Невозможно представить себе химика, который не понимает язык химических формул, или конструктора самолётов, который не умеет читать чертежи. Для того чтобы разбираться в электрической технике, как уже говорилось (Т-7), нужно освоить несколько профессиональных языков, в том числе язык электрических схем. Знание языка схем — это прежде всего понимание зависимости токов и напряжений от какого-нибудь элемента, например от резистора или от конденсатора в цепи переменного тока. Размышления о такой зависимости чем-то напоминают дедуктивный метод Шерлока Холмса (дедукция — вывод, сделанный по правилам логики), позволивший великому сыщику раскрыть не одно запутанное дело. Использование языка электрических схем тоже даёт реальные практические результаты — позволяет, в частности, понять, какой именно элемент и каким образом нарушил нормальный режим цепи и что конкретно нужно сделать, чтобы вернуть режим к норме.

Т-72. Условное направление тока — от «плюса» к «минусу». Когда разбираешь сложную схему, то нередко в буквальном смысле слова приходится водить по ней пальцем, следить за тем, куда направляется ток, через какие элементы проходит, где разветвляется, куда в итоге попадает. Чтобы упорядочить анализ схем, чтобы их описанием все могли пользоваться без каких-либо ограничений и предупреждений, нужно знать несколько уже сложившихся и, можно сказать, общепринятых правил. Одно из них такое: при описании и разборе схем условным направлением тока считается направление от «плюса» к «минусу». Это значит, что в электрических цепях как бы создают ток и работают в нагрузке не свободные электроны, а какие-то свободные положительные заряды. «Как же так? Почему такая страшная несправедливость? — спешит возмутиться разволновавшийся читатель. — Ведь известно, что в электрических цепях ток, как правило, создают электроны, а они, конечно, двигаются от «минуса» к «плюсу». Почему же для условного тока выбрали противоположное направление?»

Ответ содержит три аргумента.

Во-первых, когда приняли условное направление тока от «плюса» к «минусу», то ещё не знали, что основные работники в электрических цепях — свободные электроны. Сейчас уже написаны тысячи книг, в том числе учебников, все их авторы согласились при разборе схем направлением тока считать «от «плюса» к «минусу», изменить эту договорённость во много раз сложнее, чем принять её.

Во-вторых, в жидких и газообразных проводниках электрический ток могут создавать не только свободные электроны, но также свободные ионы — положительные и отрицательные (Р-14). Поэтому в жидком или газообразном проводнике ток идёт одновременно в двух противоположных направлениях: свободные электроны и отрицательные ионы идут от «минуса» к «плюсу», положительные ионы — от «плюса» к «минусу». Любое из этих двух направлений можно использовать, когда водишь пальцем по схеме, пытаясь проследить, куда в ней движутся токи.

Ну и, в-третьих, условное направление тока — это всего лишь помогающий разобраться в схеме технический приём, на реальные события в цепи он, разумеется, никак не влияет. Более того, он не влияет на результат разбора схемы — где были «плюс» и «минус», там они и останутся, по каким цепям шёл электронный поток, по тем же пойдёт и условный ток, не изменятся напряжения на участках цепи, сила токов, мощность. Только пальцем вы будете водить в другую сторону, вспоминая, когда нужно, куда именно движутся электроны.

Так что раз договорились от «плюса» к «минусу», то давайте будем считать, что всё происходит именно так. А если у кого-то появится внутренний протест, то можно считать, что проводник сделан из антивещества — что у электронов положительный заряд, а у ядра отрицательный и что на «плюсе» батареи создаётся избыток этих положительных электронов, а на «минусе» их нехватка.

Кстати, электрон с положительным зарядом действительно существует, он называется «позитрон», появляется в некоторых ядерных процессах и живёт очень недолго. Но скоро вы обо всём этом не захотите думать и, следуя указаниям учебников, будете спокойно водить пальцем по схеме от «плюса» к «минусу», главным образом стараясь не сбиться с правильного пути.

ВК-80. Основная характеристика магнитного поля в разных объектах и в разных точках пространства — это магнитная индукция, обозначаемая буквой В. Она говорит о реальной силе, с которой магнитное поле действует на условленную порцию магнетизма. В системе СИ для оценки индукции В применяют единицу тесла, а также единицу гаусс из другой системы. Обратите внимание на очень слабое магнитное поле Земли, которое позволяет, однако, простыми приборами определять направление на Север.

Т-73. Определил силу тока, надо учитывать все движущиеся заряды. Мы вспомнили о том, что в газообразных и жидких проводниках ток могут создавать как отрицательные, так и положительные заряды и что двигаются они в разные стороны. Раз уж зашла об этом речь, давайте задумаемся: а как в подобном случае определяется сила тока?

На первый взгляд может показаться, что в счёт нужно принимать разность между количеством положительных и отрицательных зарядов. Потому что одни идут туда, другие — обратно, какое движение преобладает, то в итоге и создаёт ток. Такая логика, однако, неверна — независимо от того, в какую сторону идут заряды и какие это заряды (электроны или ионы), они всегда работают. И те и другие, к примеру, в процессе своего движения ударяют по неподвижным атомам (Т-8), вырабатывают тепло, свет. Поэтому, определяя ток в цепи, где движутся разные типы зарядов, нужно учитывать общее их количество, учитывать не разность, а сумму зарядов. Если по проводнику за 1 секунду в одну сторону прошло 6 миллиардов миллиардов электронов (1 кулон) и за то же время в другую сторону прошло столько же положительных однозарядных ионов (атомов с одним потерянным электроном, то есть с одним лишним «плюсом»), то ток составляет 2 ампера. Потому что всего через поперечное сечение проводника за 1 секунду прошёл заряд в 2 кулона — в одну сторону 1 кулон и в противоположную 1 кулон.

Отметив между делом этот любопытный факт, мы возвращаемся к своей основной теме — к законам электрических цепей и к процессам, которые в этих цепях происходят.

ВК-81. Магнит и путь, по которому замыкается его поле, иногда представляют как магнитную цепь. Для неё, по аналогии с электрической цепью, введены такие характеристики, как магнитодвижущая сила м.д.с., магнитное сопротивление, магнитный поток. Для магнитной цепи существует и свой закон Ома — магнитный поток (подобие электрического тока) растёт с увеличением м.д.с. и падает с ростом магнитного сопротивления. А оно зависит от вещества, по которому замыкается поле.

