Комментарии к первой беседе

Комментарии к первой беседе

Потенциал, проводники и диэлектрики

В этой беседе Любознайкин сумел изложить Незнайкину множество необходимых понятий из области электротехники, которые мы постараемся здесь систематизировать.

Атомы всех веществ состоят из определенного количества электронов и протонов. Первые представляют собой элементарные отрицательные электрические заряды, а вторые, составляющие ядро атома, являются элементарными положительными зарядами. Соотношение между количествами этих зарядов определяет электрическое состояние, или потенциал атома. Атом нейтрален, если он содержит столько же электронов, сколько и протонов. Он отрицателен, если количество электронов превышает количество протонов, и положителен при обратном соотношении.

Следует отметить, что в данном атоме количество протонов всегда остается постоянным; только некоторые электроны могут, преодолевая силу притяжения, существующую между электронами и протонами, переходить от одного атома к другому Кроме того, такие «свободные» электроны существуют лишь в определенных веществах, именуемых проводниками. Вещества, атомы которых не содержат свободных электронов, принадлежат к категории диэлектриков.

Помимо электронов и протонов, ядро атома может содержать нейтроны, которые, увеличивая массу атома, не изменяют его электрическое состояние.

Электрический ток

Когда между атомами проводника существует разница в электрическом состоянии, или разность потенциалов, равновесие восстанавливается благодаря переходу избыточных электронов с отрицательного края — полюса на положительный Переход электронов от отрицательного полюса к положительному представляет собой электрический ток. Направление движения электронов противоположно условному направлению тока (от положительного полюса к отрицательному), принятому еще в те времена, когда не знали природы электрического тока.

Следует отметить, что движение электронов вдоль проводника происходит не так просто, как можно было бы предположить по объяснению Любознайкина.

По проводнику пробегает от одного конца до другого не один и тот же электрон. Чаще всего этот электрон лишь переходит с одного атома на соседний, откуда другой электрон перескакивает на следующий атом и т. д. Собственная скорость электрона относительно мала, но общее движение происходит с постоянной скоростью, близкой к 300 000 км/сек, которая и является скоростью распространения электрического тока.

Электроны можно уподобить веренице автомобилей, остановившихся перед закрытым железнодорожным переездом. Когда шлагбаум поднимается, вся вереница машин быстро приходит в движение. Последняя машина трогается с места очень скоро после первой, это и есть скорость тока. Однако индивидуальная скорость каждой машины (скорость электронов) в этот момент относительно невелика.

Если ничто не будет поддерживать на концах проводника разность потенциалов, или напряжение, то после установления электрического равновесия ток в проводнике прекратится.

Чтобы ток протекал безостановочно, нужно непрерывно добавлять электроны к атомам отрицательного полюса и отнимать электроны от положительного полюса. В этом и заключается роль любого источника тока, который производит электрическую энергию. Таким источником может быть электрическая батарея (где химическая энергия преобразуется в энергию электрическую), термоэлектрическая батарея (превращающая тепло в электричество) или генератор, установленный на электростанции, который преобразует механическую энергию двигателя в электрический ток.

Следует отметить, что внутри источника питания электроны движутся от положительного полюса к отрицательному (рис. 136). Это происходит поточу, что электроны должны быть отняты у атомов положительного полюса, с тем чтобы создать избыток их в атомах отрицательного полюса. Таким образом, в электрической цепи электроны движутся в том же направлении от одного конца к другому.

Рис. 136. Движение электронов через источник питания и по внешней цепи.

Вольт, ампер, ом

Разность потенциалов, или напряжение, существующее между двумя точками проводника, измеряется и выражается в вольтах.

Количество электронов, проходящее через поперечное сечение проводника в секунду, может быть более или менее значительным. Оно определяет силу (интенсивность) тока, которая измеряется в амперах.

В зависимости от длины, сечения и материала проводник оказывает прохождению тока большее или меньшее сопротивление. Сопротивление измеряется в омах.

Чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление. Но чем больше сечение проводника, тем меньше его сопротивление.

Закон Ома

Повышая напряжение, приложенное к концам данного проводника, мы тем самым пропорционально увеличиваем количество приведенных в движение электронов, т. е. силу тока Таким образом, мы можем констатировать, что сила тока прямо пропорциональна напряжению.

Прикладывая одинаковое напряжение к проводникам с разным сопротивлением, можно заметить, что проводники, имеющие большее сопротивление, пропускают более слабый ток. Отсюда следует, что сила тока обратно пропорциональна сопротивлению.

Обе отмеченные выше закономерности сформулированы в законе Ома, сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Поэтому, когда известна величина напряжения (в вольтах), приложенного к концам проводника, сопротивление которого известно (и выражено в омах), то, разделив первую величину на вторую, мы находим силу тока (в амперах), протекающего через этот проводник Так, прикладывая напряжение 10 в к проводнику сопротивлением 5 ом, мы получаем ток в 2 а. Точно так же, как напряжение 1 в, приложенное к проводнику с сопротивлением 1 ом, даст ток 1 а.

Закон Ома является основным законом электротехники и радиотехники. Поэтому необходимо хорошо запомнить приводимые ниже основные виды этого закона.

Три вида закона Ома

В формуле закона Ома

I = U/R

напряжение U представляет собой делимое, сопротивление R — делитель и ток I — частное. Вспомним, что делимое равно произведению делителя на частное/ Поэтому мы можем выразить этот же закон в новом виде:

U = I·R.

Это означает, что напряжение равно произведению тока на сопротивление. Следовательно, зная величину тока, протекающего через проводник с известным сопротивлением, мы можем, перемножив эти две величины, определить напряжение, создающее данный ток.

И, наконец, исходя из этого второго вида закона Ома U = I·R и вспомнив, что произведение U при делении его на один из сомножителей I дает другой сомножитель R, мы можем написать:

R = U/I

Эта формула и является третьим видом закона Ома. Мы видим, что сопротивление равно напряжению, деленному на ток.

Если мы знаем величину напряжения на концах проводника и величину тока, которую оно определяет, мы можем получить значение сопротивления проводника, разделив первую величину на вторую.

На этом законе основаны омметры — приборы, служащие для измерения сопротивления проводников. Они содержат батарею с известным напряжением и амперметр (прибор для измерения силы тока). Когда напряжение батареи прикладывается к измеряемому проводнику, амперметр показывает величину установившегося тока После этого для определения величины измеряемого сопротивления достаточно разделить известное напряжение батареи на величину тока, отсчитанную по амперметру.