Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина - Рудольф Сворень

То же самое произошло бы с электронами, образующими ток, если бы все избыточные заряды накапливались на электродах батарейки: переход электронов с «минуса» батареи, где их много, в провод цепи равносилен падению саней с обрыва, а дальше по проводам и особенно через лампочку ничем не подталкиваемые электроны двигаться не смогут, так же как сани сами по себе не могут двигаться по ровной местности.

Для того чтобы сани двигались все время, нужно, чтобы все участки дороги имели уклон.

Точно так же электроны двигаются по всей цепи лишь в том случае, если на концах любого ее участка имеется избыток или недостаток зарядов, то есть если на этом участке действует какая-то электродвижущая сила и выполняется работа для преодоления встречающегося сопротивления (рис. 14).

Рис. 14. Избыточные заряды — электроны и положительные ионы — не концентрируются на электродах батареи, а распределяются вдоль всей цепи так, что свободные электроны, образующие ток, на всем пути «подталкиваются» или «подтягиваются» от отрицательного электрода к положительному.

Вот эту-то электродвижущую силу мы и называем напряжением на участке цепи. Термин «э.д.с.» применяется только по отношению к самому источнику тока, да и то лишь в том случае, когда к нему не подключена электрическая цепь.

Но откуда берутся в электрической цепи избыточные заряды, которые могут создавать напряжение на отдельных участках?

Ну конечно же, это «продукция» нашей батарейки, результат происходящих в ней химических реакций. Лишние электроны, так же, как и атомы с недостающими электронами, не концентрируются только на электродах батарейки — в цепи «обрывов» нет! Сразу же после подключения батарейки с ее отрицательного электрода в один конец цепи моментально «хлынут» электроны, а с другого конца цепи электроны так же стремительно уйдут на положительный электрод, оставив в проводниках лишние положительные ионы. В результате этого избыточные заряды, появляющиеся на электродах батарейки, мгновенно распределяются по всей замкнутой цепи. Где бы ни находился электрон, он всегда «подталкивается» по направлению от отрицательного электрода к положительному, так же как сани по наклонной дороге все время катятся сверху вниз.

Для того чтобы картина спуска саней больше походила на движение электронов в цени, нужно представить себе, что сани спускаются не по снегу, а по дороге с участками из различных шероховатых материалов, например из асфальта, дерева, листового железа и т. п., аналогично тому, как движущиеся электроны на различных участках цепи преодолевают разное сопротивление проводника.

Для того чтобы сани по всему пути двигались с одинаковой скоростью, нужно, чтобы участки из очень шероховатого материала (например, асфальта) имели сравнительно большой уклон, а участки из более скользкого материала (например, листового железа) — меньший уклон. Точно так же напряжение на том или ином участке электрической цепи должно быть тем больше, чем больше сопротивление этого участка. Только при этом условии скорость движения электронов, то есть величина тока, во всей цепи будет неизменной. А то, что ток в любой точке цепи должен быть одинаковым, не требует особых пояснений. Ведь если в какой-нибудь точке цепи электроны вдруг начнут двигаться медленней, то электроны будут здесь непрерывно накапливаться, и через некоторое время этот участок станет источником тока. А такого, конечно, не бывает.

В замкнутой электрической цепи избыточные заряды, поступающие от батарейки, сами распределяются так, что во всех точках этой цепи протекает одинаковой силы ток. При этом, естественно, на участках с большим сопротивлением действует и большее напряжение. Это вполне согласуется с приведенной ранее формулой U = I·R. Напряжение U на каждом участке цепи так же, как и э.д.с. батареи, может быть измерено вольтметром. Для того чтобы до конца использовать наше сравнение, укажем, что увеличить скорость движения саней можно путем создания более высокого спуска или более скользкой дороги.

Точно так же для увеличения тока можно увеличить э.д.с. источника или уменьшить общее сопротивление цепи. Зависимость напряжения на том или ином участке цепи от сопротивления этого участка широко используется в так называемых делителях напряжения (листы 31, 33).

Примером такого делителя может служить наша цепь, состоящая из двух лампочек, на каждой из которых действует напряжение по 2,25 в (рис. 15, левая схема). Если бы сопротивление лампочки Л1 было в два раза больше, чем сопротивление лампочки Л2, то на первой из них действовало бы напряжение 3 в, а на второй — 1,5 в (рис. 15, правая схема). Подбирая определенным образом сопротивление цепи, с делителя можно получить напряжение, которое будет во сколько угодно раз меньше, чем э.д.с. батареи.