ВК-82. Проведём три несложных исследования очень популярного электротехнического прибора — электромагнита. Пропустим по его катушке ток и убедимся, что электромагнит работает, — у него появилось магнитное поле, которое сразу же притянуло небольшую стальную гирю. Небольшую потому, что витков в катушке сравнительно немного и ток по ней пока идёт сравнительно небольшой — всё это создаёт не очень сильное магнитное поле, на одну небольшую гирьку у него сил хватило, но не более.

ВК-83. Теперь на старом месте (ВК-82) стоит новая катушка, в ней уже 500 витков, в то время как в первой их было всего 200. Кроме того, и ток в катушке увеличен в три раза — был 1 ампер, а стало 3 ампера. Теперь у магнитного поля электромагнита сил побольше, он поднял сразу несколько гирь, в том числе одну довольно тяжёлую.

ВК-84. И наконец, третий, последний эксперимент — электромагнит поднял все стальные гири, в том числе одну очень большую и, значит, очень тяжёлую. Можно отметить, что по сравнению с предыдущим опытом (ВК-83) с катушкой никаких изменений не произошло — в ней так и осталось 500 витков и ток по обмотке идёт такой же — 3 ампера. Но секрет успеха виден сразу — это вставленный в катушку стальной сердечник, который, намагнитившись, может увеличить силу магнитного поля в десятки и в сотни раз.

Р-24. НЕЗАСЛУЖЕННО НЕЛЮБИМАЯ МАТЕМАТИКА. Тема, конечно, не для этого раздела и вообще не для этой книги. Школьники не любят математику по разным причинам, в том числе и потому, что не знают, не понимают, как много математика сделала для нормальной жизни человека. И иногда из-за этого без внимания остаются простые решения этой высокой и сложной науки, которые могли бы в трудную минуту принести пользу даже человеку без особой математической подготовки. На этом рисунке приведено несколько примеров простой задачи — у вас есть уравнение, позволяющее подсчитать неизвестную величину А при известных В и С. Но так случилось, что А вам в большинстве случаев известна, а неизвестна какая-то другая величина. Что делать? Всё очень просто — нужно так преобразовать каждое равенство, чтобы неизвестная величина осталась в них в одиночестве, и тогда её легко будет подсчитать, зная две остальные. На рисунках показано, как это делается, но, поскольку подобные задачи ещё будут вам встречаться, запомните общее правило: имея равенство, вы можете проводить с ним любые действия, но при одном условии — с обеими частями (до знака равенства и после него) одни и те же.

Т-74. При параллельном соединении резисторов их общее сопротивление меньше наименьшего. Общее сопротивление последовательной цепи равно сумме всех сопротивлений — электрический ток поочерёдно преодолевает все препятствия, и для него они в итоге суммируются. Напомним, что сопротивлением на схеме могут быть представлены самые разные элементы реальной цепи: лампочки, соединительные провода, электрические чайники, электромоторы и тому подобное. А вот если к какому-нибудь сопротивлению другое подключить параллельно, то сопротивление участка цепи уменьшится — у тока появится дополнительный путь, и двигаться зарядам станет легче. Так, например, соединить параллельно два куска провода это то же самое, что взять один кусок, но большего диаметра, а с увеличением диаметра сопротивление провода, как известно, падает.

При параллельном соединении двух сопротивлений их общее сопротивление подсчитывается по довольно простой формуле, её можно запомнить по неофициальному названию «Произведение на сумму» — имеется в виду, что произведение двух параллельно соединённых сопротивлений делится на их сумму.

Если параллельных сопротивлений будет больше, то сначала можно подсчитать общее сопротивление двух любых, затем к этому вычисленному общему сопротивлению двойки как бы подключить третье, затем к тройке подключить четвёртое сопротивление и так далее. Конечный результат нетрудно предсказать: при параллельном соединении сопротивлений их общее сопротивление всегда меньше наименьшего.

Задача сильно упрощается при параллельном соединении одинаковых сопротивлений — в этом случае разделите любое из них на общее их число и получите общее сопротивление. Например, соединив параллельно 2 сопротивления по 100 ом, получите 50 ом, а соединив четыре таких сопротивления, — 25 ом.

Т-75. Мощность в электрической цепи — произведение тока на напряжение. Мы уже встречались с этими двумя очень важными характеристиками — работой А и мощностью Р в электрической цепи. Работа А, также как энергия, измеряется в джоулях (Дж), и эта единица соответствует работе силы в 1 ньютон на пути вертикально вверх в 1 метр, то есть 1 Дж = 1 Н ∙ 1 м. Мощность Р говорит о том, насколько интенсивно, насколько быстро выполняется работа, единица мощности 1 ватт (Вт) — это когда работа в 1 джоуль выполняется за 1 секунду, то есть 1 Вт = 1 Дж/1 с.

Сейчас мы уже в состоянии определить мощность, которую вырабатывает генератор и тратит её для преодоления какого-либо участка цепи. Что такое сила тока 1 ампер? Это когда через какой-нибудь участок цепи за 1 секунду проходит заряд в 1 кулон. Что такое напряжение 1 вольт? Это когда генератор, продвигая по выбранному нами участку заряд в 1 кулон, совершает работу в 1 джоуль. Отсюда вывод: при напряжении U = 1 В и токе I = 1 А генератор на выбранном нами участке цепи за одну секунду выполняет работу в 1 Дж. Или скажем иначе: на каждый кулон приходится работа 1 джоуль и за секунду генератор отправляет на работу 1 кулон. А если напряжение окажется в 2 раза больше, то работа по продвижению каждого кулона возрастёт вдвое и мощность увеличится тоже в 2 раза. Точно так же мощность увеличится во столько раз, во сколько раз возрастёт ток, то есть возрастёт число работающих кулонов. Коротко говоря, мощность в ваттах, потребляемая участком цепи, это произведение напряжения на этом участке цепи в вольтах на протекающий по нему ток в амперах, то есть Р = U∙I.

ВК-85. Все вещества по их поведению в магнитном поле делятся на три группы — диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные (от слова «феррум» — «железо»). Первые две группы практически безразличны к магнитному полю — диамагнитные вещества на малые доли процента его ослабляют, парамагнитные — столь же незначительно усиливают поле. А вот ферромагнитные вещества, попав в магнитное поле, сами намагничиваются, и в итоге поле становится во много раз сильнее.

