Текст книги "Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина"

Автор книги: Рудольф Сворень

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 19 страниц)

В качестве единицы электрического заряда (заряд обозначается буквой q) можно было бы взять электрон, заряд которого при любых условиях остается неизменным. Однако заряд электрона очень мал, и на практике пользуются более крупной единицей – кулоном (к), который равен более чем шести квинтиллионам (квинтиллион – это миллиард миллиардов, единица с восемнадцатью нулями!) зарядам электрона (лист 19).

Электрический ток – это упорядоченное движение свободных зарядов по проводнику, и, чем более массовый характер носит это движение, тем сильнее ток. Величина тока (обозначается буквой I) или, как иногда говорят, сила[3]3
  Здесь слово «сила» имеет тот же смысл, что и в выражении «сильный дождь», то есть дождь, при котором на землю падает много воды.


[Закрыть] тока, измеряется в амперах (а) и более мелких единицах – миллиамперах (ма) и микроамперах (мка). Ток в проводнике равен 1 а в том случае, если через поперечное сечение этого проводника каждую секунду проходят частицы с общим зарядом 1 к, (например, 6 280 000 000 000 000 000 электронов (рис. 8, лист 20). Если же за одну секунду пройдет заряд, больший чем 1 к, или, наоборот, если 1 к пройдет за время, меньшее чем 1 сек, то значит, ток в цепи больше одного ампера. Для иллюстрации единиц измерения тока приведем следующие цифры: ток, который проходит по нити лампочки карманного фонаря, примерно равен 100–200 ма (0,1–0,2 а); ток в проводах, идущих от мощной электростанции, может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер; ток, который под действием радиоволн появляется в антенне приемника, обычно не превышает тысячных долей микроампера.

Для измерения величины тока существует специальный прибор – амперметр (миллиамперметр, микроамперметр). Прибор этот включают в электрическую цепь так, чтобы через него проходил весь ток, который нужно измерить. Амперметр как бы подсчитывает число проходящих через него зарядов, и стрелка прибора показывает величину тока в цепи. Чем сильнее ток, тем больше зарядов проходит через амперметр, тем дальше отклоняется его стрелка (лист 21).

Рис. 8. Величина (сила) тока говорит о скорости и «массовости» движения электрических зарядов в цепи. Величина тока в проводнике равна 1 а, если за одну секунду через условное поперечное сечение этого проводника проходит заряд 1 кулон.

Заряд, ток, сопротивление – это пока все, чем мы можем характеризовать электрическую цепь. Большинство других характеристик связано с той работой, которую выполняют заряды, движущиеся по цепи.

Всякую работу можно приравнять к поднятию определенного груза на определенную высоту. Так, например, велосипедист, ехавший по шоссе в течение часа, выполнил работу, равносильную поднятию груза в 500 кг на высоту 5.и, а трактор за один час вспашки целины выполняет такую же работу, какую нужно было бы затратить на поднятие груза в 50 т на высоту 50 м.

Примерно такую же работу выполнит источник тепла, который доводит до кипения бочку воды. Единицей измерения работы является джоуль (дж), соответствующий поднятию груза около 100 г на высоту 1 м (лист 22). Поэтому, когда вы поднимаете со стола стакан молока и подносите его ко рту, то совершаете работу, примерно равную 1 дж. Работа в 1 дж сравнительно невелика. Так, например, для того чтобы в электрическом чайнике вскипятить 5–6 л воды, проходящий по нагревателю этого чайника ток выполняет работу около миллиона джоулей!

О возможностях того или иного человека выполнять физическую работу можно судить по его мускульной силе. Работоспособность двигателя внутреннего сгорания в основном зависит от числа цилиндров, их диаметра и степени сжатия горючей смеси в цилиндрах. Работу, которую может выполнить гидравлическая (водяная) турбина, определяется площадью ее лопаток и давлением воды на эти лопатки.

От чего же зависит та полезная работа, которая может выполняться в электрической цепи? Прежде всего она зависит от способности источника тока двигать заряды. Так, например, чем сильнее отрицательный электрод гальванического элемента «выталкивает» электроны и чем сильнее они «притягиваются» положительным электродом, тем большую работу смогут выполнить эти электроны, двигаясь по электрической цепи. Эта способность источника «выталкивать» и «притягивать» заряды, то есть его способность выполнять работу, перемещая по цепи определенный электрический заряд, характеризуется величиной электродвижущей силы (часто пишется сокращенно – э. д. с., или обозначается буквой Е), единицей измерения которой (лист 23) является вольт (в). Более мелкими единицами являются милливольт (мв) и микровольт (мкв), а более крупной единицей – киловольт (кв).

