В. Дригалкин - Как освоить радиоэлектронику с нуля. Учимся собирать конструкции любой сложности

Как же образуются грозовые облака? При нагревании атмосферы теплые воздушные массы поднимаются, а холодные опускаются. В результате соприкосновения различные воздушные потоки и облака электризуются. При этом одна часть облака электризуется положительно, а другая — отрицательно (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Принцип образования грозовых облаков

Напряжение между двумя облаками, а также между облаками и землей достигает десятков миллионов вольт. В результате между облаками или между облаком и землей возникает гигантская искра — молния. Длина ее достигает нескольких километров, а диаметр ее канала иногда составляет метр и больше. Сила тока в канале молнии огромна: от 1 до 200 кА. Однако длительность разряда мала: она составляет тысячные доли секунды.

Удары молний очень опасны. Молния может разрушить здание, опору электропередач, заводскую трубу, вызвать пожар и т. д. Ее удар смертелен для всего живого, но в людей и животных молния ударяет сравнительно редко и только в тех случаях, когда сам человек из-за незнания создает для этого благоприятные условия. Находясь в поле, нельзя скрываться от дождя под одиноко стоящим деревом или в копне сена, в лесу надо уходить от очень высоких деревьев. В горах лучше всего прятаться от дождя в пещеру или под глубокий уступ.

Молния чаще ударяет в высокие предметы, а из двух предметов одинаковой высоты — в тот, который является лучшим проводником. Для защиты одиноко стоящих сооружений (зданий, опор линий электропередач и т. д.) вблизи них устанавливают мачту с заостренным металлическим стержнем, который хорошо соединен (спаян, сварен) толстым проводом с металлическим предметом, закопанным глубоко в землю. Это устройство получило название молниеотвода (часто называют громоотводом). Упрощенно принцип работы молниеотвода можно объяснить так. Грозовая туча своим электрическим полем вызывает в молниеотводе электрический заряд, у которого знак противоположен знаку заряда тучи. Этот заряд, стекая с острия молниеотвода, нейтрализует заряд тучи. Защищаемое молниеотводом пространство на поверхности земли определяется высотой молниеотвода.

Предполагалось, что книга не будет содержать формул, и в принципе можно было бы для начала обойтись без них, но в электронике абсолютно все связано с законами физики, которые выражаются, как правило, формулами. И совершенно не последнюю роль играет закон Ома.

Закон Ома — это физический закон, определяющий соотношение между напряжением, силой тока и сопротивлением проводника в электрической цепи. Назван в честь его первооткрывателя Гeopra Ома . Суть закона проста: порождаемый напряжением ток обратно пропорционален сопротивлению, которое ему приходится преодолевать, и прямо пропорционален порождающему напряжению. Именно такое определение вы бы прочитали в учебнике по физике. Я же попробую объяснить это на примере с водопроводной трубой.

Припоминаете, что такая же аналогия использовалась, когда мы говорили о токе?

Представьте себе, что вода — некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение — аналог давления (напора) воды. Сопротивление — это та сила противодействия среды их движению, которую приходится преодолевать электронам (воде), в результате выделяется теплота. Именно такая модель представлялась Георгу Ому в 1820-е годы, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях. Чем выше давление воды в трубе, тем относительно большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления, поскольку в трубах усиливается турбулентность потока.

Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению зависимости силы тока от напряжения. Очень скоро выяснилось, что ничего подобного в электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества электрическому току вовсе не зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома, который (для отдельного участка цепи) записывается очень просто:

V= Iх R,

где V- напряжение, приложенное к участку цепи, I— сила тока, a R— электрическое сопротивление участка цепи (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Для этой цепи, согласно закону Ома, напряжение Vравно силе тока I, измеренной амперметром А, умноженной на сопротивление R.

Сегодня мы понимаем, что электрическая проводимость обусловлена движением свободных электронов, а сопротивление — столкновением этих электронов с атомами кристаллической решетки. При каждом таком столкновении часть энергии свободного электрона передается атому, который, начинает колебаться более интенсивно, и в результате мы наблюдаем нагревание проводника под действием электрического тока. Повышение напряжения в цепи никак не сказывается на доле тепловых потерь такого рода, и соотношение напряжения и электрического тока остается постоянным.

Однако, когда Георг Ом сформировал свой закон, атомная теория строения вещества находилась в зачаточном состоянии, а до открытия электрона было еще несколько десятилетий. Таким образом, для него формула V= Ix Rбыла чисто экспериментальным результатом. Сегодня мы имеем достаточно стройную и одновременно сложную теорию электропроводности и понимаем, что закон Ома в его первозданном виде — всего лишь грубое приближение. Однако это не мешает нам с успехом использовать его для расчета самых сложных электрических цепей, применяющихся в промышленности и быту. Единица электрического сопротивления системы СИ называется Ом — в честь этого выдающегося ученого.

Гeopr Симон Ом(1789–1854) родился в Эрлангене в семье потомственного слесаря. Роль отца в воспитании мальчика была огромной. Пожалуй, всем тем, чего добился Ом в жизни, он обязан отцу. После окончания школы Гeopг поступил в городскую гимназию, которая курировалась университетом и представляла собой учебное заведение, соответствующее тому времени.

Успешно окончив гимназию, Гeopг весной 1805 года приступил к изучению математики, физики и философии на философском факультете Эрлангенского университета. Проучившись три семестра, Ом принял приглашение от частной школы швейцарского городка Готтштадта занять место учителя математики. В 1809 году Гeopгy была предложена должность преподавателя математики в городе Нейштадт. К Рождеству он перебрался на новое место, но мечта окончить университет не покидала его. В 1811 году он возвращается в Эрланген.