Р-25. НАША ПЕРВАЯ НАСТОЯЩАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА. Вот мы, наконец, добрались до настоящего, работающего электрического прибора по имени «фонарь». Питание он получает от двух последовательно соединённых элементов, и таким образом к лампочке подводится напряжение около 3 вольт. При этом лампа горит достаточно ярко, её нормальное напряжение 3,5 вольта, и многие типы элементов почти столько же могут дать ей. Лишь к концу срока службы (а у некоторых элементов также из-за длительного хранения) заметно увеличивается внутреннее сопротивление элементов, на них теряется всё большая часть э.д.с., лампочкам достаётся всё меньше и меньше напряжения и они светят все слабее и слабее.

Теперь о мощности, потребляемой от генератора.

Напряжение на выходе генератора U_г — не что иное, как часть э.д.с. Е, действующая на выходе генератора, на его выходных клеммах. Общий ток, который генератор создаёт во всей схеме, обозначим так — I_общ. С этими обозначениями мы легко запишем общую мощность Р_общ, которую должен развивать генератор, для того чтобы все элементы подключённой к нему сложной цепи получали то, что им нужно для нормальной работы, — часть общей мощности Р_общ = U_г∙I_общ.

Несколько сложнее и при этом, возможно, интереснее может определяться мощность в каком-нибудь участке сложной цепи, хотя и здесь она, как всегда, равна произведению тока I и напряжения U на этом участке (Р = U∙I). В формулу мощности вместо напряжения на участке цепи U можно подставить его значение, взятое из закона Ома для участка цепи, U = I∙R. После этой подстановки окажется, что мощность зависит от тока в квадрате Р = I²∙R, если в каком-либо участке цепи каким-то образом увеличить ток в 2 раза, то мощность возрастёт в 4 раза. Дело в том, что ток, образно говоря, двумя рычагами воздействует на величину мощности: в 2 раза мощность возрастёт за счёт увеличения самого тока и ещё в 2 раза за счёт того, что с увеличением тока, согласно закону Ома, возрастает и напряжение на участке цепи.

Точно так же, воспользовавшись расчётной формулой закона Ома, можно показать, что мощность зависит от квадрата напряжения, Р = U²/R. Из всех этих простых формул можно получить очень удобные расчётные формулы, одна из них позволяет по известной потребляемой мощности какого-либо прибора подсчитать потребляемый им ток. Нетрудно, например, прикинуть, что через лампочку мощностью 60 Вт для сети 220 В идёт ток около 0,3 А. Ну а зная напряжение и ток, можно при необходимости по расчётной формуле, полученной из закона Ома, подсчитать сопротивление участка цепи R = U/I, окажется, что сопротивление 60-ваттной лампочки более 700 Ом, а 100-ваттной — около 500.

Ещё раз отметим, что сама эта характеристика «мощность» может относиться и к генератору, и к нагрузке, и к любому другому элементу цепи. Мощность генератора говорит о том, какую работу он может выполнять в электрической цепи каждую секунду. Мощность, которая указана на приборах, потребляющих энергию, это то, что в нормальном режиме может переварить этот прибор, использовать для какого-нибудь полезного дела. Например, если на лампочке написано «100 Вт», это значит, что каждую секунду она может превращать в свет (и, к сожалению, в тепло) 100 джоулей электрической энергии. А если подвести к такой лампочке мощность побольше, увеличив, например, напряжение, то лампочка с ней просто не справится и выйдет из строя. Количество тепла, выделяемого в лампочке, недопустимо возрастёт, температура нити превысит расчётную величину, нить в своём наиболее тонком месте расплавится, и в цепи появится разрыв — лампочка, как говорят в таких случаях, перегорит.

Мощность, указанная на корпусе резисторов, также предостерегает от нарушения теплового режима — если превысить допустимую мощность, резистор может перегреться, его проводящий слой разрушится (это заметно внешне — чернеет окраска корпуса), и деталь выйдет из строя.

ВК-86. Аппарат для магнитной записи звука это прежде всего небольшой электромагнит — записывающая головка. В его сердечнике сделана тонкая щель — зазор, к нему прилегает и равномерно движется магнитная лента. По катушке электромагнита идёт меняющийся ток, электрическая копия звука, который нужно записать. Магнитное поле сердечника замыкается не через зазор, а через прилегающую к нему ленту с ферромагнитным слоем. Её остаточная намагниченность и есть запись изменений тока, то есть запись звука.

Р-26. ЗАКОН ОМА. Есть несколько важных и полезных соотношений, замеченных в опытах с электрическими цепями. Первым и особо важным принято считать соотношение (1), которое в 1827 году обнаружил и объяснил немецкий физик Георг Ом, оно и носит его имя с почётным титулом «закон» — закон Ома. Это соотношение отмечает, как в электрической цепи связаны получаемая от генератора электродвижущая сила (её принято обозначать буквой Е), созданный генератором в этой цепи ток I и общее её сопротивление R, которое может быть образовано многими сопротивлениями, соединёнными последовательно или параллельно. В главной формуле закона Ома (1) чётко обозначена связь между этими величинами, и здесь же видна обнаруженная Омом прямая пропорциональная их зависимость: увеличиваем э.д.с. Е в 5 раз — и ток I возрастёт тоже в 5 раз, увеличим сопротивление R в 2 раза — и в те же 2 раза уменьшится ток I. О самой этой прямой пропорциональности (во сколько раз — во столько же раз) часто не вспоминают, считая, видимо, её обычным, нормальным явлением и отмечая лишь вполне возможную зависимость иного рода, например, увеличиваем э.д.с. в 5 раз, а ток, ранее тоже возраставший в 5 раз, на этом участке возрастает в 3 раза или вообще не меняется (Р-103).

В конце этого рисунка приведено несколько конкретных примеров (3), показывающих, как работает закон Ома, как по его формуле при изменении Е или (и) R легко подсчитать ток I в цепи.

Кроме того, пользуясь уже знакомым нам правилом (Р-24), из главной формулы закона Ома получены две расчётные формулы (2), позволяющие подсчитать Е, если известны ток и сопротивление цепи, и подсчитать R по известным току и э.д.с.

