Рис. 6
* * *
ПОДСЧИТАЛИ — РАССМЕЯЛИСЬ
Перед нами простая задача. Электрическая лампочка с сопротивлением 405 ом нормально светится при токе 500 ма. На какую сеть рассчитана эта лампочка?
Расчет ведем по одной из формул закона Ома (рис. 5). Умножаем ток на сопротивление, то есть 500 на 405, и получаем… Вот это уже действительно смешно — по нашим расчетам, к лампочке нужно подвести напряжение 220 000 в! Неужели формула неверна?
Ошибку, конечно, допустили мы сами, причем ошибку грубую и смешную. Ток нужно было выразить просто в амперах или результат в милливольтах. Для того чтобы вы в дальнейшем не смеялись нал результатами своих расчетов, предлагаем вам табличку, где в вертикальных столбиках указаны «комплекты» единиц, которыми нужно пользоваться при расчетах по формулах закона Ома, а также при вычислениях мощности.
Если под руками нет этой таблички и вы встречаете затруднения в выборе единиц, то начинайте «от печки» — все величины выражайте в основных единицах: амперах, вольтах, омах, джоулях и ваттах.
* * *
Объясняется это очень просто. Ток во всех участках цепи должен быть одинаковым — сколько электронов вышло с «минуса», столько же должно войти в «плюс». Это условие обязательное. Если оно не выполняется, значит на одном из участков цепи заряды куда-то исчезают или, наоборот, откуда-то появляются. Ни то, ни другое, разумеется, невозможно. Для того чтобы ток во всей цепи был одинаковым, необходимо, чтобы на участках с большим сопротивлением заряды подталкивались с большей силой. Именно поэтому э. д. с. батареи автоматически распределяется так, что на участках с большим сопротивлением действует большая часть э. д. с. И еще один вывод, имеющий для нас большое практическое значение, — цепь из соединенных последовательно нескольких элементов фактически представляет собой делитель напряжения. Примером такого делителя может служить обычная елочная гирлянда, состоящая из большого числа низковольтных лампочек, соединенных последовательно.
Иногда делитель напряжения возникает помимо нашего желания. Вы, наверно, обращали внимание на то, что в карманном фонаре нормально горит лампочка, рассчитанная на 3,5 в, в то время как э. д. с. батарейки равна 4,5 в. То, что лампочка не только не сгорает, но даже не перекаливается, объясняется очень просто — напряжение на ней никогда не превышает 3,5–3,8 в. Куда же девается остальная часть э. д. с.?
Батарейка не только создает электродвижущую силу, но и частично расходует ее. Внутренние цепи батареи сами обладают сопротивлением, которое так и называется внутренним сопротивлением. Именно на нем теряется часть э. д. с. (рис. 6, б). Чем дольше работает батарея, тем больше ее внутреннее сопротивление (ничего не поделаешь — такова природа химических процессов, которые происходят в электролите и электродах). Из-за этого постепенно уменьшается напряжение, которое достается лампочке, она светится все более слабо.
В радиоэлектронной аппаратуре очень часто возникает необходимость погасить какую-то часть имеющейся э. д. с., создать делитель напряжения. Для этой цели используются специальные детали — сопротивления. Они бывают разные — проволочные (рис. 7, б), непроволочные (рис. 7, а), постоянные (рис. 7, а, б), переменные (рис. 7, в), разной конструкции и размеров, рассчитанные на разную мощность (рис. 7, г).
Рис. 7
Переходим к следующему опыту. Давайте параллельно одной из двух лампочек, соединенных последовательно, подключим третью (Л3, рис. 8, а). Параллельное соединение часто называют шунтированием. Шунтировать в переводе на русский язык означает создавать обходной, параллельный путь.
В данном случае действительно создается обходной путь для тока — в точке б ток разветвится — часть его пойдет по Л2, а часть — по Л3. При этом в каждой из двух параллельных ветвей ток окажется очень слабым, и обе лампочки практически светиться не будут. Но зато лампочка Л1 будет гореть намного ярче, чем до подключения шунта (Л3). Дело в том, что общее сопротивление двух параллельно включенных лампочек вдвое меньше, чем одной, — включить две лампочки параллельно это то же самое, что взять одну с более толстой нитью. Ну, а раз сопротивление какого-нибудь участка цепи уменьшилось (в нашем случае это участок бв), то на нем действует меньшая часть э. д. с. и поэтому возрастает напряжение, которое достается лампочке Л1.
Рис. 8
Между прочим, если бы сопротивление лампочек Л2 и Л3 было неодинаковым, то по ним пошел бы и разный по величине ток. При параллельном соединении всегда выполняется такое правило: чем меньше одно из сопротивлений, тем большая часть тока в него ответвится (рис. 8, б). Одним словом, ток старается идти по пути наименьшего сопротивления.
Закон Ома соблюдается не только для простейшей, но и для любой сложной цепи, а также для каждого ее участка в отдельности. Так, в частности, для того, чтобы определить общий ток, потребляемый от батареи, нужно прежде подсчитать общее сопротивление всей цепи, а затем производить вычисления как обычно — по закону Ома. Ток I в любом участке цепи можно также подсчитать по закону Ома, если известно напряжение U на этом участке и его сопротивление R.
Отсюда можно сделать важный логический вывод: чем больше ток, проходящий по какому-нибудь сопротивлению, тем больше и действующее на нем напряжение (рис. 9).
Рис. 9
Это очень хорошо иллюстрируется предыдущим примером. Подключив третью лампочку, мы уменьшили сопротивление одного из последовательных участков цепи (участок бв), а значит, и ее общее сопротивление. При этом естественно увеличился общий ток (закон Ома!) и, значит, увеличилось напряжение (иногда еще говорят: падение напряжения) на лампочке Л1, по которой этот общий ток проходит.
В заключение этой главы несколько слов о работе и мощности.
Мы с вами говорили, что э. д. с., а значит и напряжение на каком-либо участке цепи, характеризует ту силу, которая заставляет свободные заряды двигаться и таким образом создает электрический ток. Нужно признаться, что это не очень строгая формулировка — она скорее создает образ, чем дает четкое определение. Строго говоря, напряжение, или э. д. с., — это работа, которую сможет выполнить источник тока, перемещая заряды по цепи. Напомним, что единица работы в практической системе единиц — это джоуль (дж). Он соответствует поднятию груза в 102 г на высоту 1 м, то есть равен 0,102 килограммометра (кГм). Так вот, если, перемещая по цепи заряд в 1 к, источник выполняет работу в 1 дж, то э. д. с. такого источника равна одному вольту. Аналогично определяется и вольт напряжения на участке цепи. Совершенно ясно, что чем меньше силы, которые двигают заряд (первое определение), то есть чем меньше его работоспособность (второе определение), тем меньше и напряжение.
Мощность во всех случаях — это работа, отнесенная к единице времени. Единицей мощности служит ватт (вт), который показывает, какая работа в джоулях выполняется за одну секунду. Очень просто подсчитать мощность, выделяемую на каком-нибудь участке электрической цепи. Для этого нужно напряжение на этом участке умножить на величину проходящего по нему тока. Поскольку напряжение — работа в джоулях, которая приходится на один кулон, а ток в амперах — число кулонов за одну секунду, то произведение этих величии даст мощность в ваттах.