Если при перемещении заряда в один кулон (например, 6 280 000 000 000 000 000 электронов) источник тока выполнит работу в 1 дж (подъем груза в 100 г на высоту 1 м), то такой источник обладает работоспособностью, а говоря официально, – электродвижущей силой, в 1 в (рис. 9).

Рис. 9. Величина электродвижущей силы (э.д.с.) характеризует способность источника электрической энергии совершать работу при перемещении зарядов.

Величину э.д.с. можно измерить специальным прибором – вольтметром, который подключается к выходу источника тока, то есть между его зажимами[4]4
  Выходными зажимами источника тока называют зажимы, гнезда, металлические лепестки или, наконец, просто провода, к которым подключается внешняя цепь.


[Закрыть]. При этом по электрической цепи вольтметра течет ток. В зависимости от работы, выполняемой зарядами, отклоняется стрелка вольтметра. По шкале прибора, размеченной в вольтах, стрелка показывает э. д. с. источника (лист 24). Вольтметр обычно конструируют так, чтобы при измерениях он потреблял от источника тока как можно меньше энергии.

ЗАКОН ЕСТЬ ЗАКОН!

Теперь, когда мы уже знаем, что такое заряд, сопротивление, ток и электродвижущая сила и какими единицами они измеряются, можно познакомиться с основными соотношениями в электрических цепях, с основными законами электротехники.

Первый и, пожалуй, самый важный из них – это закон Ома. Им приходится руководствоваться при рассмотрении всех без исключения цепей электро– и радиоаппаратуры. Недаром у радиолюбителей в отношении закона Ома существует такая суровая поговорка: «Не знаешь закон Ома – сиди дома!»

Давайте вернемся к нашему «подопытному» карманному фонарику (рис. 6). От чего зависят основные характеристики этой электрической цепи: э. д. с., сопротивление и ток? Очевидно, э. д. с. зависит от активности химических реакций в батарейке, а сопротивление нити лампочки – от ее материала, длины, диаметра и температуры. А от чего же зависит ток в цепи? Попробуем разобраться.

Источником тока является батарея – именно она заставляет электроны двигаться по цепи. Сама же электрическая цепь, и особенно лампочка, обладая определенным сопротивлением, в какой-то степени препятствует движению электронов. Чем больше э. дс. (Е) батареи, тем большей работоспособностью будет обладать каждый движущийся заряд, тем легче он преодолеет все препятствия и быстрее пройдет по цепи. А чем быстрее движутся заряды, тем большее их количество проходит через любую точку цепи, тем, следовательно, больше ток (I).

Совершенно иначе влияет на ток сопротивление цепи. Чем больше сопротивление лампочки (R). тем труднее двигаться зарядам, тем меньше их скорость, а следовательно, тем меньше и ток.

Таким образом, величина тока в цепи зависит от электродвижущей силы Е и сопротивления R. С увеличением э.д.с. ток растет, а с увеличением сопротивления уменьшается. Эта зависимость, называемая законом Ома для всей цепи (лист 25), может быть выражена очень простой формулой:

Возле условных обозначений тока, э. д. с. и сопротивления в скобках указаны те единицы измерения, при которых расчеты по приведенной формуле дадут верный результат. Если же хоть одна из величин дана в других единицах, то необходимо пересчитать значения остальных величин. При этом удобно пользоваться таблицей, приведенной на листке 27.

Теперь давайте на несколько минут отвлечемся от нашего основного разговора и уделим внимание тем немногим читателям, которые испытывают страх перед формулами. Если такой читатель увидит в книге формулу, он обязательно поморщится и побыстрей перевернет страницу. Вот и сейчас, наверное, кое-кто выражает недовольство: «Ну зачем нужно было записывать закон Ома в виде формулы? Ведь все и так понятно! Нельзя ли вообще обойтись без формул?»

Можно, конечно, обойтись и без формул и вместо них пользоваться словами или картинками. Точно гак же можно обойтись и без автобусов, поездов и самолетов и всегда ходить пешком. Только кому это нужно – из двух решений выбирать самое сложное, самое неудобное?

