Rвнг включено последовательно с внешней цепью.
Мы знаем, что э.д.с. генератора делится между всеми участками последовательной цепи, и при этом внутреннему сопротивлению Rвн тоже что-то достаётся. Из этого можно сделать два вывода.
Первый вывод. Чем больше нагрузка, то есть чем больше потребляемый от генератора ток, тем меньше напряжение Uг на выходе генератора, или, как иногда говорят, на его зажимах. Потому что с увеличением тока растёт напряжение, которое остаётся на Rвнг и это напряжение вычитается из э.д.с. Можно и иначе взглянуть на происходящее: внутреннее сопротивление и внешняя цепь образуют своего рода делитель напряжения; чтобы увеличить потребляемый ток, нужно уменьшить сопротивление внешней цепи; в результате э.д.с. перераспределяется и внешней цепи достаётся меньше, чем до того.
Второй вывод. В химических генераторах внутреннее сопротивление со временем может увеличиваться, главным образом из-за изменений в химическом составе электродов и электролита. При этом увеличивается та часть э.д.с., которая остаётся внутри генератора, и уменьшается напряжение Uг на его выходе.
То, о чём сказано в этих двух выводах, каждый, скорее всего, знает из собственного опыта. Так, по мере того как расходует свою энергию батарейка, лампочка карманного фонаря светится всё более тускло — это растёт внутреннее сопротивление батарейки. Автомобилисты знают, что если заводить автомобиль при включённом свете, то в момент включения стартёра свет станет заметно слабее — это появился дополнительный большой ток через стартер, увеличился общий ток, потребляемый от аккумулятора, стало больше напряжение Uвнг которое теряется на его внутреннем сопротивлении Rвнг и поэтому уменьшилось напряжение Uг на его выходе.
Подавляющее большинство электрических систем проектируются с таким расчётом, чтобы внутреннее сопротивление Rвнг генератора было очень небольшим, и поэтому оно начинает чувствоваться лишь при очень большой нагрузке, когда на Rвнг теряется заметное напряжение.
ВК-91.К сожалению, мы часто забываем, что на какие-либо процессы оказывает главное влияние не абсолютный уровень какой-то величины, а скорость её изменения. Возьмём, к примеру, два бассейна для плавания, один наполнен водой наполовину, а во втором воды чуть-чуть, её слой два-три сантиметра, не больше. Но в первом бассейне краны почти закрыты, а во втором открыты полностью. И через несколько минут второй бассейн уже почти полный, а первый так и остался в районе своей половины.
Р-31. ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ. Недавно, разбирая на Р-26 закон Ома, мы отметили, что он справедлив для большой и сложной цепи, где R — это измеренное или подсчитанное её общее сопротивление. Но закон Ома справедлив и для малой части этой большой цепи, он всегда, даже на самом небольшом её участке, отмечает строго определённое соотношение между напряжением U, током I и сопротивлением R. Уже пора отметить, что словом «напряжение» мы называем ту часть э.д.с., которая досталась какому-либо участку сложной цепи. Для этого участка действующее на нём напряжение U имеет тот же смысл, то же значение, что и вся электродвижущая сила (э.д.с.) Е генератора для всей подключённой к нему цепи. И поэтому напряжение, так же как э. д.с., измеряется в вольтах.
Т-82. Электротехника — наука о контактах. Это, конечно, шутка, но со значением. Нередко нарушение контакта в каком-нибудь участке цепи приводит к неисправностям и нестабильностям, которые очень трудно обнаружить. Вместе с тем загадочные нарушения контактов обычно легко объяснимы.
Всегда есть некоторое сопротивление между соприкасающимися металлическими поверхностями, как, например, между гальваническим элементом и пружинящими контактами в карманном фонарике. Это небольшое сопротивление часто связано с загрязнением или окислением металлической поверхности, а также с ослаблением чисто механического сжатия контактирующих деталей. Контактное сопротивление, подобно внутреннему сопротивлению генератора, включено в электрическую цепь последовательно, и на нём теряется какая-то часть напряжения. При хорошем контакте она очень мала и ею можно пренебречь, но если контакт плохой, если его поверхности окислились или плохо сжаты, то на переходном сопротивлении контакта может остаться заметная или даже основная часть э.д.с., при этом остальным элементам цепи мало что достанется.
Т-83. Вольтметр, амперметр и омметр — приборы для измерения э. д.с. (напряжения), тока и сопротивления. Многие разделы этой главы посвящены языку электрических схем, пользуясь которыми, мы думаем о них, изучаем их и в них разбираемся. При этом основные объекты наших размышлений — соединение элементов цепи, их раздельное и общее сопротивление, токи в них, напряжение на участках цепи. Многие из этих параметров можно измерить, ускорив тем самым исследование электрической цепи или проверяя свои выводы.