Т-76. Несколько полезных грамматических правил для языка электрических схем. Закон Ома для всей цепи и закон Ома для отдельных её участков можно назвать частью грамматики языка электрических схем. Если понадобится, эта грамматика поможет наглядно представить себе многие невидимые процессы, которые происходят в электрических цепях. Есть, правда, электрические цепи, которые не подчиняются закону Ома, но это, как говорится, совсем другая история, и о ней пока можно не вспоминать.

К первым двум «грамматическим правилам» можно добавить ещё два — это, как их называют, законы Кирхгофа, о сути которых уже говорилось, правда, без их официального названия. Первый закон Кирхгофа говорит о том, что сумма всех токов, которые приходят в какую-либо точку цепи, равна сумме токов, которые из неё уходят. Иначе и быть не может — если зарядов приходит больше, чем уходит, то, значит, заряды будут бесконечно накапливаться в этой точке цепи, что, как мы уже давно поняли, невозможно. Второй закон Кирхгофа говорит о том, что сумма всех напряжений на участках цепи равна электродвижущей стиле, которая эту цепь кормит (Т-8). Это тоже не вызывает сомнений — напряжения на участках фактически есть сумма распределившейся между ними э.д.с.

Ещё два полезных соотношения — они показывают, чему равно общее сопротивление при последовательном и параллельном соединении. К этим первым нашим «грамматическим правилам» добавим ещё три: зависимость мощности от тока и напряжения (совместно) и квадратичная зависимость мощности от тока или от напряжения.

Получившийся комплект позволит разбираться в достаточно сложных электрических цепях.

ВК-87. Работа электродвигателей основана на выталкивании проводника с током из магнитного поля. Это взаимодействуют два магнитных поля — внешнего магнита и проводника, по которому идёт ток. Сила выталкивания F растёт с увеличением тока I и индукции В внешнего поля. Направление силы F определяется по правилу левой руки — если её ладонь обращена к северному полюсу магнита, а вытянутые четыре пальца указывают направление тока, то отогнутый большой палец покажет направление силы F.

Р-27. ОТДАЛ ВСЁ, ЧТО БЫЛО, И ВЫШЕЛ ИЗ ИГРЫ. Гальванический элемент — типичный химический генератор электрической энергии. Основные его детали — два электрода и контактирующий с ними жидкий или чаще пастообразный электролит. Энергия химических реакций между электролитом и электродами затрачивается на то, чтобы на одном из электродов появился и сколько можно оставался там избыток электронов (катод, электрод «—»), а на другом электроде их нехватка, то есть избыток положительных зарядов (анод, электрод «+»). Выводы электродов «+» и «—» во внешний мир — это есть выводы самого генератора, на них действует его электродвижущая сила и к ним можно подключать внешнюю цепь с нагрузкой R_н. Уже больше 100 лет миллионными тиражами выпускаются самые дешёвые солевые элементы, их электролит — превращённый в пасту раствор соли. В последние годы хорошим спросом отмечены тех же размеров (1) щелочные элементы (на них обычно крупная надпись «алкалайн»), некоторые параметры которых заметно лучше, особенно при низких температурах.

Гальванические элементы — приборы одноразовые. С течением времени растут внутренние потери энергии в самой химической системе, они пожирают всё большую часть э.д.с., и всё меньше напряжение, которое достаётся нагрузке (Р-32). Элемент со временем приходит в негодность, наступает пора выбросить его и заменить новым. Фирмы почему-то не публикуют столь важную характеристику своих изделий, как ёмкость — общая электрическая энергия, которую от них можно получить. Поэтому мы можем привести не более чем случайно попавшуюся или (и) подсчитанную величину — примерное количество часов, которые данный элемент будет работать, отдавая ток 20 миллиампер: ААА — 50, АА — 130, С — 400, D — 700 часов.

Т-77. Несколько полезных образов для языка электрических схем. Пытаясь понять, что происходит в какой-нибудь электрической схеме, мы, конечно, думаем словами, такими, например, как «напряжение», «свободные электроны», «ток», «сопротивление», «минус батареи» и так далее. Но при этом мы очень часто думаем и образами, как бы целыми картинами, на которых упрощённо видим детали схемы, их соединения и даже то, что в них происходит. Картины эти не очень точные, а иногда очень неточные (Т-8), но они удобны для размышлений.

Вспомним несколько образов, которыми мы уже пользовались в предыдущих разделах, размышляя об электрических схемах на языке электрических схем.

1. Электричество — особое свойство веществ нашего мира, оно двигает предметы, проявляя свою особую электрическую силу, подобно тому, как масса проявляет гравитационную.

2. Две разновидности электрического заряда, которым почему-то дали названия «плюс» и «минус». Заряды одного и того же знака терпеть не могут друг друга (Т-8) и взаимно отталкиваются, заряды разного знака один к другому тянутся — так устроен наш мир.

3. Три основные атомные частицы — электроны с электрическим зарядом «-», а также собранные в ядро протоны с зарядом «+» и нейтроны вообще без электрического заряда.

4. Электроды генератора — обычно две металлические детали, на одной избыток электронов («минус»), на другой их нехватка («плюс»).

5. Химический генератор, например гальванический элемент, — скопление электронов (электрод «минус») и их нехватка (электрод «плюс») появляются за счёт энергии заранее подготовленных химических реакций.

6. Проводник — вещество из атомов, у которых некоторые электроны вырвались на свободу и в огромном количестве свободно блуждают в межатомном пространстве. Электронов настолько много, что по отношению к ним часто применяют словосочетание «электронная пыль».

7. «Плюс» и «минус» генератора соединены двухпроводной токопроводящей линией с нагрузкой — с электрической схемой, которая, используя полученную энергию, выполняет определённую работу, нужную человеку.

8. Электроны выталкиваются из «минуса» генератора и по проводящей цепи продвигаются к «плюсу», где их не хватает. Это и есть электрический ток, в нём участвует бессчётное множество свободных электронов.

ВК-88. В двигателях, питаемых постоянным током (ток одного направления, например, от батареи), вращение можно получить, если в простейшем роторе — в рамке — каждые пол-оборота менять направление тока. При этом силы, выталкивающие провода рамки, согласно правилу левой руки, всегда будут вращать её в одном и том же направлении. Менять направление тока в рамке может переключатель из двух связанных с началом и концом рамки полуколец и двух скользящих по ним контактов, связанных с батареей.

