тела, заряженные одинаковым количеством электричества, обладают и одинаковым потенциалом. Маленькое тело, получив столько же электронов, сколько и большое, будет обладать большим потенциалом (рис. 14). При одинаковых потенциалах на большом теле размещается больше электронов, чем на маленьком, или, как говорят, оно обладает большей электрической емкостью.

Однако могут быть условия, когда емкость маленького тела окажется больше емкости большого.

Если металлический шар зарядить некоторым количеством электричества, то вследствие взаимного отталкивания заряды будут стремиться разойтись возможно дальше и равномерно распре-

Рис. 14. На маленьком теле электронам теснее (потенциал больше), они сильнее отталкиваются один от другого и поэтому переходят на большее тело, где электронов столько же, но им свободнее (потенциал меньше)

Рис. 15. На заряженном металлическом шаре заряды распределяются равномерно

делиться по всей поверхности шара. Во всех точках поверхности шара (рис. 15) установится определенный, соответствующий данному количеству электричества и размеру шара потенциал.

Если теперь к этому шару поднести другой такой же шар, но заряженный противоположным электричеством, то заряды вследствие взаимного притяжения переместятся на сближенные области шаров. В то же время удаленные области шаров опустеют и, следовательно, их можно будет, не изменяя потенциала шара, заполнить новыми зарядами (рис. 16). Но и эти заряды сместятся на сближенные области шаров и опять освободят удаленные области и т. д.

Рис. 16. Распределение зарядов на сближенных шарах, заряженных разноименными зарядами

Рис. 17. Устройство конденсатора

Таким образом, если два шара, заряженные разноименным электричеством, находятся в непосредственной близости, то из-за взаимного притяжения их зарядов на каждом из них можно поместить при одном и том же потенциале значительно больше электричества, чем если бы имелся только один шар. А это означает, что емкость разноименно заряженных шаров, находящихся в непосредственной близости, значительно возрастает.

На этом явлении основано устройство широко применяющегося в радиотехнике прибора - конденсатора.

Конденсаторы состоят из двух или нескольких пластин-обкладок, разделенных слоем изоляции (рис. 17). Присоединяя конденсатор к источнику электрической энергии, можно зарядить его довольно большим количеством электричества.

Количество электричества, которое может поместиться в таком конденсаторе, т. е. емкость конденсатора, зависит от площади его пластин, расстояния между ними и от свойств изоляционного материала, разделяющего пластины.

Чем больше площадь пластин и чем ближе они расположены одна к другой, тем сильнее взаимное притяжение зарядов и тем, следовательно, большее количество электричества может поместиться на пластинах, т. е. тем больше емкость конденсатора.

За основную единицу измерения емкостей принята фарада. Одна фарада - это емкость такого тела (конденсатора), в котором

при потенциале в один вольт умещается один кулон электричества.

Фарада - очень крупная единица, и таких емкостей практически не встречается. Поэтому для измерения емкостей пользуются миллионными долями фарады - микрофарадами (мкф) и миллионными долями микрофарады - пикофарадами (пф).

Химические источники электрической энергии

При растворении кислот, солей и щелочей в воде их молекулы распадаются на две частицы, заряженные разноименным электричеством. Как уже говорилось, такие заряженные частицы называются ионами. В водных растворах одним из ионов является ион металла или водорода, заряженный положительно (атомы этих веществ потеряли один или несколько электронов). Другим ионом является оставшаяся часть молекулы, получившая потерянные атомами металла или водорода электроны и поэтому заряженная отрицательно.

Водный раствор вещества с распавшимися на ионы молекулами сравнительно хорошо проводит электрический ток и называется электролитом.

При погружении в электролит какого-либо металла между электролитом и металлом начинается химическое взаимодействие. Например, при погружении цинковой пластинки в раствор серной кислоты атомы цинка, оставляя на пластинке по два своих электрона, начинают переходить в раствор в виде положительных ионов, в результате чего цинковая пластинка, обогащаясь электронами, заряжается отрицательно (рис. 18). В то же время раствор, получая положительные ионы цинка, заряжается положительно.

Такое растворение цинка будет продолжаться до тех пор, пока отрицательный заряд цинковой пластинки, а следовательно, и сила притяжения ею положительно заряженных ионов цинка не уравновесят стремления ионов цинка отрываться от пластинки и переходить в раствор.

Различные металлы обладают различной способностью растворяться в данном электролите и заряжаются до разных потенциалов. Следовательно, если в электролит погрузить две пластинки из различных металлов, то между ними появится некоторая разность потенциалов. Для каждой пары металлов характерна определенная разность потенциалов.

Одну из металлических пластинок можно заменить не растворяющейся в электролите угольной пластинкой. Тогда угольная пластинка приобретет потенциал раствора, а между ней и металлической пластинкой установится разность потенциалов, необходимая для уравновешивания стремления данного металла к растворению.

Рис. 18. Цинковая пластинка при погружении в раствор серной кислоты начинает растворяться и при этом заряжаться отрицательно

Рис. 19. Простейший источник электрической гальванический элемент и

химический энергии - услов-

его

ное изображение на схемах

Погрузив в раствор электролита две пластинки из различных металлов (или металлическую и угольную пластинки), получают простейший химический источник разности потенциалов, или химический источник электрической энергии, называемый гальваническим элементом. Наиболее употребительной парой, применяющейся в современных гальванических элементах, является цинк и уголь.