Для измерений в электрических цепях чаще всего используются три прибора — вольтметр для измерения э.д.с. и напряжения, амперметр для измерения силы тока и омметр для того, чтобы измерять сопротивление. Приборы эти бывают нескольких разных типов, и позже мы сможем познакомиться с их устройством. Пока же представим себе каждый такой прибор как небольшую чёрную коробочку со шкалой и стрелкой, по отклонению стрелки от нулевой отметки как раз и определяют измеряемую величину. В последнее время, правда, появляется все больше приборов с цифровым отсчётом в них, результат измерений появляется на небольшом экране сразу в виде цифр.
Несколько отложив знакомство с вольтметром, будем условно считать, что он как-то измеряет разницу между количеством избыточных зарядов в двух точках цепи, определяет, где каких зарядов больше и насколько. Вольтметр как бы вычисляет, какую работу выполнит каждый кулон электричества, пройдя по цепи между выбранными точками, и выдаёт результат в вольтах.
ВК-92.Этот рисунок возвращает нас в мир электричества и ещё раз напоминает, что в ряде процессов, в частности, при наведении в катушке э.д.с. Е за счёт электромагнитной индукции, важна не абсолютная величина (как, например, в законе Ома — чем больше напряжение, тем больше ток), а скорость её изменения. Об этом говорят два примера на рисунке — в одном случае (слева) магнитное поле перемещается сравнительно медленно относительно катушки, а во втором случае (справа) очень быстро.
Подключается вольтметр к тем двум точкам, напряжение между которыми нужно измерить, то есть подключается параллельно участку, на котором измеряют напряжение. При этом собственное сопротивление вольтметра должно быть во много раз больше, чем сопротивление участка, к которому он подключён. Потому что подключение вольтметра к участку цепи — это фактически его шунтирование, и вольтметр с недостаточно большим сопротивлением может заметно уменьшить общее сопротивление участка. В итоге вольтметр покажет меньшее напряжение, чем было до его подключения.
Амперметр — это как бы счётчик движущихся зарядов со встроенным секундомером. Прибор включается последовательно в цепь, в которой нужно измерить ток, и, «подсчитав» (Т-8) количество зарядов, проходящих по цепи за одну секунду, показывает величину тока сразу в амперах. Собственное сопротивление амперметра должно быть во много раз меньше, чем общее сопротивление цепи, иначе он сам заметно изменит это сопротивление и покажет ток значительно меньший, чем был до включения прибора.
Омметр можно представить себе как комбинированный прибор, который одновременно измеряет напряжение и ток и сразу же по формуле закона Ома вычисляет сопротивление (Р-26). Возможен и более простой вариант: элемент цепи, сопротивление которого нужно измерить, подключается к генератору, э.д.с. которого известна, и тогда омметр определяет сопротивление только по величине тока.
Даже не имея реальных измерительных приборов, можно мысленно или на рисунке, на принципиальной схеме подключать к изучаемой цепи эти подразумеваемые приборы, их предполагаемые показания могут стать важными образами в языке электрических схем.
ВК-93. Предыдущий рисунок предоставил вам возможность, до которой вы уже, видимо, сами додумались. Мы начали с одного вида электромагнитной индукции из нескольких возможных — э.д.с. наводилась в проводнике, который мы двигали в магнитном поле (ВК-90). То же самое произойдёт в проводнике, если двигать не его, а перемещать сам магнит. Именно это и показано на предыдущем рисунке, именно это вы видите и сейчас (справа). Несмотря на кажущееся неудобство, этот вариант широко применяется.
Т-84. Сложная электрическая цепь — система из последовательно и параллельно соединённых элементов. Уже попытка нарисовать реальную схему карманного фонаря приводит к электрической цепи из семи последовательно соединённых элементов. На практике же приходится иметь дело с цепями более сложными и значительно более сложными. Что такое, например, телевизор? Это тоже электрическая цепь, но состоящая из многих тысяч элементов, сложным образом соединённых между собой. А вычислительная машина? Это цепь из многих миллионов элементов и даже из миллиардов. Огромные, протянувшиеся на многие километры электрические цепи обнаружатся в московском, лондонском или парижском метро, в каждую такую цепь входят мощнейшие генераторы, много тысяч ламп освещения, сотни двигателей в поездах, сложная электрическая автоматика. Даже простенький карманный приёмник или простейший настольный телефонный аппарат — это электрические цепи, в которых сложным образом соединены десятки деталей. Рассматривать сложные и очень сложные электрические цепи сразу целиком, к счастью, почти никогда не приходится. В большой, сложной машине всегда можно выделить самостоятельные узлы и агрегаты, в автомобиле, например, это двигатель, коро