Р-28. ОМОЛОЖЕНИЕ, ПРОЦЕСС ЭЛЕКТРОТЕХНИКОЙ ОСВОЕННЫЙ. Аккумулятор (от латинского «аккумуляре» — «собирать») это, по сути дела, тот же гальванический элемент, и главная его работа та же — превращать химическую энергию в электрическую. Для этого в аккумуляторе также имеются два электрода (две группы пластин), погружённых в жидкий электролит, их общая задача за счёт химических реакций создавать и поддерживать на одном из электродов избыток электронов (катод, электрод «—») и на другом — их недостаток, то есть в итоге избыток положительных зарядов (анод, электрод «+»). Главная особенность аккумуляторов в том, что для них выбраны и отработаны обратимые процессы — ту энергию, которая была затрачена на создание электрического тока, можно вернуть, причём вернуть так, чтобы восстановилось первоначальное состояние электродов и электролита. Аккумулятор вновь станет молодым и работоспособным.

Таким образом, у аккумулятора могут быть два режима: 1. Передача электрической энергии во внешнюю цепь и, в частности, сопротивлению нагрузки, то есть, коротко говоря, разряд (разрядка) аккумулятора. 2. Получение энергии (в виде тока противоположного направления по отношению к разрядному) для восстановления изменившихся при разряде аккумулятора электродов и электролита, называется зарядкой аккумулятора. Часто аккумулятор работает в так называемом буферном режиме (от английского глагола «ту буфф» — «смягчать»), он всегда связан с зарядным устройством, получает от него зарядный ток при первой необходимости и, как правило, небольшими порциями. Но даже и в таком щадящем режиме постепенно разрушаются пластины аккумулятора, и через несколько лет его приходится менять. Аккумуляторы и гальванические элементы можно, как и другие источники тока, соединить в батарею, получив при этом более высокие некоторые их параметры (4, 5).

9. Электродвижущая сила Е (э.д.с.) генератора тем больше, чем сильнее «минус» выталкивает электроны и чем сильнее «плюс» тянет их к себе. Чем больше Е, тем большую работу может выполнить генератор, перемещая электроны от «минуса» к «плюсу».

10. Двигаясь в проводнике, электроны непрерывно наталкиваются на местные атомы (Т-8), встречают сопротивление проводника. Чем оно больше, тем труднее двигаться электронам, тем меньше ток.

11. В последовательной цепи ток поочерёдно проходит все препятствия, и общее сопротивление равно сумме всех сопротивлений.

12. На каждом участке последовательной цепи реально действует часть э.д.с. — это напряжение на участке. Чем больше сопротивление участка, тем автоматически больше напряжение (большая часть э.д.с.), которое ему достаётся, но во всех участках последовательной цепи ток одинаковый.

13. Увеличиваем сопротивление какого-либо участка последовательной цепи — и напряжение на нём растёт. Но сумма всех местных напряжений неизменна, это общая э.д.с. на выходе генератора.

14. Параллельно какому-нибудь сопротивлению подключаем второе, и общее сопротивление уменьшается. Если подключим маленькое сопротивление (по сравнению с основным) — общее уменьшится сильно, подключим большое — общее сопротивление уменьшится незначительно.

15. Одну и ту же мощность можно получить при большом напряжении и малом токе или при большом токе и малом напряжении. У автомобильной лампочки напряжение небольшое (12 В), а ток большой, у такой же по яркости лампочки для домашней электросети наоборот, напряжение немалое (220 В), а ток сравнительно небольшой.

16. Если к двум лампочкам подводится одно и то же напряжение, то мощность будет больше у той, у которой меньше сопротивление, — по ней идёт более сильный ток.

Не будем продолжать этот полезный список, его продолжит практика — освоение языка, как говорится, по ходу дела. Но несколько дополнений к «Списку образов» мы всё же сделаем. Они расскажут о том, что уже встречалось, но расскажут несколько иначе, применительно к иным схемным ситуациям. И это вполне нормально, в любом языке есть синонимы — разные слова, которые говорят о чём-то одном, но часто несколько по-разному.

Т-78. Последовательная цепь — делитель напряжения, параллельная — делитель тока. Любая пара соседних сопротивлений в последовательной цепи это, по сути дела, делитель напряжения. Он делит исходное, то есть подведённое к этой паре, напряжение в строго определённой пропорции — она повторяет соотношение самих сопротивлений. Подобрав элементы делителя, можно получить любое нужное напряжение, но, разумеется, оно всегда будет меньше, чем подводится к делителю. Чем меньше напряжение, которое нужно получить, тем меньше должно быть сопротивление, с которого это напряжение снимается.

Аналогично с помощью параллельно включённых сопротивлений можно в нужной пропорции разделить ток. Он разветвится обратно пропорционально сопротивлениям ветвей — чем меньше сопротивление ветви, тем большая часть общего тока в неё пойдёт.

ВК-89. Единая природа электричества и магнетизма стала основой для производства электроэнергии с помощью машинных генераторов. Путь к ним открыла электромагнитная индукция — в проводнике при его движении в магнитном поле наводится э.д.с. Это открытие было сделано в августе 1832 года, через 12 лет после того, как было обнаружено магнитное поле тока. Направление наведённой (индуцированной) э.д.с., то есть «плюс» и «минус» на концах движущегося проводника, определяется по правилу правой руки.

Р-29. В СХЕМАХ НЕКОТОРЫЕ АППАРАТЫ УДОБНО ПРЕДСТАВЛЯТЬ ОБЫЧНЫМИ СОПРОТИВЛЕНИЯМИ. Электрический чайник, плита или лампочка потребляют из электрической цепи определённую мощность и превращают её в тепло. Эта мощность в конечном итоге определяется сопротивлением электронагревателя в чайнике или светоизлучателя лампочки. В нарисованных схемах эти и многие другие приборы, как правило, можно заменить обычными резисторами. Блоки с большим количеством резисторов часто встречаются в электронной аппаратуре, при работе с ними нередко приходится подсчитывать их общее сопротивление или часть его. При последовательном соединении резисторов это довольно просто (3,4). При параллельном их соединении задача несколько осложняется, но тоже остаётся вполне решаемой (Р-30).

Т-79. Особые делители — шунт и добавочное сопротивление. Часто в делителе напряжения одно из сопротивлений — это сама нагрузка. Необходимое напряжение на нагрузке в этом случае можно установить, подобрав сопротивление остальной части делителя, обычно её называют «гасящее сопротивление», и это очень удачное название. Действительно, гасящее сопротивление как бы гасит излишек напряжения, берёт его на себя с таким расчётом, чтобы нагрузке досталось то, что ей требуется.

