Главная   >>   Беседы по Электротехнике: Электричество - от простого к сложному

Беседы по Электротехнике: Электричество - от простого к сложному

Электричество - от простого к сложному. Часть 3.

Интересно, что даже в сильных электрических полях приращение средней скорости составляет не более ЕДИНИЦ САНТИМЕТРОВ в секунду. И в то же время электрическое поле обеспечивает это приращение каждому СВОБОДНОМУ электрону в электрической цепи ПОЧТИ ОДНОВРЕМЕННО. Это называется скоростью распространения электрического поля в проводнике. Она представляет собой величину, несколько превышающую 200000 км в секунду! Что несколько меньше скорости света в вакууме (300000 км в секунду).

Любой источник или генератор электрического поля характеризуется ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛОЙ (ЭДС), которая посредством генерируемого электрического поля сообщается перемещаемым по цепи электронам. ЭДС измеряется в ВОЛЬТАХ. При перемещении электрического заряда в ОДИН КУЛОН (1 Кл) источник тока выполняет работу в ОДИН ДЖОУЛЬ (1 Дж), если этот источник обладает ЭДС, равной 1 В. Если же ЭДС равна, например, 5 В, то выполненная работа соответствует 5 Дж. Кстати сказать, 1 Дж - это работа по поднятию груза массой в 109 г на высоту 1 м !

Итак, источник тока в силу определенных внутренних процессов на ВНЕШНИХ ВЫВОДАХ поддерживает некоторую разность электрических состояний, или ЭДС. Но когда мы соединяем какой - либо ПРОВОДЯЩЕЙ СИСТЕМОЙ эти электроды, по этой системе начинает протекать электрический ток. Вот эта ВНЕШНЯЯ, проводящая электрический ток система и называется электрической цепью! А в силу того что эта электрическая цепь замыкает (по определению) оба электрода источника ЭДС, такая внешняя цепь является замкнутой. В самом общем случае эта внешняя электрическая цепь характеризуется таким параметром, как СОПРОТИВЛЕНИЕ (R), которое выражается следующим соотношением:

R = U/I, где U - напряжение, I - ток.

Полезно запомнить: 1 В = 1000 мВ = 1000000 мкВ. 1 А = 1000 мА = 1000000 мкА. 1 Ом = 0,001 кОм = 0,000001 МОм. Или, что более привычно: 1МОм = 1000 кОм = 1000000 Ом. Вообще, принято говорить, что цепь, по которой течет ток, равный 1 А, при напряжении, равном 1 В, обладает сопротивлением 1 Ом.

В электронике часто применяются и такие величины: 1 мкА = 1000 нА = 1000000 пА. 1 ГОм = 1000 МОм= 1000000 кОм= = 1000000000 Ом! 1 кВ = 1000 В. Для того чтобы легко и наглядно описывать функционирование как угодно сложных электрических цепей, принята система условных обозначений. Воспользуемся ими, чтобы изобразить две ПРОСТЕЙШИЕ электрические цепи. На рис.5,а изображена электрическая цепь обыкновенного переносного фонарика.

Она содержит электрическую лампочку Л, выключатель S и источник ЭДС (батарейку) G. В качестве батарейки можно использовать "Крону" или КБС. Изображение любой электрической цепи (в документации) с помощью системы условных графических обозначений элементов, носит стандартное название ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ этой цепи.

Таким образом, на рис.5,б изображена принципиальная электрическая схема, содержащая резистор R1, выключатель S и батарейку G. Вообще, резистор в электротехнике и особенно в электронике находит широчайшее применение. Знакомство с некоторыми свойствами резистора начнем с ЗАКОНА ОМА. Если в простейшей цепи замкнуть переключатель S, то будет обеспечено протекание тока I, который легко определить из соотношения: I=U/R, где U - напряжение источника, В; R - электрическое сопротивление, Ом.

Электрическое сопротивление есть величина, обратно пропорциональная ПРОВОДИМОСТИ. Естественно, если изготовить этот резистор из материала, кристаллическая решетка которого имеет сложную структуру, а расстояния между узлами такой решетки малы, то ПРИРАЩЕНИЕ средней скорости электронов при наложении электрического поля будет невелико!

Это произойдет из-за того, что избыток скорости ПОГЛОЩАЕТСЯ структурой кристалла при соударениях свободных электронов с атомами решетки. При этом атомы получают дополни- тельную энергию, которая имеет тепловой характер. Поэтому вполне обоснованно можно сказать, что в резисторах происходит превращение энергии электрического поля, т.е. энергии источника - в тепло.

Тепловую энергию (рис.6,а) легко подсчитать по формуле

Р = UI = (IR)I = I2R.

Это означает, что НАГРУЗКА (в данном случае резистор R) потребляет от источника электрическую энергию, равную Р. Заметим, что разность потенциалов в точках "А" и "В", как легко видеть из рис.6,а равна U. В таком случае говорят, что ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ между точками "А" и "В" равно U. Теперь перейдем к рис.6,б. в котором два резистора, а именно, R1 и R2 включены ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО по отношению к источнику напряжения. В этом случае: I = U/(R1+R2); U = I(R1+R2). А вот падение напряжений на резисторах R1 и R2 запишем так

U1 = IR1; U2 = IR2; U = U1 + U2.

Рассмотрим еще один случай. На рис.7 показано так называемое СМЕШАННОЕ подключение резисторов R1, R2 и R3, т.е. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ включение резистора R1 и группы резисторов R2 и R3, соединенных между собой ПАРАЛЛЕЛЬНО.

 

 

 

Для этого случая запишем

U=U1+U2; U1=IR1; U2=I(R2||R3)=IR2R3/(R2+R3).

Ну а какие достаточно наглядные электронные цепи можно собрать практически, исходя из уже достигнутого "теоретического уровня"? В настоящее время одним из самых распространенных и дешевых электронных компонентов являются так называемые СВЕТОДИОДЫ.

Это удивительные изделия! Согласно своему названию, они способны излучать свет. Значит, они являются некоторой разновидностью электрической лампочки? А вот и нет, поскольку физический механизм излучения светодиодов совершенно иной. Для сравнения - нить лампочки накаливания, которая используется в ручном фонарике, раскалена почти до 2000°С! А кристаллик светодиода практически холодный, потому что его температура редко превышает 50°С. Кроме того, лампочка испускает беловато желтый свет, а светодиод, только выбирай - спектрально чистые цвета: желтый, зеленый, оранжевый, красный! В последнее время появились даже голубые и синие.