ТЕОРИЯ: ПОНЕМНОГУ - ОБО ВСЕМ
1.2. Постоянный электрический ток.
В электростатике заряды считаются неподвижными, а их поля — неизменными во времени. Когда же происходит разрядка, например, конденсатора, заряды перетекают с пластины на пластину, мы наблюдаем движение зарядов. Направленное движение зарядов называется электрическим током (рис. 2,а). Он измеряется в амперах — одной из основных единиц системы СИ — и численно равен заряду, переносимому в единицу времени: I=q/t (ток).
Рис. 2
Ток возникает в проводнике, если к его концам приложена разность потенциалов— напряжение U. Одни проводники проводят ток хорошо, т. е. обладают малым сопротивлением движению зарядов, другие — плохо, т. е. имеют большое сопротивление R. Связь между напряжением, током и сопротивлением установил Георг Ом (1787-1854), и это основное в электротехнике соотношение носит его имя: I=U/R или U=I R (закон Ома). На электрических схемах сопротивление изображают прямоугольником (рис. 2,б).
Сопротивление любого провода прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S: R=pl/S (сопротивление).
Коэффициент пропорциональности р носит название удельного сопротивления, оно зависит только от материала, из которого изготовлен провод. Наилучшие проводники (имеющие малое удельное сопротивление) — медь, алюминий и серебро. Золото не столь хороший проводник, но зато не подвержено окислению. Именно из этих соображений многие электрические контакты делают позолоченными. Слой окисла на контактах резко повышает сопротивление и делает контакт неустойчивым, поэтому соединение проводов скруткой и нежелательно, и недолговечно. В радиолюбительской практике рекомендуется использовать пайку.
Чем же вредно или полезно сопротивление? Тем, что на нем при прохождении электрического тока выделяется мощность, превращающаяся в тепло (закон Джоуля-Ленца). Так устроена, например, электроплитка, спираль которой намотана из провода с высоким удельным сопротивлением (нихром). Мощность измеряется в ваттах, она равна произведению тока в амперах и напряжения в вольтах. Используя закон Ома, мощность можно выразить через напряжение и сопротивление или ток и сопротивление: P=U I; P=U2/R; P=I2 R (мощность).
Если два проводника с сопротивлениями R1 и R2 соединить последовательно (рис. 2,в), их сопротивления суммируются: R=R1+R2. Если же соединить их параллельно (рис. 2,г), то общее сопротивление будет меньше, чем наименьшее из R1 и R2. В радиотехнике часто нужно иметь заранее известное сопротивление, для этого служат детали, называемые резисторами. На них указываются номинальное сопротивление и допуск в процентах, а размер резистора определяет допустимую мощность рассеивания, превосходить которую нельзя, иначе резистор нагреется и сгорит. Обычно используют резисторы на мощность рассеивания от 0,125 до 2 Вт.
Постоянный ток течет в одном направлении — от положительного полюса источника питания или положительного заряда к отрицательному — и не изменяется во времени. Электроны же, создающие ток в металлах, движутся как раз в обратном направлении.
Источниками постоянного тока могут служить гальванические элементы и батареи — в них отдельные элементы соединяются последовательно для увеличения напряжения. Устройство гальванического элемента напоминает устройство конденсатора, стой лишь разницей, что пластины делают из разнородных материалов, а пространство между пластинами заполняют электролитом в виде жидкости (жидкостные элементы), или геля (сухие элементы). Разность потенциалов на их выводах создается благодаря химическим реакциям, происходящим между веществом пластин и электролитом. Она называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.
Когда мы соединяем выводы источника с некоторым сопротивлением R, в образовавшейся замкнутой цепи протекает ток (рис. 2,д). Но полное сопротивление цепи складывается из внешнего R и внутреннего r самого элемента, поэтому ток в цепи определяется выражением: l=E/(R+r) (закон Ома для полной цепи).
Напряжение же на нагрузке R будет меньше, чем ЭДС: U =l R=ER/(R+r). Электрики говорят, что нагрузка "подсаживает" напряжение, и этот эффект заметен даже в домашней электросети — когда включают мощную нагрузку, например утюг, лампочки светят чуть тусклее. Вы сами можете произвести эксперимент — присоединить вольтметр к батарее карманного фонаря, а затем включить фонарь. ЭДС батареи составит около 4,5 В, а напряжение при горящей лам почке —только 3....3,5 В.
Если замкнуть выводы элемента накоротко (чего делать не следует, чтобы не разрядить батарею раньше времени), потечет ток короткого замыкания, равный Е/r. Даже у маленьких "пальчиковых" элементов он может достигать нескольких ампер. Особенно маленькое внутреннее сопротивление у аккумуляторов, например автомобильных стартерных. У них ток короткого замыкания может достигать тысячи и более ампер, и это очень нежелательно из-за брызг расплавленного металла, разлетающихся от проводов и выводов. Остерегайтесь подобных экспериментов!
Радио, 1998