Формулы – очень удобный, а иногда даже незаменимый способ записи самых различных законов и зависимостей (рис. 10).

Рис. 10. Формулы – это очень простой и удобный способ записи самых различных законов и зависимостей.

Нужно только научиться понимать формулы, знать их язык. Вот, например, приведенная выше формула закона Ома. Она ясно говорит о том, что ток I равен частному от деления Е на R, то есть ток зависит от обеих этих величин. Величина Е стоит в числителе дроби, и, значит, с ее увеличением ток растет. Сопротивление R стоит в знаменателе, и поэтому сразу ясно, что с увеличением R ток уменьшается (чем больше знаменатель, тем меньше значение дроби, например 1/4 меньше чем 1/2).

Подставив в формулу закона Ома известные нам значения Е и R, можно сразу вычислить ток в цепи. Так, например, если Е = 4,5 в, a R = 75 ом, то I = 0,06 а = 60 ма.

Кроме лаконичности, наглядности и удобства для вычислений, формулы имеют еще одно достоинство – их легко преобразовать и привести к удобному для вычислений виду. При этом приходится пользоваться лишь одним правилом: если мы одновременно умножим или разделим правую и левую часть равенства на одну и ту же величину или же проделаем с обеими частями какую-либо другую алгебраическую операцию (сложение, вычитание, деление и т. д.), то равенство не нарушится. Пользуясь этим правилом, можно получить еще две удобные для расчетов формулы (лист 25):

Первая из них, позволяющая подсчитать Е, если известно I и R, получена нами из формулы закона Ома путем умножения обеих ее частей на R. Вторую формулу, предназначенную для расчета сопротивления цепи R по известным Е и I (ток и э.д.с. легко измерить приборами), также можно получить из формулы закона Ома, если обе ее части умножить на R и разделить на I.

На этом простом примере видно, что формулы могут оказаться очень полезными при расчетах и решении практических задач. При одном взгляде на формулу можно установить основные соотношения того закона, к которому она относится. Правда, в последнем случае нужно знать физический смысл самого закона. Действительно, если не знать этого, то, анализируя две последние формулы, можно прийти к таким нелепым выводам: э. д. с. батареи зависит от… сопротивления цепи (вторая формула), или: сопротивление цепи зависит от… э.д.с. батареи (третья формула).

Подведем итог: всякий, кто хочет всерьез заниматься наукой и техникой и, в частности, радиоэлектроникой, должен буквально со школьной скамьи приучить себя к мысли о том, что формулы – вещь удобная, а порой даже необходимая. А для того чтобы не испытывать страха перед формулами, нужно научиться читать и понимать их так же свободно, как вы читаете и понимаете обычные слова. Теперь продолжим наш разговор.

Чтобы убедиться в том, что с увеличением R ток в цепи уменьшается, можно проделать простой опыт: в карманном фонаре включить вместо одной лампочки Л₁ две – Л₁ и Л₂, соединенные последовательно, то есть соединенные так, что электроны, двигаясь по цепи, проходят последовательно сначала одну, а затем и вторую лампочку (рис. 11).

Рис. 11. Один из основных законов электротехники – закон Ома – показывает, как зависит ток в цепи от электродвижущей силы, источника и сопротивления этой цепи.

Общее сопротивление при последовательном соединении равно сумме отдельных сопротивлений (листы 28, 30)

R_общ = R₁+ R₂

где R₁ – сопротивление первой лампочки, R₂ – второй, а R_общ – их общее сопротивление. Формула эта не требует особых пояснений: включить две лампочки последовательно равносильно тому, что включить одну, у которой нить вдвое длиннее. Если каждая из двух лампочек имеет нить с сопротивлением 75 ом, то их общее сопротивление равно 150 ом.

Подключив обе лампочки к батарейке, вы убедитесь, что ни одна из них не светится полным светом. Объясняется это тем, что с увеличением сопротивления цепи ток в ней уменьшился и энергии электронов уже не хватает, чтобы полностью накалить нить. Однако мы соединяли две лампочки не для того, чтобы доказывать эту и без того очевидную истину. Собранная цепь должна помочь нам познакомиться с таким важным понятием, как напряжение. Прежде чем начинать это знакомство, нам нужно рассмотреть еще один вопрос – о направлении тока в цепи.

