|
ГЛАВА I
ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ
1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, ЭЛЕКТРОНЫ И ПРОТОНЫ
Когда мы смотрим на горящую электрическую лампочку, на движущийся трамвай, на говорящий громкоговоритель, то все эти явления кажутся нам простыми и понятными.
В самом деле, лампочка загорается, трамвай движется и громкоговоритель говорит потому, что на них воздействует электричество, которое в виде электрического тока подходит к ним по проводам. Стоит только прекратить доступ электричества, скажем, порвав провода, как лампочка погаснет, трамвай остановится, громкоговоритель замолчит.
Значит, все эти приборы и машины как-то работают от электричества, но как именно и что собой представляет само электричество, какова его природа — вопрос остается неясным. Для объяснения природы электричества существует электронная теория, которая дает некоторое представление о природе электричества.
Если сообщить некоторое количество электричества какому-нибудь предмету, он, как говорят, зарядится; при этом величина заряда будет вполне определенная. Можно ли предмет, или тело, зарядить каким угодно количеством электричества? Оказывается нельзя, так же как нельзя зарядить тело, или предмет, очень малым количеством электричества, меньше некоторой определенной частицы электричества, которая всегда будет одинаковой. Обычно мы сообщаем заряжаемому электричеством телу несколько таких частиц электричества (1, 2, 3 и т. д.), но обязательно целое число. При этом величина самой маленькой частицы электричества будет всегда одинакова.
Если зарядить электричеством несколько тел, то легко заметить, что одни заряженные тела притягиваются друг к другу, другие — отталкиваются. Действительно, если эбонитовую палочку или сургуч натереть сукном, то палочка (сургуч) наэлектризуется и приобретет свойство притягивать к себе маленькие кусочки бумаги, волоски и т. д.
Исследуем это электричество с помощью легкого шарика из бузинной сердцевины (рис. 1), подвешенного на тонкой шелковой нитке. Приблизив к шарику эбонитовую палочку, натертую сукном, легко заметить, что шарик будет притягиваться к палочке, но как только он до нее дотронется, то сейчас же сам
наэлектризуется и оттолкнется от палочки и будет отталкиваться всякий раз, когда мы будем подносить к нему наэлектризованную палочку. Происходит это потому, что тела, заряженные одним и тем же электричеством, отталкиваются друг от друга.
Если коснемся натертой о шелковую материю стеклянной палочкой другого шарика, то явление отталкивания повторится, следовательно, и в этом случае мы имеем отталкивание заряженных одинаковым электричеством тел.
Приближая шарик, заряженный от эбонитовой палочки, к другому шарику, заряженному от стеклянной палочки, заметим, что они притягиваются. Отсюда заключаем, что электричество бывает двух родов, или, как обычно говорят, двух знаков: положительное — от трения стекла о шелковую материю, и отрицательное — от трения эбонита о сукно.
При помощи опытов с заряженными бузиновыми шариками мы убедились, что тела, заряженные одноименным электричеством, положительным или отрицательным, отталкиваются, а заряженные разноименным электричеством притягиваются.
Таким образом электричество бывает двух родов — положительное и отрицательное, и имеет зернистое строение, так как состоит из частиц (зернышек). Самые маленькие, неделимые зернышки отрицательного электричества называются электронами, а такие же частицы положительного электричества — протонами. Зернышки эти взаимодействуют друг с другом, причем электрон от электрона или протон от протона отталкиваются, а электрон с протоном притягиваются.
Все тела и предметы, которые нас окружают, состоят из молекул (наименьших частиц сложного вещества), а молекулы в свою очередь состоят из мельчайших частиц простого вещества, называемых атомами. Атомы всякого вещества состоят в свою очередь из электронов и протонов. Таким образом, все существующие предметы имеют электрическую природу. Строение атома (рис. 2) можно себе представить так: в середине атома находятся все протоны и часть электронов, которые, группируясь вместе, образуют положительно заряженное ядро атома, так как протонов в ядре всегда больше, чем электронов.
Вокруг этого ядра расположены остальные электроны на разных от него расстояниях. Электроны испытывают со стороны ядра притяжение, причем сила притяжения будет тем меньше, чем дальше электрон отстоит от ядра. Кроме того, электроны вращаются все время вокруг ядра по окружности; очевидно, чем дальше электрон отстоит от ядра, тем большего размера окружность он описывает.
Вращение электронов вокруг ядра происходит, примерно; так же, как планеты нашей солнечной системы вращаются вокруг солнца.
В нормальном состоянии всякий атом нейтрален, так как положительный заряд ядра в точности равен сумме отрицательных зарядов всех электронов каждого атома и они взаимно уравновешивают (нейтрализуют) друг друга.
2. СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ. СИЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Иногда некоторые электроны отрываются от атома и носятся в пространстве между атомами. Чаще всего это бывает с теми электронами, которые дальше других отстоят от ядра, так как притяжение их к ядру меньше, чем других электронов, и им легче удается оторваться. Такие электроны называются свободными.
В атомах различных веществ электроны не с одинаковой силой притягиваются к ядру: в одних атомах — с большей, в других — С меньшей силой. Поэтому и свободных электронов в одних веществах может содержаться меньшее количество, в других — большее.
