Е и сопротивления R (Р-26). И было отмечено, что это именно расчётные формулы, что истинных физических зависимостей они не описывают. Из формулы закона Ома для участка цепи можно получить две похожие расчётные формулы — для вычисления U и R (Р-31). Вторая формула (R = U: I), как и прежде, это всего лишь расчётная формула, поскольку сопротивление ни от напряжения U, ни от тока I реально не зависит, а зависит только от того, из чего и как сделан резистор, которым данное сопротивление представлено в схеме. А вот первая расчётная формула U = I∙R отображает реальную зависимость, и притом очень важную. Она говорит о том, что чем больше ток, тем больше напряжение U на участке цепи. И это вполне объяснимо: чем больше ток, тем большее напряжение должно его поддерживать.
Таким образом, если отвлечься от того, что происходит во всей последовательной цепи, и рассматривать только события на одном её участке, то наиболее удобной становится такая формулировка закона Ома для участка цепи: напряжение на участке цепи тем больше, чем больше его сопротивление и чем больший ток по нему идёт.
А если учитывать то, что происходит во всей цепи, то окажется, что за этим самым «…чем больший ток по нему идёт» стоят зависимости, которые иногда нельзя не учитывать. Так, например, если уменьшить какое-нибудь сопротивление Rx последовательной цепи, то уменьшится общее её сопротивление, увеличится общий ток и в полном соответствии с нашей расчётной формулой возрастут напряжения на всех остальных участках.
Вооружившись достаточно мощными средствами для знакомства с электрическими цепями, мы в дальнейшем, как правило, уже не будем прибегать к образным описаниям знакомых событий, к таким, например, как «электроны отправились в путь от «минуса» к «плюсу», «электроны с трудом проходят через сопротивление», «электроны натыкаются на неподвижные атомы», «электроны возвращаются в «плюс». Настал момент сделать небольшое усилие и перейти к иному языку, к несколько иному описанию этих событий, может быть, менее красочному, но зато чёткому, экономному и, главное, общепринятому.
Глава 6Думайте на языке электрических схем
Невозможно представить себе химика, который не понимает язык химических формул, или конструктора самолётов, который не умеет читать чертежи. Для того чтобы разбираться в электрической технике, как уже говорилось (Т-7), нужно освоить несколько профессиональных языков, в том числе язык электрических схем. Знание языка схем — это прежде всего понимание зависимости токов и напряжений от какого-нибудь элемента, например от резистора или от конденсатора в цепи переменного тока. Размышления о такой зависимости чем-то напоминают дедуктивный метод Шерлока Холмса (дедукция — вывод, сделанный по правилам логики), позволивший великому сыщику раскрыть не одно запутанное дело. Использование языка электрических схем тоже даёт реальные практические результаты — позволяет, в частности, понять, какой именно элемент и каким образом нарушил нормальный режим цепи и что конкретно нужно сделать, чтобы вернуть режим к норме.
Т-72. Условное направление тока — от «плюса» к «минусу». Когда разбираешь сложную схему, то нередко в буквальном смысле слова приходится водить по ней пальцем, следить за тем, куда направляется ток, через какие элементы проходит, где разветвляется, куда в итоге попадает. Чтобы упорядочить анализ схем, чтобы их описанием все могли пользоваться без каких-либо ограничений и предупреждений, нужно знать несколько уже сложившихся и, можно сказать, общепринятых правил. Одно из них такое: при описании и разборе схем условным направлением тока считается направление от «плюса» к «минусу». Это значит, что в электрических цепях как бы создают ток и работают в нагрузке не свободные электроны, а какие-то свободные положительные заряды. «Как же так? Почему такая страшная несправедливость? — спешит возмутиться разволновавшийся читатель. — Ведь известно, что в электрических цепях ток, как правило, создают электроны, а они, конечно, двигаются от «минуса» к «плюсу». Почему же для условного тока выбрали противоположное направление?»
Ответ содержит три аргумента.
Во-первых, когда приняли условное направление тока от «плюса» к «минусу», то ещё не знали, что основные работники в электрических цепях — свободные электроны. Сейчас уже написаны тысячи книг, в том числе учебников, все их авторы согласились при разборе схем направлением тока считать «от «плюса» к «минусу», изменить эту договорённость во много раз сложнее, чем принять её.
Во-вторых, в жидких и газообразных проводниках электрический ток могут создавать не только свободные электроны, но также свободные ионы — положительные и отрицательные (Р-14). Поэтому в жидком или газообразном проводнике ток идёт одновременно в двух противоположных направлениях: свободные электроны и отрицательные ионы идут от «минуса» к «плюсу», положительные ионы — от «плюса» к «минусу». Любое из этих двух направлений можно использовать, когда водишь пальцем по схеме, пытаясь проследить, куда в ней движутся токи.