Разбирая процессы в сложных электротехнических и радиоаппаратах, очень удобно следить за прохождением тока, пользуясь принципиальной схемой. При этом часто бывает необходимо знать, какой конец того или иного элемента (например, лампочки или мотора) соединен с «плюсом» источника тока, а какой – с «минусом». В случае простых цепей для решения этого вопроса достаточно взглянуть на схему – и сразу видно, где «плюс», где «минус». В сложных цепях очень часто подобный вопрос приходится решать косвенным путем, исходя из того, в какую сторону двигаются заряды.

Так, например, если известно, что через лампочку электроны двигаются сверху вниз (по схеме), то можно сразу же сделать вывод, что нижний (по схеме) провод, идущий от лампочки, подключен к «плюсу», а верхний – к «минусу». Вывод этот основан на том, что электроны всегда двигаются от «минуса» к «плюсу». К такому же выводу мы пришли бы, если было бы известно, что по лампочке снизу вверх двигаются положительные заряды, так как направление их движения – от «плюса» к «минусу».

Для того чтобы не создавать лишнюю путаницу, особенно при рассмотрении больших схем, оказывается удобным ввести понятие об условном направлении тока и учитывать при этом движение одних каких-нибудь зарядов. Исторически получилось так, что за основное направление принято направление движения положительных зарядов. Потому при рассмотрении схем мы условно считаем, что ток во всех цепях представляет собой упорядоченное движение только положительных зарядов, направляющихся от «плюса» к «минусу», то есть от места, где их слишком много, к месту, где положительных зарядов не хватает (рис. 12, 13).

Рис. 12. Ток могут создавать как отрицательные заряды (например, свободные электроны), так и положительные заряды (например, свободные положительные ионы).

Рис. 13. Рассматривая электрические цепи и их схемы, для упрощения считают, что ток создают только положительные заряды, и принимают условное направление тока от «плюса» к «минусу».

Такая условность немного несправедлива, так как в большинстве случаев ток образуется электронами. Но от этой несправедливости никто не пострадает. Электроны будут по-прежнему двигаться своим путем, а все вопросы будут решаться с помощью условного тока, точно так же как они решались бы с учетом истинного направления движения электронов. Не все ли равно, как считать: что электроны в какой-нибудь цепи двигаются справа налево или что условный ток (то есть положительные заряды) двигается в этой цепи слева направо? Ведь и в том и в другом случае справа будет «минус», а слева «плюс»!

А если при разборе какой-нибудь схемы в соответствии с правилом: ток течет от «плюса» к «минусу», вас начнут смущать двигающиеся в обратном направлении электроны, то условно замените их положительными зарядами – и все ваши сомнения моментально рассеются.

ДЕЛИТЕЛЬ И ШУНТ

А теперь вернемся к рассматриваемой нами цепи, в которую входят две соединенные последовательно лампочки Л₁ и Л₂ (рис. 11). Мы знаем, что величина э.д.с., выраженная в вольтах, показывает, какую работу источник тока может совершить (и совершит при подключенной цепи!), перемещая заряд, равный 1 к от одного своего электрода к другому. Электродвижущая сила нашей батарейки – 4,5 в, и это значит, что, перемещая по цепи каждый кулон зарядов, она выполняет работу 4,5 дж.

Раньше, когда у нас была одна лампочка, то было ясно, что вся эта работа будет затрачена на то, чтобы преодолеть сопротивление ее нити, с выделением определенного количества тепла. Теперь же, когда у нас две лампочки, источнику тока придется преодолеть сопротивление каждой из них, причем общая работа по перемещению одного кулона по всей цепи все равно будет равна величине э.д.с. Если лампочки Л₁ и Л₂ одинаковые, то, очевидно, на каждую из них будет затрачена половина э.д.с. батареи, то есть заряд в 1 к, проходя по нити одной из этих лампочек, выполнит работу 2,25 дж (рис. 15, левая схема). Та часть общей работы, которая затрачивается на преодоление какого-либо участка цепи, называется падением напряжения или просто напряжением на этом участке и обозначается буквой U.

Поскольку напряжение U говорит о работе, которая приходится на один кулон движущихся зарядов, то оно так, же, как и э.д.с., измеряется в вольтах: если на перемещение заряда в 1 к по какому-либо участку цепи затрачивается работа в 1 дж, то напряжение на этом участке равно 1 в. Если э.д.с. батареи равна 4,5 в, то при одинаковых лампочках Л₁ и Л₂ падение напряжения на каждой из них составит 2,25 в (рис. 15, левая схема).

