Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина

Раньше, когда у нас была одна лампочка, то было ясно, что вся эта работа будет затрачена на то, чтобы преодолеть сопротивление ее нити, с выделением определенного количества тепла. Теперь же, когда у нас две лампочки, источнику тока придется преодолеть сопротивление каждой из них, причем общая работа по перемещению одного кулона по всей цепи все равно будет равна величине э.д.с. Если лампочки Л₁ и Л₂ одинаковые, то, очевидно, на каждую из них будет затрачена половина э.д.с. батареи, то есть заряд в 1 к, проходя по нити одной из этих лампочек, выполнит работу 2,25 дж (рис. 15, левая схема). Та часть общей работы, которая затрачивается на преодоление какого-либо участка цепи, называется падением напряжения или просто напряжением на этом участке и обозначается буквой U.

Поскольку напряжение U говорит о работе, которая приходится на один кулон движущихся зарядов, то оно так, же, как и э.д.с., измеряется в вольтах: если на перемещение заряда в 1 к по какому-либо участку цепи затрачивается работа в 1 дж, то напряжение на этом участке равно 1 в. Если э.д.с. батареи равна 4,5 в, то при одинаковых лампочках Л₁ и Л₂ падение напряжения на каждой из них составит 2,25 в (рис. 15, левая схема).

Напряжение на участке цепи тем больше, чем больше сопротивление этого участка R и чем больше проходящий по нему ток I. Эта зависимость называется законом Ома для участка цепи и выражается простой формулой:

Из этой формулы легко получить две другие, позволяющие вычислить I и R (листы 26, 27).

То, что напряжение на участке цепи зависит от сопротивления, вполне понятно: чем больше сопротивление участка, тем большая часть общей работы будет затрачена на то, чтобы преодолеть именно это сопротивление. Но почему напряжение зависит от тока?

Дело в том, что величина тока I также характеризует ту работу, которую выполняют движущиеся заряды. Если ток большой, то заряды двигаются быстро и каждый из них выполнит сравнительно большую работу. Слабый ток свидетельствует о том, что энергия движущихся зарядов невелика и, проходя по какому-нибудь участку цепи, большой работы они выполнить не смогут.

Несколько раньше, говоря о работе, затрачиваемой на преодоление сопротивления, вместо слов «падение напряжения» мы начали применять слово «напряжение». Внимательный читатель мог сразу же усмотреть в этом большую неточность, так как подобная замена равносильна, например, тому, что вместо слов «потеря энергии» употребить слово «энергия». Однако, применяя термин «напряжение» вместо «падение напряжения», мы не допустили никакой неточности. Дело в том, что участок цепи, на котором падает (теряется) определенное напряжение, можно рассматривать как своеобразный источник тока с вполне определенной величиной э.д.с.

Для того чтобы понять это, нужно прежде всего выяснить, как распределяется в электрической цепи тот избыток положительных и отрицательных зарядов, который появляется в батарее в результате химических реакций. Если вы думаете, что избыточные заряды собраны только на электродах гальванического элемента, то вы глубоко ошибаетесь.

Представьте себе, что вы должны на санях спуститься со снежной горы по «дороге», имеющей такой профиль: сначала высокий и отвесный спуск, попросту говоря, высокий обрыв, потом абсолютно ровный участок и, наконец, опять обрыв.

Совершенно ясно, что если вы каким-то чудом уцелеете после первого обрыва, то по ровному участку ваши сани сами не пойдут — сани двигаются только тогда, когда есть какой-нибудь уклон.

То же самое произошло бы с электронами, образующими ток, если бы все избыточные заряды накапливались на электродах батарейки: переход электронов с «минуса» батареи, где их много, в провод цепи равносилен падению саней с обрыва, а дальше по проводам и особенно через лампочку ничем не подталкиваемые электроны двигаться не смогут, так же как сани сами по себе не могут двигаться по ровной местности.

Для того чтобы сани двигались все время, нужно, чтобы все участки дороги имели уклон.

