Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина - [5]

Существуют устройства, в которых накопление зарядов осуществляется за счет световой, тепловой и атомной энергии. Мы не будем подробно разбирать работу различных электрических генераторов, а лучше вернемся к вопросу о том, как выполняют полезную работу электроны, движущиеся по проводнику. Для примера рассмотрим обычный карманный фонарик. В нем имеется электрическая цепь, состоящая из источника тока — батарейки, коротких соединительных проводов (их роль может выполнять металлический корпус фонаря или полоски белой жести), лампочки и простейшего выключателя.

Для всех элементов электротехнических и радиотехнических устройств: аккумуляторов, электродвигателей, переключателей, лампочек, радиоламп, громкоговорителей, соединительных проводов и т. п. (листы 10, 12, 13, 18, 21, 24, 37, 44, 45, 58, 60, 67, 68, 84, 92, 93, 94, 95, 103, 104, 116, 184–219), имеются условные обозначения, с помощью которых можно выполнить сравнительно простой рисунок — так называемую принципиальную схему. Схема даст полное представление об электрических цепях рассматриваемого устройства. На схеме часто делают сокращенные обозначения, которые указывают порядковый номер того или иного элемента цепи. Например, если в цепи имеются две лампочки, то на схеме они обозначаются Л₁ и Л₂.

Примером простейшей схемы может служить изображенная на рисунке 6 схема карманного фонаря. Если замкнуть выключатель Вк₁, то в цепи карманного фонаря появится ток и лампочка Л₁ засветится. Свечение лампочки объясняется тем, что ее нить оказывает большое сопротивление движущимся зарядам. Дело в том, что заряды не двигаются по Проводнику беспрепятственно: то и дело они ударяются о встречные атомы или сталкиваются между собой. Из-за всех этих ударов и столкновений часть энергии движущихся зарядов превращается в тепло, подобно тому как превращается в тепло часть энергии молота, ударившего по наковальне (рис. 6).

Рис. 6.Движущиеся в электрической цепи заряды ударяются о неподвижные атомы проводника, благодаря чему проводник, по которому течет ток, например нить лампочки, нагревается.

Способность какого-либо участка электрической цепи препятствовать движению зарядов называется электрическим сопротивлением. Сопротивление нити лампочки довольно велико, а диаметр этой нити очень мал. Поэтому нить отбирает у тока много энергии и в то же время плохо излучает тепло. Нагревшись до высокой температуры, нить лампочки начинает светиться. Таким образом и преобразуется энергия движущихся зарядов, то есть энергия электрического тока, в свет и тепло. Само собой разумеется, что сопротивление соединительных проводов должно быть как можно меньше, чтобы они не отбирали энергию у движущихся зарядов.

На первый взгляд может показаться странным, как это движущийся электрон, обладающий ничтожной массой, нагревает до высокой температуры нить лампочки или спираль электроплитки. Конечно, если бы речь шла об одном электроне, то эти сомнения были бы оправданы. Действительно, энергия одного электрона настолько мала, что ее не стоит и учитывать. Но ведь по нити лампочки или по спирали плитки одновременно движется очень много электронов. Настолько много, что их количество может выражаться числом, у которого после единицы стоят десятки нулей! И хоть мал работник — электрон, а с такой огромной армией уже не считаться нельзя — она может проделать весьма значительную работу.

Другой путь использования энергии движущихся зарядов — это превращение ее в механическую работу. Для этой цели служат электрические двигатели, которые с помощью тока вращают колеса электровоза, поднимают ковши гигантских экскаваторов или приводят в движение винты атомохода «Ленин».

При упорядоченном движении электрических зарядов по проводнику он не только нагревается, но и приобретает магнитные свойства — становится своего рода магнитом (рис. 7).

Рис. 7.Вокруг движущихся зарядов возникает магнитное поле. Как и обычный магнит, проводник, по которому течет ток, обладает магнитными свойствами: он может поворачивать стрелку компаса, притягивать железные предметы или другие проводники, по которым течет ток.

Если взглянуть на постоянный магнит, например на стрелку компаса, то может показаться, что магнетизм не имеет ничего общего с электричеством. В действительности же магнитные свойства любого постоянного магнита связаны с движением зарядов и, в частности, с движением электронов вокруг атомного ядра. Магнитные свойства Земли, благодаря которым стрелка компаса всегда поворачивается на север, также обусловлены мощными токами, которые существуют как внутри земного шара, так и в атмосфере.

Если взять два проводника, по которым течет электрический ток. то они будут взаимодействовать между собой как два магнита, то есть будут взаимно притягиваться или отталкиваться (в зависимости от направления тока). Это явление и используется в электрических двигателях, где силы взаимного притяжения или отталкивания постоянного магнита и проводника с током или еще чаще одних только проводников с током выполняют нужную нам механическую работу (лист 13).

Самое сложное электротехническое устройство с множеством генераторов, двигателей, переключателей, нагревательных и осветительных приборов различных типов всегда можно рассматривать как комбинацию сравнительно простых цепей. Сложные и простые электрические цепи в свое время были тщательно изучены. Результатами такого изучения явились несколько основных законов, основных правил, которым подчиняются электрические процессы. С некоторыми из этих правил мы сейчас познакомимся.