Аналогично можно пропустить через нагрузку необходимый ток, подключив параллельно ей сопротивление. Оно получило название «шунт» (в переводе с английского — «обходной путь»), а само подключение шунта называется шунтированием. Шунт включают в том случае, когда без него ток в нагрузке был бы слишком большим. Или, скажем иначе, шунтирование снижает ток через нагрузку, ответвляя в шунт часть общего тока. Чем меньше сопротивление шунта, тем сильнее шунтирование, тем меньшая часть общего тока достаётся нагрузке и тем большая его часть пойдёт через шунт. Слова «шунт», «шунтирование» можно встретить не только в электротехнике, в частности, хирурги производят шунтирование плохо пропускающих кровь участков кровеносного сосуда — параллельно им вшивают другие, исправные куски сосудов.

Т-80. Чтобы увеличить нагрузку, нужно уменьшить сопротивление нагрузки. Нагрузкой, если вы помните, мы назвали элемент цепи, который получает от генератора электрическую энергию и каким-то образом преобразует её с пользой для дела. В карманном фонарике нагрузкой служит лампочка, на её сопротивление расходуется энергия электрического тока, превращаясь в энергию света.

Может показаться, что выражение «увеличить нагрузку» означает «увеличить сопротивление нагрузки». Это, однако, ошибочное предположение, и ошибка происходит из того, что слово «нагрузка» имеет в данном случае два разных значения.

Одинаковые слова, но с разным значением есть в любом языке, они называются «омонимы». Мы уже говорили об омонимах, размышляя о разных значениях слов «сила», «ключ», «коса» (Т-46). В языке электротехники омонимами оказались два значения слова «нагрузка». Во-первых, нагрузка — это главный потребитель энергии электрогенератора, например лампочка, утюг, пылесос или мощный мотор электропоезда. Во-вторых, под словом «нагрузка» подразумевают ещё и саму электрическую мощность, которую генератор отдаёт своему потребителю. Когда говорят: «У городской электростанции вечером самая большая нагрузка», то имеют в виду, что наибольшую мощность станционные генераторы должны отдавать вечером. Если нужно увеличить сопротивление нагрузки, то, чтобы избежать путаницы, так и говорят: увеличить сопротивление нагрузки. А выражение «увеличить нагрузку генератора» означает «увеличить мощность, отбираемую у генератора».

Как увеличить эту мощность, если э.д.с. генератора изменить нельзя? Для увеличения мощности остаётся только один путь: нужно увеличить ток в цепи (Т-76). А как можно увеличить ток в цепи? Для этого, как учит закон Ома, нужно уменьшить сопротивление цепи, основа которого — сопротивление нагрузки. Вот и получается, чтобы увеличить нагрузку на генератор, увеличить потребляемую от него мощность, нужно уменьшить сопротивление нагрузки. Именно так и поступают специалисты, когда они говорят: «Нагрузка увеличилась», то это означает, что сопротивление нагрузки стало меньше и потребляемая мощность возросла.

ВК-90. При электромагнитной индукции наведённая э.д.с. Е зависит от трёх величин: от индукции В магнитного поля, от скорости v движения проводника и от его длины l. Чем больше индукция В, тем сильнее влияет магнитное поле на происходящие события, тем больше наведённая э.д.с. Она растёт и с ростом длины проводника l, при этом больше электронов взаимодействует с полем. И, наконец, э.д.с. растёт с увеличением скорости v проводника — именно его движение создаёт электромагнитную индукцию.

P-30. ОБЩЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ РЕЗИСТОРОВ ЧАСТО ОПРЕДЕЛЯЮТ В НЕСКОЛЬКО ЭТАПОВ. Такое бывает при параллельном соединении разных резисторов, когда их три и более. В этом случае, оказывается, проще двигаться к неизвестному пока общему сопротивлению последовательно, пользуясь очень простой формулой для подсчёта общего сопротивления двух разных резисторов, соединённых параллельно (3). Фольклор радистов и электриков называет эту формулу «произведение на сумму», так как два главных действующих лица в ней — это произведение двух параллельно включённых сопротивлений (числитель) и их сумма (знаменатель). Подсчитав по этой формуле общее сопротивление пары резисторов, в дальнейшем рассматривают их как одно уже известное сопротивление и подсчитывают общее сопротивление трёх сопротивлений, затем четырёх, пяти и так до полного расчёта общего сопротивления всей цепи. Чтобы этот простой процесс не показался сложным, на рисунке приведены примеры использования формулы «произведение на сумму» (1,4).

Т-81. Напряжение на выходе генератора всегда меньше, чем э.д.с., и оно падает с увеличением нагрузки. Настал момент вспомнить о невидимом, но непременном участке электрической цепи — о внутреннем сопротивлении генератора R_внг (Р-33). В химическом генераторе оно в основном складывается из сопротивления самих электродов и сопротивления электролита, в машинном генераторе это сопротивление его рабочих обмоток. По внутреннему сопротивлению генератора проходит весь ток, который идёт во внешней цепи, независимо от того, как выглядит эта цепь и насколько она сложна. Иными словами, внутреннее сопротивление генератора R_внг включено последовательно с внешней цепью.

Мы знаем, что э.д.с. генератора делится между всеми участками последовательной цепи, и при этом внутреннему сопротивлению R_вн тоже что-то достаётся. Из этого можно сделать два вывода.

Первый вывод. Чем больше нагрузка, то есть чем больше потребляемый от генератора ток, тем меньше напряжение U_г на выходе генератора, или, как иногда говорят, на его зажимах. Потому что с увеличением тока растёт напряжение, которое остаётся на R_внг и это напряжение вычитается из э.д.с. Можно и иначе взглянуть на происходящее: внутреннее сопротивление и внешняя цепь образуют своего рода делитель напряжения; чтобы увеличить потребляемый ток, нужно уменьшить сопротивление внешней цепи; в результате э.д.с. перераспределяется и внешней цепи достаётся меньше, чем до того.

Второй вывод. В химических генераторах внутреннее сопротивление со временем может увеличиваться, главным образом из-за изменений в химическом составе электродов и электролита. При этом увеличивается та часть э.д.с., которая остаётся внутри генератора, и уменьшается напряжение U_г на его выходе.

