Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина

Всякую работу можно приравнять к поднятию определенного груза на определенную высоту. Так, например, велосипедист, ехавший по шоссе в течение часа, выполнил работу, равносильную поднятию груза в 500 кг на высоту 5.и, а трактор за один час вспашки целины выполняет такую же работу, какую нужно было бы затратить на поднятие груза в 50 т на высоту 50 м.

Примерно такую же работу выполнит источник тепла, который доводит до кипения бочку воды. Единицей измерения работы является джоуль (дж), соответствующий поднятию груза около 100 г на высоту 1 м (лист 22). Поэтому, когда вы поднимаете со стола стакан молока и подносите его ко рту, то совершаете работу, примерно равную 1 дж. Работа в 1 дж сравнительно невелика. Так, например, для того чтобы в электрическом чайнике вскипятить 5–6 л воды, проходящий по нагревателю этого чайника ток выполняет работу около миллиона джоулей!

О возможностях того или иного человека выполнять физическую работу можно судить по его мускульной силе. Работоспособность двигателя внутреннего сгорания в основном зависит от числа цилиндров, их диаметра и степени сжатия горючей смеси в цилиндрах. Работу, которую может выполнить гидравлическая (водяная) турбина, определяется площадью ее лопаток и давлением воды на эти лопатки.

От чего же зависит та полезная работа, которая может выполняться в электрической цепи? Прежде всего она зависит от способности источника тока двигать заряды. Так, например, чем сильнее отрицательный электрод гальванического элемента «выталкивает» электроны и чем сильнее они «притягиваются» положительным электродом, тем большую работу смогут выполнить эти электроны, двигаясь по электрической цепи. Эта способность источника «выталкивать» и «притягивать» заряды, то есть его способность выполнять работу, перемещая по цепи определенный электрический заряд, характеризуется величиной электродвижущей силы (часто пишется сокращенно — э. д. с., или обозначается буквой Е), единицей измерения которой (лист 23) является вольт (в). Более мелкими единицами являются милливольт (мв) и микровольт (мкв), а более крупной единицей — киловольт (кв).

Если при перемещении заряда в один кулон (например, 6 280 000 000 000 000 000 электронов) источник тока выполнит работу в 1 дж (подъем груза в 100 г на высоту 1 м), то такой источник обладает работоспособностью, а говоря официально, — электродвижущей силой, в 1 в (рис. 9).

Рис. 9. Величина электродвижущей силы (э.д.с.) характеризует способность источника электрической энергии совершать работу при перемещении зарядов.

Величину э.д.с. можно измерить специальным прибором — вольтметром, который подключается к выходу источника тока, то есть между его зажимами [4] . При этом по электрической цепи вольтметра течет ток. В зависимости от работы, выполняемой зарядами, отклоняется стрелка вольтметра. По шкале прибора, размеченной в вольтах, стрелка показывает э. д. с. источника (лист 24). Вольтметр обычно конструируют так, чтобы при измерениях он потреблял от источника тока как можно меньше энергии.

4

Выходными зажимами источника тока называют зажимы, гнезда, металлические лепестки или, наконец, просто провода, к которым подключается внешняя цепь.

ЗАКОН ЕСТЬ ЗАКОН!

Теперь, когда мы уже знаем, что такое заряд, сопротивление, ток и электродвижущая сила и какими единицами они измеряются, можно познакомиться с основными соотношениями в электрических цепях, с основными законами электротехники.

Первый и, пожалуй, самый важный из них — это закон Ома. Им приходится руководствоваться при рассмотрении всех без исключения цепей электро- и радиоаппаратуры. Недаром у радиолюбителей в отношении закона Ома существует такая суровая поговорка: «Не знаешь закон Ома — сиди дома!»

Давайте вернемся к нашему «подопытному» карманному фонарику (рис. 6). От чего зависят основные характеристики этой электрической цепи: э. д. с., сопротивление и ток? Очевидно, э. д. с. зависит от активности химических реакций в батарейке, а сопротивление нити лампочки — от ее материала, длины, диаметра и температуры. А от чего же зависит ток в цепи? Попробуем разобраться.

Источником тока является батарея — именно она заставляет электроны двигаться по цепи. Сама же электрическая цепь, и особенно лампочка, обладая определенным сопротивлением, в какой-то степени препятствует движению электронов. Чем больше э. дс. (Е) батареи, тем большей работоспособностью будет обладать каждый движущийся заряд, тем легче он преодолеет все препятствия и быстрее пройдет по цепи. А чем быстрее движутся заряды, тем большее их количество проходит через любую точку цепи, тем, следовательно, больше ток (I).

Совершенно иначе влияет на ток сопротивление цепи. Чем больше сопротивление лампочки (R). тем труднее двигаться зарядам, тем меньше их скорость, а следовательно, тем меньше и ток.

Таким образом, величина тока в цепи зависит от электродвижущей силы Е и сопротивления R. С увеличением э.д.с. ток растет, а с увеличением сопротивления уменьшается. Эта зависимость, называемая законом Ома для всей цепи (лист 25), может быть выражена очень простой формулой:

Возле условных обозначений тока, э. д. с. и сопротивления в скобках указаны те единицы измерения, при которых расчеты по приведенной формуле дадут верный результат. Если же хоть одна из величин дана в других единицах, то необходимо пересчитать значения остальных величин. При этом удобно пользоваться таблицей, приведенной на листке 27.

Теперь давайте на несколько минут отвлечемся от нашего основного разговора и уделим внимание тем немногим читателям, которые испытывают страх перед формулами. Если такой читатель увидит в книге формулу, он обязательно поморщится и побыстрей перевернет страницу. Вот и сейчас, наверное, кое-кто выражает недовольство: «Ну зачем нужно было записывать закон Ома в виде формулы? Ведь все и так понятно! Нельзя ли вообще обойтись без формул?»

Можно, конечно, обойтись и без формул и вместо них пользоваться словами или картинками. Точно гак же можно обойтись и без автобусов, поездов и самолетов и всегда ходить пешком. Только кому это нужно — из двух решений выбирать самое сложное, самое неудобное?

Формулы — очень удобный, а иногда даже незаменимый способ записи самых различных законов и зависимостей (рис. 10).

Рис. 10. Формулы — это очень простой и удобный способ записи самых различных законов и зависимостей.

Нужно только научиться понимать формулы, знать их язык. Вот, например, приведенная выше формула закона Ома. Она ясно говорит о том, что ток I равен частному от деления Е на R, то есть ток зависит от обеих этих величин. Величина Е стоит в числителе дроби, и, значит, с ее увеличением ток растет. Сопротивление R стоит в знаменателе, и поэтому сразу ясно, что с увеличением R ток уменьшается (чем больше знаменатель, тем меньше значение дроби, например 1/4 меньше чем 1/2).

Подставив в формулу закона Ома известные нам значения Е и R, можно сразу вычислить ток в цепи. Так, например, если Е = 4,5 в, a R = 75 ом, то I = 0,06 а = 60 ма.

Кроме лаконичности, наглядности и удобства для вычислений, формулы имеют еще одно достоинство — их легко преобразовать и привести к удобному для вычислений виду. При этом приходится пользоваться лишь одним правилом: если мы одновременно умножим или разделим правую и левую часть равенства на одну и ту же величину или же проделаем с обеими частями какую-либо другую алгебраическую операцию (сложение, вычитание, деление и т. д.), то равенство не нарушится. Пользуясь этим правилом, можно получить еще две удобные для расчетов формулы (лист 25):