Точно так же электроны двигаются по всей цепи лишь в том случае, если на концах любого ее участка имеется избыток или недостаток зарядов, то есть если на этом участке действует какая-то электродвижущая сила и выполняется работа для преодоления встречающегося сопротивления (рис. 14).

Рис. 14. Избыточные заряды — электроны и положительные ионы — не концентрируются на электродах батареи, а распределяются вдоль всей цепи так, что свободные электроны, образующие ток, на всем пути «подталкиваются» или «подтягиваются» от отрицательного электрода к положительному.

Вот эту-то электродвижущую силу мы и называем напряжением на участке цепи. Термин «э.д.с.» применяется только по отношению к самому источнику тока, да и то лишь в том случае, когда к нему не подключена электрическая цепь.

Но откуда берутся в электрической цепи избыточные заряды, которые могут создавать напряжение на отдельных участках?

Ну конечно же, это «продукция» нашей батарейки, результат происходящих в ней химических реакций. Лишние электроны, так же, как и атомы с недостающими электронами, не концентрируются только на электродах батарейки — в цепи «обрывов» нет! Сразу же после подключения батарейки с ее отрицательного электрода в один конец цепи моментально «хлынут» электроны, а с другого конца цепи электроны так же стремительно уйдут на положительный электрод, оставив в проводниках лишние положительные ионы. В результате этого избыточные заряды, появляющиеся на электродах батарейки, мгновенно распределяются по всей замкнутой цепи. Где бы ни находился электрон, он всегда «подталкивается» по направлению от отрицательного электрода к положительному, так же как сани по наклонной дороге все время катятся сверху вниз.

Для того чтобы картина спуска саней больше походила на движение электронов в цени, нужно представить себе, что сани спускаются не по снегу, а по дороге с участками из различных шероховатых материалов, например из асфальта, дерева, листового железа и т. п., аналогично тому, как движущиеся электроны на различных участках цепи преодолевают разное сопротивление проводника.

Для того чтобы сани по всему пути двигались с одинаковой скоростью, нужно, чтобы участки из очень шероховатого материала (например, асфальта) имели сравнительно большой уклон, а участки из более скользкого материала (например, листового железа) — меньший уклон. Точно так же напряжение на том или ином участке электрической цепи должно быть тем больше, чем больше сопротивление этого участка. Только при этом условии скорость движения электронов, то есть величина тока, во всей цепи будет неизменной. А то, что ток в любой точке цепи должен быть одинаковым, не требует особых пояснений. Ведь если в какой-нибудь точке цепи электроны вдруг начнут двигаться медленней, то электроны будут здесь непрерывно накапливаться, и через некоторое время этот участок станет источником тока. А такого, конечно, не бывает.

В замкнутой электрической цепи избыточные заряды, поступающие от батарейки, сами распределяются так, что во всех точках этой цепи протекает одинаковой силы ток. При этом, естественно, на участках с большим сопротивлением действует и большее напряжение. Это вполне согласуется с приведенной ранее формулой U = I·R. Напряжение U на каждом участке цепи так же, как и э.д.с. батареи, может быть измерено вольтметром. Для того чтобы до конца использовать наше сравнение, укажем, что увеличить скорость движения саней можно путем создания более высокого спуска или более скользкой дороги.

Точно так же для увеличения тока можно увеличить э.д.с. источника или уменьшить общее сопротивление цепи. Зависимость напряжения на том или ином участке цепи от сопротивления этого участка широко используется в так называемых делителях напряжения (листы 31, 33).

Примером такого делителя может служить наша цепь, состоящая из двух лампочек, на каждой из которых действует напряжение по 2,25 в (рис. 15, левая схема). Если бы сопротивление лампочки Л₁ было в два раза больше, чем сопротивление лампочки Л₂, то на первой из них действовало бы напряжение 3 в, а на второй — 1,5 в (рис. 15, правая схема). Подбирая определенным образом сопротивление цепи, с делителя можно получить напряжение, которое будет во сколько угодно раз меньше, чем э.д.с. батареи.