То, о чём сказано в этих двух выводах, каждый, скорее всего, знает из собственного опыта. Так, по мере того как расходует свою энергию батарейка, лампочка карманного фонаря светится всё более тускло — это растёт внутреннее сопротивление батарейки. Автомобилисты знают, что если заводить автомобиль при включённом свете, то в момент включения стартёра свет станет заметно слабее — это появился дополнительный большой ток через стартер, увеличился общий ток, потребляемый от аккумулятора, стало больше напряжение U_внг которое теряется на его внутреннем сопротивлении R_внг и поэтому уменьшилось напряжение U_г на его выходе.

Подавляющее большинство электрических систем проектируются с таким расчётом, чтобы внутреннее сопротивление R_внг генератора было очень небольшим, и поэтому оно начинает чувствоваться лишь при очень большой нагрузке, когда на R_внг теряется заметное напряжение.

ВК-91. К сожалению, мы часто забываем, что на какие-либо процессы оказывает главное влияние не абсолютный уровень какой-то величины, а скорость её изменения. Возьмём, к примеру, два бассейна для плавания, один наполнен водой наполовину, а во втором воды чуть-чуть, её слой два-три сантиметра, не больше. Но в первом бассейне краны почти закрыты, а во втором открыты полностью. И через несколько минут второй бассейн уже почти полный, а первый так и остался в районе своей половины.

Р-31. ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ. Недавно, разбирая на Р-26 закон Ома, мы отметили, что он справедлив для большой и сложной цепи, где R — это измеренное или подсчитанное её общее сопротивление. Но закон Ома справедлив и для малой части этой большой цепи, он всегда, даже на самом небольшом её участке, отмечает строго определённое соотношение между напряжением U, током I и сопротивлением R. Уже пора отметить, что словом «напряжение» мы называем ту часть э.д.с., которая досталась какому-либо участку сложной цепи. Для этого участка действующее на нём напряжение U имеет тот же смысл, то же значение, что и вся электродвижущая сила (э.д.с.) Е генератора для всей подключённой к нему цепи. И поэтому напряжение, так же как э. д.с., измеряется в вольтах.

Т-82. Электротехника — наука о контактах. Это, конечно, шутка, но со значением. Нередко нарушение контакта в каком-нибудь участке цепи приводит к неисправностям и нестабильностям, которые очень трудно обнаружить. Вместе с тем загадочные нарушения контактов обычно легко объяснимы.

Всегда есть некоторое сопротивление между соприкасающимися металлическими поверхностями, как, например, между гальваническим элементом и пружинящими контактами в карманном фонарике. Это небольшое сопротивление часто связано с загрязнением или окислением металлической поверхности, а также с ослаблением чисто механического сжатия контактирующих деталей. Контактное сопротивление, подобно внутреннему сопротивлению генератора, включено в электрическую цепь последовательно, и на нём теряется какая-то часть напряжения. При хорошем контакте она очень мала и ею можно пренебречь, но если контакт плохой, если его поверхности окислились или плохо сжаты, то на переходном сопротивлении контакта может остаться заметная или даже основная часть э.д.с., при этом остальным элементам цепи мало что достанется.

Т-83. Вольтметр, амперметр и омметр — приборы для измерения э. д.с. (напряжения), тока и сопротивления. Многие разделы этой главы посвящены языку электрических схем, пользуясь которыми, мы думаем о них, изучаем их и в них разбираемся. При этом основные объекты наших размышлений — соединение элементов цепи, их раздельное и общее сопротивление, токи в них, напряжение на участках цепи. Многие из этих параметров можно измерить, ускорив тем самым исследование электрической цепи или проверяя свои выводы.

Для измерений в электрических цепях чаще всего используются три прибора — вольтметр для измерения э.д.с. и напряжения, амперметр для измерения силы тока и омметр для того, чтобы измерять сопротивление. Приборы эти бывают нескольких разных типов, и позже мы сможем познакомиться с их устройством. Пока же представим себе каждый такой прибор как небольшую чёрную коробочку со шкалой и стрелкой, по отклонению стрелки от нулевой отметки как раз и определяют измеряемую величину. В последнее время, правда, появляется все больше приборов с цифровым отсчётом в них, результат измерений появляется на небольшом экране сразу в виде цифр.

Несколько отложив знакомство с вольтметром, будем условно считать, что он как-то измеряет разницу между количеством избыточных зарядов в двух точках цепи, определяет, где каких зарядов больше и насколько. Вольтметр как бы вычисляет, какую работу выполнит каждый кулон электричества, пройдя по цепи между выбранными точками, и выдаёт результат в вольтах.

ВК-92. Этот рисунок возвращает нас в мир электричества и ещё раз напоминает, что в ряде процессов, в частности, при наведении в катушке э.д.с. Е за счёт электромагнитной индукции, важна не абсолютная величина (как, например, в законе Ома — чем больше напряжение, тем больше ток), а скорость её изменения. Об этом говорят два примера на рисунке — в одном случае (слева) магнитное поле перемещается сравнительно медленно относительно катушки, а во втором случае (справа) очень быстро.

Подключается вольтметр к тем двум точкам, напряжение между которыми нужно измерить, то есть подключается параллельно участку, на котором измеряют напряжение. При этом собственное сопротивление вольтметра должно быть во много раз больше, чем сопротивление участка, к которому он подключён. Потому что подключение вольтметра к участку цепи — это фактически его шунтирование, и вольтметр с недостаточно большим сопротивлением может заметно уменьшить общее сопротивление участка. В итоге вольтметр покажет меньшее напряжение, чем было до его подключения.

Амперметр — это как бы счётчик движущихся зарядов со встроенным секундомером. Прибор включается последовательно в цепь, в которой нужно измерить ток, и, «подсчитав» (Т-8) количество зарядов, проходящих по цепи за одну секунду, показывает величину тока сразу в амперах. Собственное сопротивление амперметра должно быть во много раз меньше, чем общее сопротивление цепи, иначе он сам заметно изменит это сопротивление и покажет ток значительно меньший, чем был до включения прибора.

Омметр можно представить себе как комбинированный прибор, который одновременно измеряет напряжение и ток и сразу же по формуле закона Ома вычисляет сопротивление (Р-26). Возможен и более простой вариант: элемент цепи, сопротивление которого нужно измерить, подключается к генератору, э.д.с. которого известна, и тогда омметр определяет сопротивление только по величине тока.

