В Бессонов - Радиоэлектроника для начинающих (и не только)

• Представление о содержащихся в веществах электрических частицах было высказано в качестве гипотезы английским ученым Г. Джонстоном Стонеем. В 1891 г. он предложил название электрондля введенной им единицы электричества. Зная о существовании электронов, можно довольно просто объяснить некоторые свойства электричества. В любом металле имеются электроны, обладающие значительной свободой движения, и при приложении разности потенциалов они перемещаются между атомами данного металла.

Постоянный электрический ток, протекающий по медной проволоке, представляет собой поток электронов вдоль этой проволоки. Проведем простой эксперимент (рис. 2.11): с помощью ключа SA подключим батарею 3336Л на несколько секунд к электролитическому конденсатору емкостью 50 мкФ, который за это время успеет зарядиться до напряжения батареи; затем вместо батареи переключателем SA подключим к конденсатору электрическую лампочку от карманного фонаря. Лампочка на мгновение вспыхнет, что свидетельствует о кратковременном протекании тока.

Рис. 2.11. Поясняющий процесс накопления зарядов и протекания тока через лампу накаливания

Чтобы лучше представить весь этот процесс, воспользуемся аналогией между электрическим током и течением воды по трубе.

Так как труба оказывает тормозящее действие на воду, то для обеспечения протекания воды по ней необходимо создать между входом и выходом трубы некоторую разность давлений. В водопроводе, например, эта разность давлений создается с помощью водонапорной башни, уровень воды в которой выше любой точки водопроводной сети. Разность уровней (или напор) эквивалентны разности потенциалов (напряжению) электрической цепи, а наполненный водой бак на вершине водонапорной башни играет роль заряженного конденсатора. И подобно тому, как при протекании электрического тока конденсатор разряжается и разность потенциалов на его обкладках падает, стремясь к нулю, так и бак постепенно опорожняется, а разность уровней стремится к нулю, и течение воды прекращается, подобно электрическому току. Чем меньше емкость конденсатора и больше сила тока, протекающего через лампочку накаливания, тем на меньшее время будет вспыхивать лампочка; аналогично течение воды прекратится тем быстрее, чем меньше емкость бака и чем больше расход воды (чем больше диаметр труб). Следуя этой же аналогии, количество воды измеряют в кубических метрах (м 3); количество электричества обычно измеряют в кулонах (Кл), ампер∙секундах (АЧтный метр (Н/м 2).

Электрический ток в проводнике зависит от разности электрических потенциалов (или от падения напряжения между концами проволоки), измеряемого в вольтах (В).

Не огорчайтесь, если из прочитанного материала вам не все понятно. Это вполне закономерно. Шаг за шагом, изучая новый материал, вы будете не один раз возвращаться назад, к ранее прочитанному, и таким образом будете как бы заново открывать для себя ранее прочитанное.

А теперь проведем простой эксперимент (рис. 2.12, а ): между двумя деревянными столбиками натянута тонкая нихромовая проволока, которая соединена с выводами выпрямителя переменного тока с выходным напряжением 4,5 В с помощью толстых медных проводов.

Нихромовая проволока выбрана потому, что она имеет значительно большее сопротивление, чем медная, поэтому она будет более короткой. С помощью вольтметра определим падение напряжения на проволоке вдоль ее длины. Для этого общий зажим вольтметра с помощью провода (щупа) подсоединим к столбику 2 , а щуп от положительного зажима вольтметра будем перемещать вдоль проволоки (нихрома). Когда щуп находится у столбика 1 , вольтметр покажет напряжение 4,5 В, а когда щуп будет придвинут к столбику 2 , вольтметр покажет нуль напряжения.

График распределения напряжения вдоль проволоки приведен на рис. 2.12, б (сплошная линия). Если медный провод отсоединить от отрицательного провода выпрямителя, то тока в проводнике не будет. Если теперь подключим общий зажим вольтметра к отрицательному выводу выпрямителя, то вольтметр будет показывать напряжение 4,5 В независимо от положения его щупа (рис. 2.12, б , пунктирная линия).

Рис. 2.12. Демонстрирующий распределение напряжения вдоль проводника с током

Если Вы не совсем хорошо поняли, почему так получается, попробуем снова обратиться к аналогии между прохождением электрического тока по цепи и воды по трубе. Существование разности потенциалов между точками проводника с током аналогично существованию разности давлений в струе жидкости при ее течении с трением по трубе. Это сходство можно проследить на приборе, изображенном на рис. 2.13. Наклонная пунктирная линия на рисунке показывает распределение давления вдоль горизонтальной трубы (сравните ее с наклонной линией распределения напряжения вдоль проводника на рис. 2.12, б ). Если закрыть кран на конце трубы (рис. 2.13), то течение жидкости прекратится и во всех трубах 1–5 жидкость установится на одном уровне (обозначенном штрих-пунктирной линией), что свидетельствует об отсутствии разности давлений, точно так же, как между точками проводника, по которому не течет ток, нет разности потенциалов. При открывании крана возникает течение жидкости, между участками горизонтальной трубы появляется разность давлений (наклонная пунктирная линия).

Рис. 2.13. На котором можно продемонстрировать аналогию между потоком жидкости и силой тока в проводнике, между электрическим потенциалом и давлением воды на концах трубы

Закон Ома для участка цепи устанавливает зависимость между силой тока, протекающего через проводник (резистор), и напряжением, приложенным к концам этого проводника (резистора). Этот закон носит название в честь немецкого физика Георга Ома (1787–1854 гг.).

I= U/ R. (2.1)

Здесь I — сила тока в проводнике, измеряется в амперах (А), миллиамперах (мА) или микроамперах (мкА); U — напряжение, приложенное к концам проводника, измеряется в вольтах (В), милливольтах (мВ), микровольтах (мкВ); R — сопротивление проводника, измеряется в омах (Ом), килоомах (кОм), мегомах (МОм). Из закона Ома следует, что чем больше сопротивление проводника R , тем меньше сила тока I в проводнике при одном и том же напряжении U между концами проводника.