Напряжение на участке цепи тем больше, чем больше сопротивление этого участка R и чем больше проходящий по нему ток I. Эта зависимость называется законом Ома для участка цепи и выражается простой формулой:

Из этой формулы легко получить две другие, позволяющие вычислить I и R (листы 26, 27).

То, что напряжение на участке цепи зависит от сопротивления, вполне понятно: чем больше сопротивление участка, тем большая часть общей работы будет затрачена на то, чтобы преодолеть именно это сопротивление. Но почему напряжение зависит от тока?

Дело в том, что величина тока I также характеризует ту работу, которую выполняют движущиеся заряды. Если ток большой, то заряды двигаются быстро и каждый из них выполнит сравнительно большую работу. Слабый ток свидетельствует о том, что энергия движущихся зарядов невелика и, проходя по какому-нибудь участку цепи, большой работы они выполнить не смогут.

Несколько раньше, говоря о работе, затрачиваемой на преодоление сопротивления, вместо слов «падение напряжения» мы начали применять слово «напряжение». Внимательный читатель мог сразу же усмотреть в этом большую неточность, так как подобная замена равносильна, например, тому, что вместо слов «потеря энергии» употребить слово «энергия». Однако, применяя термин «напряжение» вместо «падение напряжения», мы не допустили никакой неточности. Дело в том, что участок цепи, на котором падает (теряется) определенное напряжение, можно рассматривать как своеобразный источник тока с вполне определенной величиной э.д.с.

Для того чтобы понять это, нужно прежде всего выяснить, как распределяется в электрической цепи тот избыток положительных и отрицательных зарядов, который появляется в батарее в результате химических реакций. Если вы думаете, что избыточные заряды собраны только на электродах гальванического элемента, то вы глубоко ошибаетесь.

Представьте себе, что вы должны на санях спуститься со снежной горы по «дороге», имеющей такой профиль: сначала высокий и отвесный спуск, попросту говоря, высокий обрыв, потом абсолютно ровный участок и, наконец, опять обрыв.

Совершенно ясно, что если вы каким-то чудом уцелеете после первого обрыва, то по ровному участку ваши сани сами не пойдут – сани двигаются только тогда, когда есть какой-нибудь уклон.

То же самое произошло бы с электронами, образующими ток, если бы все избыточные заряды накапливались на электродах батарейки: переход электронов с «минуса» батареи, где их много, в провод цепи равносилен падению саней с обрыва, а дальше по проводам и особенно через лампочку ничем не подталкиваемые электроны двигаться не смогут, так же как сани сами по себе не могут двигаться по ровной местности.

Для того чтобы сани двигались все время, нужно, чтобы все участки дороги имели уклон.

Точно так же электроны двигаются по всей цепи лишь в том случае, если на концах любого ее участка имеется избыток или недостаток зарядов, то есть если на этом участке действует какая-то электродвижущая сила и выполняется работа для преодоления встречающегося сопротивления (рис. 14).

Рис. 14. Избыточные заряды – электроны и положительные ионы – не концентрируются на электродах батареи, а распределяются вдоль всей цепи так, что свободные электроны, образующие ток, на всем пути «подталкиваются» или «подтягиваются» от отрицательного электрода к положительному.

Вот эту-то электродвижущую силу мы и называем напряжением на участке цепи. Термин «э.д.с.» применяется только по отношению к самому источнику тока, да и то лишь в том случае, когда к нему не подключена электрическая цепь.

Но откуда берутся в электрической цепи избыточные заряды, которые могут создавать напряжение на отдельных участках?

Ну конечно же, это «продукция» нашей батарейки, результат происходящих в ней химических реакций. Лишние электроны, так же, как и атомы с недостающими электронами, не концентрируются только на электродах батарейки – в цепи «обрывов» нет! Сразу же после подключения батарейки с ее отрицательного электрода в один конец цепи моментально «хлынут» электроны, а с другого конца цепи электроны так же стремительно уйдут на положительный электрод, оставив в проводниках лишние положительные ионы. В результате этого избыточные заряды, появляющиеся на электродах батарейки, мгновенно распределяются по всей замкнутой цепи. Где бы ни находился электрон, он всегда «подталкивается» по направлению от отрицательного электрода к положительному, так же как сани по наклонной дороге все время катятся сверху вниз.

