Е), созданный генератором в этой цепи ток I и общее её сопротивление R, которое может быть образовано многими сопротивлениями, соединёнными последовательно или параллельно. В главной формуле закона Ома (1) чётко обозначена связь между этими величинами, и здесь же видна обнаруженная Омом прямая пропорциональная их зависимость: увеличиваем э.д.с. Е в 5 раз — и ток I возрастёт тоже в 5 раз, увеличим сопротивление R в 2 раза — и в те же 2 раза уменьшится ток I. О самой этой прямой пропорциональности (во сколько раз — во столько же раз) часто не вспоминают, считая, видимо, её обычным, нормальным явлением и отмечая лишь вполне возможную зависимость иного рода, например, увеличиваем э.д.с. в 5 раз, а ток, ранее тоже возраставший в 5 раз, на этом участке возрастает в 3 раза или вообще не меняется (Р-103).
В конце этого рисунка приведено несколько конкретных примеров (3), показывающих, как работает закон Ома, как по его формуле при изменении Е или (и) R легко подсчитать ток I в цепи.
Кроме того, пользуясь уже знакомым нам правилом (Р-24), из главной формулы закона Ома получены две расчётные формулы (2), позволяющие подсчитать Е, если известны ток и сопротивление цепи, и подсчитать R по известным току и э.д.с.
Т-76. Несколько полезных грамматических правил для языка электрических схем. Закон Ома для всей цепи и закон Ома для отдельных её участков можно назвать частью грамматики языка электрических схем. Если понадобится, эта грамматика поможет наглядно представить себе многие невидимые процессы, которые происходят в электрических цепях. Есть, правда, электрические цепи, которые не подчиняются закону Ома, но это, как говорится, совсем другая история, и о ней пока можно не вспоминать.
К первым двум «грамматическим правилам» можно добавить ещё два — это, как их называют, законы Кирхгофа, о сути которых уже говорилось, правда, без их официального названия. Первый закон Кирхгофа говорит о том, что сумма всех токов, которые приходят в какую-либо точку цепи, равна сумме токов, которые из неё уходят. Иначе и быть не может — если зарядов приходит больше, чем уходит, то, значит, заряды будут бесконечно накапливаться в этой точке цепи, что, как мы уже давно поняли, невозможно. Второй закон Кирхгофа говорит о том, что сумма всех напряжений на участках цепи равна электродвижущей стиле, которая эту цепь кормит (Т-8). Это тоже не вызывает сомнений — напряжения на участках фактически есть сумма распределившейся между ними э.д.с.
Ещё два полезных соотношения — они показывают, чему равно общее сопротивление при последовательном и параллельном соединении. К этим первым нашим «грамматическим правилам» добавим ещё три: зависимость мощности от тока и напряжения (совместно) и квадратичная зависимость мощности от тока или от напряжения.
Получившийся комплект позволит разбираться в достаточно сложных электрических цепях.
ВК-87.Работа электродвигателей основана на выталкивании проводника с током из магнитного поля. Это взаимодействуют два магнитных поля — внешнего магнита и проводника, по которому идёт ток. Сила выталкивания F растёт с увеличением тока I и индукции В внешнего поля. Направление силы F определяется по правилу левой руки — если её ладонь обращена к северному полюсу магнита, а вытянутые четыре пальца указывают направление тока, то отогнутый большой палец покажет направление силы F.
Р-27. ОТДАЛ ВСЁ, ЧТО БЫЛО, И ВЫШЕЛ ИЗ ИГРЫ. Гальванический элемент — типичный химический генератор электрической энергии. Основные его детали — два электрода и контактирующий с ними жидкий или чаще пастообразный электролит. Энергия химических реакций между электролитом и электродами затрачивается на то, чтобы на одном из электродов появился и сколько можно оставался там избыток электронов (катод, электрод «—»), а на другом электроде их нехватка, то есть избыток положительных зарядов (анод, электрод «+»). Выводы электродов «+» и «—» во внешний мир — это есть выводы самого генератора, на них действует его электродвижущая сила и к ним можно подключать внешнюю цепь с нагрузкой Rн. Уже больше 100 лет миллионными тиражами выпускаются самые дешёвые солевые элементы, их электролит — превращённый в пасту раствор соли. В последние годы хорошим спросом отмечены тех же размеров (1) щелочные элементы (на них обычно крупная надпись «алкалайн»), некоторые параметры которых заметно лучше, особенно при низких температурах.
Гальванические элементы — приборы одноразовые. С течением времени растут внутренние потери энергии в самой химической системе, они пожирают всё большую часть э.д.с., и всё меньше напряжение, которое достаётся нагрузке (Р-32). Элемент со временем приходит в негодность, наступает пора выбросить его и заменить новым. Фирмы почему-то не публикуют столь важную характеристику своих изделий, как ёмкость — общая электрическая энергия, которую от них можно получить. Поэтому мы можем привести не более чем случайно попавшуюся или (и) подсчитанную величину — примерное количество часов, которые данный элемент будет работать, отдавая ток 20 миллиампер: ААА — 50, АА — 130, С — 400, D — 700 часов.