Ну и, в-третьих, условное направление тока — это всего лишь помогающий разобраться в схеме технический приём, на реальные события в цепи он, разумеется, никак не влияет. Более того, он не влияет на результат разбора схемы — где были «плюс» и «минус», там они и останутся, по каким цепям шёл электронный поток, по тем же пойдёт и условный ток, не изменятся напряжения на участках цепи, сила токов, мощность. Только пальцем вы будете водить в другую сторону, вспоминая, когда нужно, куда именно движутся электроны.
Так что раз договорились от «плюса» к «минусу», то давайте будем считать, что всё происходит именно так. А если у кого-то появится внутренний протест, то можно считать, что проводник сделан из антивещества — что у электронов положительный заряд, а у ядра отрицательный и что на «плюсе» батареи создаётся избыток этих положительных электронов, а на «минусе» их нехватка.
Кстати, электрон с положительным зарядом действительно существует, он называется «позитрон», появляется в некоторых ядерных процессах и живёт очень недолго. Но скоро вы обо всём этом не захотите думать и, следуя указаниям учебников, будете спокойно водить пальцем по схеме от «плюса» к «минусу», главным образом стараясь не сбиться с правильного пути.
ВК-80. Основная характеристика магнитного поля в разных объектах и в разных точках пространства — это магнитная индукция, обозначаемая буквой В. Она говорит о реальной силе, с которой магнитное поле действует на условленную порцию магнетизма. В системе СИ для оценки индукции В применяют единицу тесла, а также единицу гаусс из другой системы. Обратите внимание на очень слабое магнитное поле Земли, которое позволяет, однако, простыми приборами определять направление на Север.
Т-73. Определил силу тока, надо учитывать все движущиеся заряды. Мы вспомнили о том, что в газообразных и жидких проводниках ток могут создавать как отрицательные, так и положительные заряды и что двигаются они в разные стороны. Раз уж зашла об этом речь, давайте задумаемся: а как в подобном случае определяется сила тока?
На первый взгляд может показаться, что в счёт нужно принимать разность между количеством положительных и отрицательных зарядов. Потому что одни идут туда, другие — обратно, какое движение преобладает, то в итоге и создаёт ток. Такая логика, однако, неверна — независимо от того, в какую сторону идут заряды и какие это заряды (электроны или ионы), они всегда работают. И те и другие, к примеру, в процессе своего движения ударяют по неподвижным атомам (Т-8), вырабатывают тепло, свет. Поэтому, определяя ток в цепи, где движутся разные типы зарядов, нужно учитывать общее их количество, учитывать не разность, а сумму зарядов. Если по проводнику за 1 секунду в одну сторону прошло 6 миллиардов миллиардов электронов (1 кулон) и за то же время в другую сторону прошло столько же положительных однозарядных ионов (атомов с одним потерянным электроном, то есть с одним лишним «плюсом»), то ток составляет 2 ампера. Потому что всего через поперечное сечение проводника за 1 секунду прошёл заряд в 2 кулона — в одну сторону 1 кулон и в противоположную 1 кулон.
Отметив между делом этот любопытный факт, мы возвращаемся к своей основной теме — к законам электрических цепей и к процессам, которые в этих цепях происходят.
ВК-81.Магнит и путь, по которому замыкается его поле, иногда представляют как магнитную цепь. Для неё, по аналогии с электрической цепью, введены такие характеристики, как магнитодвижущая сила м.д.с., магнитное сопротивление, магнитный поток. Для магнитной цепи существует и свой закон Ома — магнитный поток (подобие электрического тока) растёт с увеличением м.д.с. и падает с ростом магнитного сопротивления. А оно зависит от вещества, по которому замыкается поле.
ВК-82. Проведём три несложных исследования очень популярного электротехнического прибора — электромагнита. Пропустим по его катушке ток и убедимся, что электромагнит работает, — у него появилось магнитное поле, которое сразу же притянуло небольшую стальную гирю. Небольшую потому, что витков в катушке сравнительно немного и ток по ней пока идёт сравнительно небольшой — всё это создаёт не очень сильное магнитное поле, на одну небольшую гирьку у него сил хватило, но не более.
ВК-83.Теперь на старом месте (ВК-82) стоит новая катушка, в ней уже 500 витков, в то время как в первой их было всего 200. Кроме того, и ток в катушке увеличен в три раза — был 1 ампер, а стало 3 ампера. Теперь у магнитного поля электромагнита сил побольше, он поднял сразу несколько гирь, в том числе одну довольно тяжёлую.
ВК-84.И наконец, третий, последний эксперимент — электромагнит поднял все стальные гири, в том числе одну очень большую и, значит, очень тяжёлую. Можно отметить, что по сравнению с предыдущим опытом (ВК-83) с катушкой никаких изменений не произошло — в ней так и осталось 500 витков и ток по обмотке идёт такой же — 3 ампера. Но секрет успеха виден сразу — это вставленный в катушку стальной сердечник, который, намагнитившись, может увеличить силу магнитного поля в десятки и в сотни раз.