Для того чтобы картина спуска саней больше походила на движение электронов в цени, нужно представить себе, что сани спускаются не по снегу, а по дороге с участками из различных шероховатых материалов, например из асфальта, дерева, листового железа и т. п., аналогично тому, как движущиеся электроны на различных участках цепи преодолевают разное сопротивление проводника.

Для того чтобы сани по всему пути двигались с одинаковой скоростью, нужно, чтобы участки из очень шероховатого материала (например, асфальта) имели сравнительно большой уклон, а участки из более скользкого материала (например, листового железа) – меньший уклон. Точно так же напряжение на том или ином участке электрической цепи должно быть тем больше, чем больше сопротивление этого участка. Только при этом условии скорость движения электронов, то есть величина тока, во всей цепи будет неизменной. А то, что ток в любой точке цепи должен быть одинаковым, не требует особых пояснений. Ведь если в какой-нибудь точке цепи электроны вдруг начнут двигаться медленней, то электроны будут здесь непрерывно накапливаться, и через некоторое время этот участок станет источником тока. А такого, конечно, не бывает.

В замкнутой электрической цепи избыточные заряды, поступающие от батарейки, сами распределяются так, что во всех точках этой цепи протекает одинаковой силы ток. При этом, естественно, на участках с большим сопротивлением действует и большее напряжение. Это вполне согласуется с приведенной ранее формулой U = I·R. Напряжение U на каждом участке цепи так же, как и э.д.с. батареи, может быть измерено вольтметром. Для того чтобы до конца использовать наше сравнение, укажем, что увеличить скорость движения саней можно путем создания более высокого спуска или более скользкой дороги.

Точно так же для увеличения тока можно увеличить э.д.с. источника или уменьшить общее сопротивление цепи. Зависимость напряжения на том или ином участке цепи от сопротивления этого участка широко используется в так называемых делителях напряжения (листы 31, 33).

Примером такого делителя может служить наша цепь, состоящая из двух лампочек, на каждой из которых действует напряжение по 2,25 в (рис. 15, левая схема). Если бы сопротивление лампочки Л₁ было в два раза больше, чем сопротивление лампочки Л₂, то на первой из них действовало бы напряжение 3 в, а на второй – 1,5 в (рис. 15, правая схема). Подбирая определенным образом сопротивление цепи, с делителя можно получить напряжение, которое будет во сколько угодно раз меньше, чем э.д.с. батареи.

Рис. 15. Чем больше сопротивление участка цепи, тем большая часть э.д.с. затрачивается, чтобы преодолеть это сопротивление, тем, следовательно, больше падение напряжения (напряжение) на данном участке. Подбирая соединенные последовательно сопротивления, можно величину э. д. с. «разделить» в нужной пропорции.

Важно отметить, что относительно средней точки (точка б) напряжение на верхней лампочке будет положительным, а на нижней – отрицательным. Это равносильно тому, что человек, стоящий в середине нашего условного спуска, сможет увидеть и более высокую точку (начало спуска), и более низкую точку (конец спуска).

Если каждый участок электрической цепи, на котором действует какое-либо напряжение, является своего рода источником тока, то нельзя ли подключить к нему нагрузку? Вообще-то говоря, можно, но при этом уменьшится напряжение на участке, к которому эта нагрузка подключается. Для того чтобы понять, почему это происходит, давайте проделаем простейший опыт – параллельно одной из лампочек, например Л₂, подключим третью лампочку Л₃ (рис. 16).

Рис. 16. При подключении шунта параллельно какому-то элементу цепи уменьшается ток через этот элемент, а также уменьшается общее сопротивление участка.

Мы надеемся, что при этом напряжение, действующее на Л₂, вызовет слабое свечение лампочки Л₃. Однако этого не произойдет: после подключения Л₃, погаснет и лампочка Л₂. Вместе с тем лампочка Л₁ начнет светиться ярче. Оказывается, после подключения Л₃, напряжение на первой лампочке возросло, а на второй уменьшилось. Чем же вызвано такое перераспределение напряжений?

Мы знаем, что напряжение на участках цепи зависит от их сопротивления. С лампочкой Л₁ мы ничего не делали, и сопротивление ее возрасти не могло, а поэтому остается сделать лишь один вывод: при подключении Л₃ сопротивление правого участка цепи (участок бв) уменьшилось, что и привело к перераспределению напряжений, так же как это было бы в любом другом делителе.