Т-77. Несколько полезных образов для языка электрических схем. Пытаясь понять, что происходит в какой-нибудь электрической схеме, мы, конечно, думаем словами, такими, например, как «напряжение», «свободные электроны», «ток», «сопротивление», «минус батареи» и так далее. Но при этом мы очень часто думаем и образами, как бы целыми картинами, на которых упрощённо видим детали схемы, их соединения и даже то, что в них происходит. Картины эти не очень точные, а иногда очень неточные (Т-8), но они удобны для размышлений.
Вспомним несколько образов, которыми мы уже пользовались в предыдущих разделах, размышляя об электрических схемах на языке электрических схем.
1. Электричество — особое свойство веществ нашего мира, оно двигает предметы, проявляя свою особую электрическую силу, подобно тому, как масса проявляет гравитационную.
2. Две разновидности электрического заряда, которым почему-то дали названия «плюс» и «минус». Заряды одного и того же знака терпеть не могут друг друга (Т-8) и взаимно отталкиваются, заряды разного знака один к другому тянутся — так устроен наш мир.
3. Три основные атомные частицы — электроны с электрическим зарядом «-», а также собранные в ядро протоны с зарядом «+» и нейтроны вообще без электрического заряда.
4. Электроды генератора — обычно две металлические детали, на одной избыток электронов («минус»), на другой их нехватка («плюс»).
5. Химический генератор, например гальванический элемент, — скопление электронов (электрод «минус») и их нехватка (электрод «плюс») появляются за счёт энергии заранее подготовленных химических реакций.
6. Проводник — вещество из атомов, у которых некоторые электроны вырвались на свободу и в огромном количестве свободно блуждают в межатомном пространстве. Электронов настолько много, что по отношению к ним часто применяют словосочетание «электронная пыль».
7. «Плюс» и «минус» генератора соединены двухпроводной токопроводящей линией с нагрузкой — с электрической схемой, которая, используя полученную энергию, выполняет определённую работу, нужную человеку.
8. Электроны выталкиваются из «минуса» генератора и по проводящей цепи продвигаются к «плюсу», где их не хватает. Это и есть электрический ток, в нём участвует бессчётное множество свободных электронов.
ВК-88.В двигателях, питаемых постоянным током (ток одного направления, например, от батареи), вращение можно получить, если в простейшем роторе — в рамке — каждые пол-оборота менять направление тока. При этом силы, выталкивающие провода рамки, согласно правилу левой руки, всегда будут вращать её в одном и том же направлении. Менять направление тока в рамке может переключатель из двух связанных с началом и концом рамки полуколец и двух скользящих по ним контактов, связанных с батареей.
Р-28. ОМОЛОЖЕНИЕ, ПРОЦЕСС ЭЛЕКТРОТЕХНИКОЙ ОСВОЕННЫЙ. Аккумулятор (от латинского «аккумуляре» — «собирать») это, по сути дела, тот же гальванический элемент, и главная его работа та же — превращать химическую энергию в электрическую. Для этого в аккумуляторе также имеются два электрода (две группы пластин), погружённых в жидкий электролит, их общая задача за счёт химических реакций создавать и поддерживать на одном из электродов избыток электронов (катод, электрод «—») и на другом — их недостаток, то есть в итоге избыток положительных зарядов (анод, электрод «+»). Главная особенность аккумуляторов в том, что для них выбраны и отработаны обратимые процессы — ту энергию, которая была затрачена на создание электрического тока, можно вернуть, причём вернуть так, чтобы восстановилось первоначальное состояние электродов и электролита. Аккумулятор вновь станет молодым и работоспособным.
Таким образом, у аккумулятора могут быть два режима: 1. Передача электрической энергии во внешнюю цепь и, в частности, сопротивлению нагрузки, то есть, коротко говоря, разряд (разрядка) аккумулятора. 2. Получение энергии (в виде тока противоположного направления по отношению к разрядному) для восстановления изменившихся при разряде аккумулятора электродов и электролита, называется зарядкой аккумулятора. Часто аккумулятор работает в так называемом буферном режиме (от английского глагола «ту буфф» — «смягчать»), он всегда связан с зарядным устройством, получает от него зарядный ток при первой необходимости и, как правило, небольшими порциями. Но даже и в таком щадящем режиме постепенно разрушаются пластины аккумулятора, и через несколько лет его приходится менять. Аккумуляторы и гальванические элементы можно, как и другие источники тока, соединить в батарею, получив при этом более высокие некоторые их параметры (4, 5).