Рис. 15. Чем больше сопротивление участка цепи, тем большая часть э.д.с. затрачивается, чтобы преодолеть это сопротивление, тем, следовательно, больше падение напряжения (напряжение) на данном участке. Подбирая соединенные последовательно сопротивления, можно величину э. д. с. «разделить» в нужной пропорции.

Важно отметить, что относительно средней точки (точка б) напряжение на верхней лампочке будет положительным, а на нижней — отрицательным. Это равносильно тому, что человек, стоящий в середине нашего условного спуска, сможет увидеть и более высокую точку (начало спуска), и более низкую точку (конец спуска).

Если каждый участок электрической цепи, на котором действует какое-либо напряжение, является своего рода источником тока, то нельзя ли подключить к нему нагрузку? Вообще-то говоря, можно, но при этом уменьшится напряжение на участке, к которому эта нагрузка подключается. Для того чтобы понять, почему это происходит, давайте проделаем простейший опыт — параллельно одной из лампочек, например Л2, подключим третью лампочку Л3 (рис. 16).

Рис. 16. При подключении шунта параллельно какому-то элементу цепи уменьшается ток через этот элемент, а также уменьшается общее сопротивление участка.

Мы надеемся, что при этом напряжение, действующее на Л2, вызовет слабое свечение лампочки Л3. Однако этого не произойдет: после подключения Л3, погаснет и лампочка Л2. Вместе с тем лампочка Л1 начнет светиться ярче. Оказывается, после подключения Л3, напряжение на первой лампочке возросло, а на второй уменьшилось. Чем же вызвано такое перераспределение напряжений?

Мы знаем, что напряжение на участках цепи зависит от их сопротивления. С лампочкой Л1 мы ничего не делали, и сопротивление ее возрасти не могло, а поэтому остается сделать лишь один вывод: при подключении Л3 сопротивление правого участка цепи (участок бв) уменьшилось, что и привело к перераспределению напряжений, так же как это было бы в любом другом делителе.

Уменьшение сопротивления правого участка вполне объяснимо: включить две лампочки параллельно равносильно тому, что взять одну лампочку с более толстой нитью. Для расчета общего сопротивления двух параллельно включенных лампочек (или других элементов цепи) существует простая формула (листы 29, 30)

Ток на правом участке цепи разветвится — часть его пойдет через Л2, а часть через Л3. Если лампочки эти разные, ток большей силы пойдет через ту, которая имеет меньшее сопротивление. Если же сопротивления равны, то через лампочки Л2 и Л3 пойдет одинаковый ток. Однако при любом соотношении сопротивлений (а следовательно, и токов) на параллельно соединенных элементах цепи всегда действует одинаковое напряжение. Да иначе и быть не может! Ведь для общего тока, то есть для тока, который и определяет падение напряжения на том или ином участке цепи, важно общее сопротивление этого участка, независимо от того, какие в него входят потребители энергии и как они между собой соединены.

Сопротивление, подключаемое параллельно какому-нибудь участку цепи, называют шунтом, а сам процесс подключения параллельно сопротивления — шунтированием (листы 32, 34).

Так, например, можно сказать, что лампочкой Л3 мы зашунтировали лампочку Л2. Слово «шунт» в переводе означает «ответвление», «обходной путь».

Рассмотренные процессы позволят нам объяснить еще одно очень интересное явление. Попробуйте подключить к батарейке две, затем три и, наконец, четыре лампочки, соединенные параллельно. Вы сразу же заметите, что чем больше лампочек, тем слабее светится каждая из них. Все это может показаться совершенно необъяснимым. Ведь на всех лампочках действует одинаковое напряжение, равное э.д.с. батарейки, и казалось бы, что ток, проходящий через каждую из них, должен быть одинаковым — величина тока определяется по закону Ома независимо от числа подключенных лампочек. Однако в действительности это не так. Напряжение на лампочках не равно величине э.д.с. Чем больше лампочек мы подключаем к батарейке, то есть чем больше общий ток, потребляемый от нее, тем меньшее напряжение действует между выходными зажимами.