При соединении угольной и цинковой пластинок гальванического элемента внешним проводником электроны, скопившиеся на цинковой пластинке, начнут двигаться к угольной пластинке. Образующийся на цинковой пластинке недостаток электронов нарушит установившееся равновесие, и цинковая пластинка опять начнет отдавать свои ионы в раствор. В то же время приходящие на угольную пластинку электроны начнут соединяться с положительными ионами водорода, находящимися в растворе вблизиугольной пластинки, превращая их в нейтральные атомы (молекулы серной кислоты при растворении в воде распадаются на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислотного остатка). В результате на угольной пластинке будут выделяться пузырьки водорода. Следовательно, за счет химической реакции цинка с раствором серной кислоты на пластинках, или электродах, элемента будет поддерживаться постоянная разность потенциалов, или ЭДС.

Электродвижущая сила элемента зависит только от свойств веществ, из которых он состоит, и независит от его формы, размеров, конструкции и т. п.

На схемах химические источники электрической энергии изображаются в виде двух черточек: положительный электрод - в виде длинной и тонкой, а отрицательный - в виде короткой и толстой (рис. 19).

Закон Ома

Три рассмотренные выше основные электрические величины: ЭДС, величина тока и сопротивление цепи - взаимно связаны между собой. Эта зависимость определяется законом Ома и выражается формулой

Электродвижущая сила (в вольтах) Величина тока (вамперах= : Соцротивление цепи (в омах)

Электродвижущая сила источника электрической энергии, фигурирующая в этом соотнощении, состоит из напряжения, приходящегося на внешнюю цепь, и внутреннего падения напряжения в источнике электрической энергии.

Закон Ома справедлив не только для всей замкнутой цепи, но и для любой ее части. Только в этом случае вместо ЭДС источника электрической энергии необходимо брать напряжение между точками, ограничивающими участок, а вместо сопротивления всей цепи - сопротивление участка цепи между этими же точками.

Если, например, по какому-то участку, входящему в замкнутую электрическую цейь-, проходит электрический ток, то на концах этого участка неизбежно будет существовать напряжение (его часто называют еще падением напряжения на данном участке), равное произведению сопротивления этого участка на величину протекающего по нему тока.

Закон Ома является важнейшим законом электротехники.

Пример 1. Определить сопротивление лампочки от карманного фонаря, потребляющей при напряжении 3,5 в ток величиной 0,25 а. Решение. Пользуясь законом Ома, находим:

Сопротивление (в омах) = а ~

Пример 2. Какой ток пройдет через ту же лампу, если ее подключить к источнику напряжением 6,3 е?

Решение. Пользуясь законом Ома, находим: 6 3 в

Ток (в амперах) = ---= 0,45 a.

14 О Л/

Соединение проводников

Практически электрические цепи редко состоят только из одного проводника и обычно представляют собой комбинации проводников, соединенных между собой различными способами.

В любой радиосхеме также приходится сталкиваться с множеством различных деталей, соединенных между собой в определенной комбинации.

Одним из простейших вариантов соединения проводников является последовательное соединение, при котором конец одного проводника соединяется с началом второго, конец второго - с началом третьего и т. д. (рис. 20). При таком соединении проводников электронам приходится последовательно преодолевать все сопротивления, включенные в цепь. Поэтому общее сопротивление цепи, состоящей из последовательно СопротиЗленая

соединенных проводников, равно проводников

сумме сопротивлений отдельных

проводников.

Величина тока в цепи из по- п

Рис, 20. Последовательное соедине-следовательно соединенных про- ние проводников

1 В действительности ток будет несколько меньше, так как при увеличении температуры нити сопротивление ее возрастет.

водников везде одна и та же, так как все электроны, которые прошли по первому проводнику, пройдут и по второму, третьему и т. д.

Поскольку обшее сопротивление цепи равно сумме 9опротивле-ний отдельных проводников, а ток во всех проводниках один и тот же, то по закону Ома (напряжение = сопротивление X величина

тока) общее напряжение, действующее в

nSdHUHor И' Р^ио У^ падений напряжений на

-отдельных ее участках.

Другим простейшим вариантом соеди-нения является параллельное соединение, при котором одни концы всех проводников соединяются в один узел, а другие концы - Рис. 21. Параллельное в другой (рис. 21).

соединение проводников При ЭТОМ варианте электроны, дойдя до

узла, т. е. до места разветвления, дальше могут двигаться одновременно по всем параллельно соединенным проводникам. Так как по нескольким параллельным проводникам току пройти легче, чем по какому-нибудь одному из них, то их общее электрическое сопротивление всегда меньше сопротивления любого из них.

Если сопротивления параллельно соединенных проводников одинаковы, то их общее сопротивление во столько раз меньше сопротивления каждого из них, сколько проводников соединено.

Если, например, соединены параллельно три одинаковые лампы сопротивлением в 21 ом каждая, то общее сопротивление этих ламп

равно -д- = 7 ом.

Когда сопротивления проводников имеют разные величины, общее сопротивление приходится рассчитывать более сложным путем, а именно находить его из следующего равенства:

+ +

Общее сопротивление Первое сопротивление Второе сопротивление

+ ..........+ +

Третье сопротивление * * Последнее сопротивление

Напряжение на всех проводниках, соединенных параллельно, одинаково, так как оно подведено к концам каждого из них. Если сопротивления проводников разные, то и токи по ним под влиянием одного и того же напряжения пойдут разные, и чем меньше сопротивление проводника, тем больший пойдет через него ток. Другими словами, величины токов в параллельно соединенных проводниках обратно пропорциональны их сопротивлениям.

Так как электроны, дойдя до места разветвления, расходятся дальше по параллельным путям и никуда больше уйти не могут, а появиться лишним электронам также неоткуда, то величина тока в неразветвленной части цепи равна сумме величин токов в параллельно соединенных проводниках.