Уменьшение сопротивления правого участка вполне объяснимо: включить две лампочки параллельно равносильно тому, что взять одну лампочку с более толстой нитью. Для расчета общего сопротивления двух параллельно включенных лампочек (или других элементов цепи) существует простая формула (листы 29, 30)

Ток на правом участке цепи разветвится – часть его пойдет через Л₂, а часть через Л₃. Если лампочки эти разные, ток большей силы пойдет через ту, которая имеет меньшее сопротивление. Если же сопротивления равны, то через лампочки Л₂ и Л₃ пойдет одинаковый ток. Однако при любом соотношении сопротивлений (а следовательно, и токов) на параллельно соединенных элементах цепи всегда действует одинаковое напряжение. Да иначе и быть не может! Ведь для общего тока, то есть для тока, который и определяет падение напряжения на том или ином участке цепи, важно общее сопротивление этого участка, независимо от того, какие в него входят потребители энергии и как они между собой соединены.

Сопротивление, подключаемое параллельно какому-нибудь участку цепи, называют шунтом, а сам процесс подключения параллельно сопротивления – шунтированием (листы 32, 34).

Так, например, можно сказать, что лампочкой Л₃ мы зашунтировали лампочку Л₂. Слово «шунт» в переводе означает «ответвление», «обходной путь».

Рассмотренные процессы позволят нам объяснить еще одно очень интересное явление. Попробуйте подключить к батарейке две, затем три и, наконец, четыре лампочки, соединенные параллельно. Вы сразу же заметите, что чем больше лампочек, тем слабее светится каждая из них. Все это может показаться совершенно необъяснимым. Ведь на всех лампочках действует одинаковое напряжение, равное э.д.с. батарейки, и казалось бы, что ток, проходящий через каждую из них, должен быть одинаковым – величина тока определяется по закону Ома независимо от числа подключенных лампочек. Однако в действительности это не так. Напряжение на лампочках не равно величине э.д.с. Чем больше лампочек мы подключаем к батарейке, то есть чем больше общий ток, потребляемый от нее, тем меньшее напряжение действует между выходными зажимами.

До сих пор мы рассматривали источник тока как некое идеальное устройство, забыв о том, что и в самом источнике теряется некоторая часть вырабатываемой им электрической энергии. В батарейке, например, часть энергии теряется в электролите и при движении зарядов по электродам. В машинном генераторе заметные потери возникают в проводах его обмоток.

Одним словом, для того чтобы реально изобразить источник тока, нужно добавить в его схему сопротивление, которое будет отражать все виды потерь внутри этого источника. Элемент цепи, о котором достаточно знать лишь то, что он обладает сопротивлением, на схеме обозначают в виде прямоугольника, возле которого обычно стоит буква R (лист 18). Такой элемент – внутреннее сопротивление источника R_вн– мы введем и в нашу схему, разместив его, разумеется, в самой батарее, то есть до ее выходных зажимов (лист 35).

Теперь видно, что вся электродвижущая сила распределяется между внешней цепью и внутренним сопротивлением источника. Увеличивая число лампочек, подключаемых к батарейке, мы тем самым увеличиваем потребляемый от нее ток.

А чем больший ток проходит по R_вн, тем больше напряжение теряемое на нем, и тем, следовательно, меньше напряжение U_б на зажимах батарейки. К такому же выводу можно прийти, если рассматривать нашу цепь как своеобразный делитель напряжения, в который входит внутреннее сопротивление R_вн и внешняя цепь. Чем больше лампочек мы подключаем к батарейке, тем меньше их общее сопротивление и тем меньшая часть э.д.с. приложена к внешней цепи.

Если говорить строго, то к внутреннему сопротивлению источника нужно было бы отнести и сопротивление соединительных проводов, так как и на них теряется часть напряжения. В нашем примере это не имеет особого значения, но в ряде случаев потери в проводах проявляются очень сильно. Посмотрите, как вечером в так называемые «часы пик» несколько слабеет свет ламп в вашем доме. Происходит это потому, что в такие часы особенно много включается потребителей электроэнергии. Из-за этого сильно возрастает ток, который по проводам идет с электростанции в ваш дом. Это, в свою очередь, приводит к тому, что увеличивается падение напряжения на сопротивлении проводов и уменьшается напряжение, подводимое к лампочке, телевизору или мотору электропроигрывателя. Подобное явление можно заметить даже при включении электроплитки, особенно в первый момент, когда спираль плитки не нагрелась и потребляет большой ток.