ичественные характеристики — электрическое сопротивление цепи и её электрическая проводимость.
ВК-65.При последовательном соединении источников тока (генераторов) их э.д.с. суммируется, но допустимый потребляемый ток остаётся без изменений. При параллельном их соединении общая э.д.с. такая же, как у одного из источников тока (генераторов), но зато увеличивается допустимый потребляемый ток — каждый из генераторов отдаёт лишь часть довольно большого общего тока. Кроме того, общее внутреннее сопротивление становится меньше (ВК-58), и на нём теряется меньшая часть э.д.с.
Известная шутка рассказывает, как оптимист и пессимист отреагировали на предложенные каждому полстакана сока. Пессимист огорчился: «Дело плохо, полстакана уже нет». Оптимист обрадовался: «Ура! Пол стакана ещё есть!» Примерно так же оценивают электрическую цепь две её характеристики: проводимость говорит о том, насколько цепь содействует появлению тока, и сопротивление говорит о том, насколько эта же цепь препятствует, сопротивляется току.
В технике, в литературе можно встретить обе эти характеристики, но чаще используется одна из них — сопротивление. Кому-то покажется несправедливым говорить о сопротивлении касательно электрической цепи, которая участвует в создании тока, содействует ему. Но что поделаешь — так сложилось, да и пользоваться характеристикой «сопротивление» удобнее, во всяком случае — привычнее.
Электрическое сопротивление — характеристика и всей цепи в целом, и отдельных её участков. Сопротивление — итоговая характеристика, в ней учтено множество различных сложных процессов. Таких, например, как уход электронов с внешних орбит некоторых атомов, собственные тепловые колебания атомов и молекул, сложность атомов, из которых состоит вещество, наличие в этом веществе каких-либо примесей. Просуммировав все эти факторы, характеристика «сопротивление» говорит о том, насколько легко генератору создавать ток в данном участке электрической цепи или во всей цепи.
Даже не вдаваясь в подробности, можно представить себе, что ток создаётся тем легче, чем легче внешние электроны покидают атом и чем больше этой свободной рабочей силы блуждает в межатомном пространстве (Т-8). И ещё, ток создаётся тем легче, чем меньше размеры атома и чем дальше атомы расположены один от другого, — в этом случае электрону легче двигаться в межатомном пространстве.
ВК-66.При анализе событий в электрической цепи часто пользуются понятием «потенциал», имея при этом в виду напряжение в какой-либо точке относительно другой точки, обычно заранее названной. Кроме того, потенциал аналогичным способом может оценивать состояние электрического поля в определённой точке. Во всех случаях потенциал измеряется в вольтах и говорит о том, какую работу (в джоулях) может выполнить электричество, выталкивая из данной точки или притягивая к ней заряд в один кулон.
Как мы вскоре увидим, да и по логике вещей ясно, что чем меньше сопротивление какого-либо проводника, тем легче генератору создавать в нём ток, тем больше будет этот ток при прочих равных условиях.
Единица сопротивления — ом (Ом). Это фамилия немецкого физика Георга Ома (1787–1854), исследовавшего, в частности, электрические цепи. Как видите, полное и сокращённое написание этой единицы одинаковы, но только сокращённое название согласно традиции пишется с большой буквы. Подобно единицам мощности, тока, э.д.с. и других, единица сопротивления ом тоже производная величина — она получена из двух других единиц системы СИ. Проводник имеет сопротивление 1 ом, если под действием электродвижущей силы 1 вольт в этом проводнике появится ток силой 1 ампер (в этом определении может оказаться некоторая неточность, но устранить её мы сможем чуть позже; Т-54). Если под действием э.д.с. 1 В в цепи пойдёт ток 0,5 А, то, значит, сопротивление цепи составляет 2 Ом. А если при той же э.д.с. 1 В появится ток силой 10 А, то, сопротивление проводника составляет 0,1 Ом.
Нетрудно представить 1 Ом, так сказать, в живом виде — такое сопротивление имеет кусок медного провода диаметром ОД мм и длиной 45 см. Нить лампочки карманного фонаря обычно имеет сопротивление в несколько десятков ом, лампочки для домашней электросети — несколько сот ом, а некоторые токопроводящие детали электронных схем имеют сопротивление в тысячи и миллионы ом. В диэлектриках тоже есть какое-то количество свободных зарядов, но их настолько мало, что сопротивление диэлектрика в большинстве случаев можно считать бесконечно большим. Ну а если такой приближённой оценки недостаточно, то можно и измерить большое сопротивление диэлектрика. У пластмассового бильярдного шара, например, оно наверняка составит несколько миллиардов ом.