Даже не имея реальных измерительных приборов, можно мысленно или на рисунке, на принципиальной схеме подключать к изучаемой цепи эти подразумеваемые приборы, их предполагаемые показания могут стать важными образами в языке электрических схем.

ВК-93. Предыдущий рисунок предоставил вам возможность, до которой вы уже, видимо, сами додумались. Мы начали с одного вида электромагнитной индукции из нескольких возможных — э.д.с. наводилась в проводнике, который мы двигали в магнитном поле (ВК-90). То же самое произойдёт в проводнике, если двигать не его, а перемещать сам магнит. Именно это и показано на предыдущем рисунке, именно это вы видите и сейчас (справа). Несмотря на кажущееся неудобство, этот вариант широко применяется.

Т-84. Сложная электрическая цепь — система из последовательно и параллельно соединённых элементов. Уже попытка нарисовать реальную схему карманного фонаря приводит к электрической цепи из семи последовательно соединённых элементов. На практике же приходится иметь дело с цепями более сложными и значительно более сложными. Что такое, например, телевизор? Это тоже электрическая цепь, но состоящая из многих тысяч элементов, сложным образом соединённых между собой. А вычислительная машина? Это цепь из многих миллионов элементов и даже из миллиардов. Огромные, протянувшиеся на многие километры электрические цепи обнаружатся в московском, лондонском или парижском метро, в каждую такую цепь входят мощнейшие генераторы, много тысяч ламп освещения, сотни двигателей в поездах, сложная электрическая автоматика. Даже простенький карманный приёмник или простейший настольный телефонный аппарат — это электрические цепи, в которых сложным образом соединены десятки деталей. Рассматривать сложные и очень сложные электрические цепи сразу целиком, к счастью, почти никогда не приходится. В большой, сложной машине всегда можно выделить самостоятельные узлы и агрегаты, в автомобиле, например, это двигатель, коробка перемены передач, передний мост, задний мост, рулевое управление, тормозная система. В рядовом электрическом приборе тоже можно выделить свои узлы и блоки, в каждом несколько десятков или даже всего несколько элементов. С такими количествами справиться уже не очень сложно.

Т-85. Меняя какой-либо элемент сложной схемы, нужно понимать, как изменятся токи и напряжения на разных её участках. Обдумывая очередной ход в шахматной партии, приходится учитывать множество возможных его последствий. Точно так же, изменяя сопротивление какого-либо участка сложной электрической цепи, приходится думать о том, что произойдёт на всех других участках. Потому что элементы сложной цепи взаимосвязаны, они разными путями и в разной степени влияют на условия жизни своих близких и далёких соседей (Т-8). Научиться понимать электрические схемы, научиться, как принято говорить, свободно их читать — это, прежде всего, значит научиться быстро оценивать, как именно связаны между собой элементы сложной цепи, как они влияют на токи, напряжения, потребляемые мощности, одним словом, на режим других элементов.

По этому поводу уже было дано немало рекомендаций, и настало время практики. Начать можно с какой-нибудь несложной схемы, в которой, меняя тот или иной элемент, легко следить за изменениями токов и напряжений. Попробуйте всмотреться в цифры и объяснить, почему они именно такие — это будет полезная практическая работа по использованию языка электрических схем, его грамматических правил и образов. К числу последних хочется в конце главы добавить ещё один, он не имеет прямого отношения к электричеству, но пользу может принести бесспорно.

ВК-94. Вот что такое электромагнитная индукция: если менять магнитное поле, в котором находится проводник или катушка, то в них наведётся э.д.с. Менять поле можно по-разному Можно двигать в нём проводник или двигать само поле. Можно поместить проводник или катушку (L₁) рядом с электромагнитом (L₂) и, меняя в нём ток, менять магнитное поле — это взаимоиндукция. Можно менять ток в самой катушке (L₁), и изменение собственного магнитного поля наведёт в ней э.д.с. — это самоиндукция.

Т-86. Рассматривая сложную электрическую схему, очень важно не терять уверенности в том, что во всём в итоге можно разобраться. Образ, который сейчас будет представлен, как уже говорилось, к электричеству отношения не имеет. Это известный литературный образ — лесковский Левша. Глубоко понимая своё дело, освоив его до самого совершенного совершенства, мастер не считал это чем-то выдающимся: мы знаем хорошо своё ремесло, говорил он, умеем делать без мелкоскопа самую мелкую работу, потому что «у нас так глаз пристрелямши».

Спокойное отношение к делу, которое делаешь, уверенность в том, что сможешь сделать его наилучшим образом, уверенность в себе — всё это особо важно, когда имеешь дело с электрическими цепями. Потому что здесь ты попадаешь в невидимый электрический мир, и что-то сделать в нём можно только в том случае, если твёрдо знаешь, что делать. И если веришь, что это не цирк, чудес здесь не бывает, и в любой электрической сложности в итоге можно разобраться.

ВК-95. В электродвигателях вместо постоянных магнитов обычно используют электромагниты, их многовитковые обмотки помещают в неподвижной части двигателя — в статоре. Для повышения мощности на валу увеличивают число проводов рамки, превратив её в многовитковую обмотку ротора — вращающейся части двигателя. Чтобы снизить сопротивление магнитной цепи и повысить магнитную индукцию, ротор и статор изготовлены из стали, а также до предела уменьшен воздушный зазор между ними.

Т-87. Главная действующая сила недолго будет оставаться в тени. Мы немало потрудились, чтобы включить в арсенал своих знаний непростое представление о разного рода полях, главным образом об электрическом поле. Но почему-то представление это, скажем прямо, нам пока не очень понадобилось — если не вникать в подробности, то можно, оказывается, описать многие процессы в электрических цепях, не вспоминая об электрическом поле. Представление о нём в основном понадобится в последующих разделах, например, когда речь пойдёт о накоплении энергии в конденсаторе или о скорости, с которой электричество передаётся на большие расстояния.

Однако непривычная и, возможно, поэтому несправедливо замалчиваемая важнейшая сущность нашего мира — поле — далее уже не будет оставаться в тени. Нам предстоит незамедлительно обратиться к ещё одной разновидности физических полей — к магнитному полю. Без него просто невозможно сделать следующий шаг — познакомиться с магнитами, с магнитными явлениями и с великим электромагнитным союзом, неслыханно обогатившим человечество.