Электричество шаг за шагом - [39]

В нескольких последних разделах мы как-то незаметно перешли к оценке работы, энергии и мощности в электрических системах, и это напоминает, что пора ввести ещё три важные характеристики этих систем: электродвижущую силу, напряжение и сопротивление.

Т-52. Единица электродвижущей силы — вольт (В). Важнейшая характеристика электрических генераторов — электродвижущая сила (сокращённо э.д.с.). Электродвижущая сила, так же как и сила тока, не есть разновидность уже известной нам физической величины «сила», которая измеряется в ньютонах. Но в словосочетании «сила тока» слово «сила» вообще употребляется в сравнительно редком своём значении — так же как в выражениях «сильный дождь» или «сильное волнение». А вот электродвижущая сила (э.д.с.) хотя и косвенно, но всё же говорит о силе, например, о силе выталкивания электронов из «минуса» химического генератора. Эта сила выталкивания зависит, в частности, от типа химических реакций, от того, насколько много лишних электронов они помогают накопить в отрицательном электроде. И чем больше скопление этих избыточных электронов, тем активнее, тем сильнее они выталкивают друг друга из «минуса» во внешний мир — в электрическую цепь. В принципе силу выталкивания электронов можно было бы сделать основной характеристикой генератора. Но оказалось, что удобней и проще рассказать о том запасе энергии, который получит от генератора вытолкнутый во внешнюю цепь электрон, а значит, и о той работе, которую этот электрон сможет выполнить. Конечно, работоспособность электрона зависит от силы с которой его выталкивает «минус», но характеристика «электродвижущая сила» (э.д.с.) говорит не о силе, а именно о работе, и поэтому в единицу измерения э.д.с. входит не ньютон, а джоуль. Объяснив, что никаких нарушений в этом нет, что всё логично и законно, сообщим результат.

ВК-63.Часть э.д.с., которая теряется на внутреннем сопротивлении R_{внт. г} зависит от величины самого этого сопротивления: чем оно больше, тем большая часть э.д.с. останется на нём, тем меньше выходное напряжение генератора U_г = Е — U_{внт. г}. Но само U_{внт. г}, а значит, и U_г, зависит ещё и от потребляемого тока — с его увеличением растёт внутреннее падение напряжения U_{внт. г} и уменьшается та часть э.д.с., которая достаётся внешней цепи, — уменьшается реальное напряжение генератора U_г.

В системе СИ единица электродвижущей силы — вольт (В), такую э.д.с. имеет генератор, который, продвинув по электрической цепи заряд 1 кулон (К), снабдит его энергией настолько, что этот заряд выполнит работу 1 джоуль (Дж). Если генератор выталкивает заряды с такой силой, что заряд 1 К, проходя по цепи, выполнит работу 5 Дж, то, значит, э.д.с. генератора 5 В — заряды, отправляясь в путь, получают от генератора в 5 раз больший запас энергии, чем при э.д.с. 1 В. Ещё раз отметим: электродвижущая сила говорит о работоспособности, которая приходится на один кулон зарядов, проходящих по всей цепи — от «плюса» до «минуса». Коротко говоря, 1 В = 1 Дж/1 К.

ВК-64.Электричество приходит к потребителю с электростанции длинным путём. И внутренним сопротивлением генератора приходится считать сопротивление всех участков этого пути, включая внутриквартирную проводку. Чем больше потребляемая мощность, тем больше падение напряжения на этом внутреннем сопротивлении и, следовательно, меньше напряжение, которое реально подводится к домашним электроприборам. Это иногда можно заметить по более тусклому свечению лампочек.

Поэтому если электричеством будет выполнена работа 1 Дж, но выполнит её уже не 1 кулон, а 2 кулона, прошедших по цепи, то, значит, ток в ней создавал генератор, имеющий э.д.с. 0, 5 В, — из наработанного одного джоуля на каждый из двух работавших кулонов приходится только 0,5 джоуля.

В определении самой э.д.с. и её единицы вольт вместо электронов упоминаются свободные заряды — это напоминание о том, что в цепи могут двигаться как свободные электроны, так и свободные ионы — положительные и отрицательные. Само же название единицы вольт напоминает нам о том, что итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта (1745–1827) создал первый химический генератор э.д.с. и тем самым открыл новые возможности исследования электричества.

В наше время характеристика «электродвижущая сила» известна уже при разработке генератора, она, как правило, каким-то образом написана на его корпусе и указана в техническом паспорте. Этой своей характеристикой генератор как бы говорит: «Вот что я могу делать, продвинув по цепи 1 кулон зарядов!». Ну а будет ли реализовано это «могу», сколько кулонов пройдёт по цепи и что вообще будет в ней сделано, зависит не только от генератора, зависит также и от электрической цепи, которая потребляет энергию генератора и использует её.

Т-53. Единица электрического сопротивления — ом (Ом). Существуют две характеристики, которые, по сути дела, говорят об одном и том же — о том, как сама электрическая цепь реагирует на подключение к генератору, на его стремление (Т-8) создать в этой цепи электрический ток. Один и тот же генератор, с одной и той же э.д.с., в одной цепи создаст достаточно сильный ток, а в другой — очень слабый. Всё зависит от самой цепи, от того, насколько много в ней свободных электронов, насколько часто они будут сталкиваться с атомами вещества, теряя часть своей энергии. Обо всём этом могут рассказать две совершенно конкретные количественные характеристики — электрическое сопротивление цепи и её электрическая проводимость.