ВК-67. Разбираясь в электрических или электронных схемах, удобно водить по ним пальцем, выясняя путь токов и появление напряжений на участках цепи. Так сложилось, что при разборе схем за направление тока принято не движение электронов от «минуса» к «плюсу», а сравнительно редкое движение положительных зарядов (в жидких проводниках и газах) от «плюса» к «минусу» — именно этим условным направлением тока всегда пользуются при описании схем в учебной и технической литературе.
Т-54. Единица электрического напряжения — вольт (В). Единицу для оценки электрического напряжения ввести нетрудно — это тот же вольт, с помощью которого мы оценивали электродвижущую силу (Т-52). Проблема в том, чтобы пояснить саму характеристику напряжение, а для этого придётся немного оглянуться назад.
Давайте в электрическую цепь, в которой один гальванический элемент Б1, включим три лампочки Л1, Л2 и Л3, соединённые последовательно. Электроны, отправившись в путь с «минуса» батареи, последовательно проходят сначала Л1,затем Л2 и, наконец, Л3,после чего уходят в «плюс» батареи. Будем считать, что сопротивление нити у всех лампочек одинаковое, например по 5 Ом. Процессы в этой схеме настолько интересны и важны, что вскоре мы рассмотрим их очень подробно (Т-68, Т-69). А пока вооружимся ещё незнакомым нам прибором для измерения э.д.с. — вольтметром. Для начала подключим его к самому нашему генератору — к гальваническому элементу Б1. Прибор, как и следовало ожидать, покажет электродвижущую силу элемента (батареи) 1,5 В — на то он и вольтметр. Если окажется, что вольтметр покажет несколько меньшую величину, не спешите с диагнозом о его неисправности — при включении электрической цепи бывает, что некоторая часть электродвижущей силы остаётся в самом генераторе.
Теперь поочередно будем подключать вольтметр к лампочкам Л1, Л2 и Л3 — во всех трёх случаях прибор покажет одну и ту же величину 0,5 В. Это значит, что генератор Б1, продвигая электроны по цепи, поровну распределил свои усилия между тремя одинаковыми потребителями энергии (у всех трёх одно и то же сопротивление — 5 Ом). Поскольку их три и они одинаковы, то каждому досталась третья часть той энергии, которую затрачивает генератор, продвигая электроны по всей последовательной цепи. И в каждой лампочке при накаливании её нити выполняется третья часть той работы, которая выполняется во всей цепи. Зная Э.Д.С., можно сказать, что при прохождении одного кулона во всей цепи выполняется работа 1,5 джоуля, и третья часть (0,5 Дж) приходится на долю каждой лампочки. Эта третья часть общей работы и есть напряжение на лампочке. Поэтому к какой бы лампочке мы ни подключили вольтметр, он покажет 0,5 В — третью часть электродвижущей силы генератора.
Коротко говоря, напряжение на каком-либо участке электрической цепи есть часть э.д.с., которая досталась этому участку. Или, что то же самое, напряжение в вольтах — это работа в джоулях, которая выполняется на участке цепи, когда по нему проходит заряд 1 кулон.
В заключение знакомства с первым нашим комплектом единиц измерения (метр, килограмм, секунда, кулон, ампер, ньютон, джоуль, ватт, вольт, ом) уточним, как было обещано, определение единицы сопротивления 1 ом. Чуть выше говорилось, что это такое сопротивление, в котором под действием э.д.с. 1 В идёт ток 1 А. Можно сказать об этом более спокойно: в проводнике сопротивлением 1 Ом идёт ток 1 А, если напряжение на концах этого проводника 1 В.
ВК-68.Если ток создают оба вида свободных зарядов — положительные и отрицательные, то, определяя силу тока, нужно учитывать и те и другие. Потому что оба вида зарядов одинаково хорошо работают, упорядоченно двигаясь (хоть и в разные стороны) под действием электрических сил. И те и другие заряды ударяются о неподвижные атомы, что удобно считать причиной появления тепла. И те и другие заряды в районе химических реакций участвуют в создании электрических сил генератора.
Т-55. Зноя основную единицу измерения, можно легко получить более мелкие и более крупные единицы. В системе СИ единица длины — метр, но не очень удобно измерять в метрах расстояние между городами — получатся очень большие числа с большим количеством нулей. Неудобно измерять в метрах и размеры пылинок и песчинок или детали живой клетки — получатся десятичные дроби с большим количеством нулей после запятой. Чтобы облегчить оценку очень больших и очень малых величин, вводятся единицы измерения, которые больше или меньше основной единицы в десять, сто, тысячу, миллион, миллиард и более раз. Названия этих новых производных единиц получают очень просто: к названию основной единицы (метр, ампер, ватт и так далее) просто добавляют приставку, такую, например, как кило- (в тысячу раз больше основной единицы), мега- (в миллион раз больше), санти- (сотая часть основной единицы), милли- (тысячная часть), микро- (миллионная часть) и так далее. В таблице на рисунке ВК-49 приведены используемые приставки и указано, как они изменяют исходную величину.