Тела, которые содержат много свободных электронов и в которых последние могут легко передвигаться, называются проводниками.
Тела, в которых содержится мало свободных электронов и движение их затруднительно, называются непроводниками, или диэлектриками.
Если от атома оторвать один или несколько электронов, то в нем будет преобладать положительный заряд. Атом будет заряжен положительно и будет стремиться притянуть к себе недостающие ему электроны из числа свободных. Таким образом, если от всех атомов какого-нибудь тела оторвать по несколько электронов, то тело окажется заряженным положительно. Наоборот, если телу прибавим некоторое количество электронов, то оно сделается заряженным отрицательно. Пусть у нас имеется 2 металлических тела А и Б (рис. 3). Тело А заряжено положительно, тело Б — отрицательно. Следовательно, в теле А будет недостаток электронов, а в теле Б — избыток их. Если мы расположим тела А и Б так, чтобы их отделял друг от друга небольшой воздушный промежуток, то положительно заряженное тело А будет стремиться притянуть к себе недостающие электроны из числа избыточных, находящихся в воздушном промежутке и на теле Б, но воздушный промежуток, разделяющий тела, не позволит электронам перейти с тела Б з тело А, так как воздух является непроводником (диэлектриком), а потому движение в нем электронов будет затруднительно.
Пространство между заряженными телами А и Б, в котором происходит взаимодействие зарядов, называется электрическим полем.
Система двух металлических тел (проводников), разделенных диэлектриком, называется конденсатором, а его свойство вмещать электрические заряды называется емкостью.
Если соединить тело А с телом Б каким-нибудь проводником, т. е. телом, в котором электроны могут свободно передвигаться, электроны сейчас же устремятся из тела Б в тело А. Это движение электронов называется электрическим током.
Сила электрического тока определяется количеством электронов, протекающих через проводник в 1 секунду, и обозначается /. Так как через проводник, даже при очень малой силе тока, протекает в секунду чрезвычайно большое количество электронов, то измерять силу тока числом электронов затруднительно. Поэтому за единицу силы тока принят такой ток, который, проходя через раствор азотно-серебряной соли, выделяет из нее путем разложения 1,118 миллиграмма1 чистого серебра в 1 секунду; такая единица силы тока называется ампером и обозначается буквой А (а). Теперь у нас может возникнуть вопрос: отчего зависит сила тока в проводнике?
3. РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ. НАПРЯЖЕНИЕ
Когда мы соединяли проводником тело А с телом Б, то видели, что по ним протекал ток.
Чтобы в дальнейшем не было путаницы, надо сделать одну оговорку. Движение электронов направлено от тела Б к телу
Л,но за направление электрического тока принято считать обратное направление, т. е. от положительно заряженного тела А к отрицательно заряженному телу Б (рис. 4).
Это правило было установлено еще до появления электронной теории, когда не знали о движении электронов. Чтобы не изменять установившихся условных обозначений, это правило сохранилось и до сего времени.
Причина, создающая движение электронов и стремящаяся перемещать электрические заряды по проводнику, называется электродвижущей силой и обозначается буквой Е.
1 Миллиграмм — тысячная доля грамма.
Рис. 4. Направление электрического тока
Величина тока в проводнике, соединяющем тела А и Б (рис. 4), будет тем больше, чем больше будет положительный заряд тела А (недостаток электронов) и чем больше будет отрицательный заряд тела Б (избыток электронов), другими словами, чем больше будет разность зарядов между телами.
Эта разность зарядов называется разностью электрических потенциалов, или напряжением, и обозначается буквой U. Чем больше эта разность, тем больше и сила тока. Для лучшего понимания этого вопроса приведем следующее сравнение.
Положим, что два сосуда А и Б соединены трубкой (рис. 5). В середине трубки пусть будет кран, который пока будем считать закрытым. Нальем в сосуды воду таким образом, чтобы уровень ее hx в сосуде А был значительно выше уровня /г., в сосуде Б. Откроем кран.
Вода под влиянием разности уровней потечет из сосуда А в сосуд Б. При этом можно заметить, что вначале, когда разность уровней самая большая, течение воды в трубке будет самое быстрое; по мере же уменьшения разности в уровнях быстрота течения будет уменьшаться. Когда высоты уровней воды в сосудах сравняются, исчезнет разность уровней, и движение воды прекратится вовсе. Подобное же явление мы имеем и в случае электрического тока, в примере с телами А и Б (рис. 3). Сила электрического тока, как мы видели, также зависит от величины разности "уровней" электрических зарядов, т. е. от величины напряжения. Чем больше эта последняя, тем больше будет и сила тока. Когда же "уровни" электрических зарядов сравняются, то и сила тока прекратится. Чтобы ток не прекращать, а сохранять его величину постоянной, нужно все время поддерживать постоянной и разность "уровней" электрических зарядов. В электротехнике для этой цели служат источники электрического тока. Если мы какой-нибудь источник электрического тока, например батарейку от карманного фонаря, присоединим к концам проводника, то батарейка создаст на них некоторую разность потенциалов, или напряжение, и будет поддерживать ее постоянной. В силу этого по проводнику потечет ток постоянной силы. Таким образом, сила электрического тока зависит от величины разности потенциалов на концах проводника, или от величины напряжения. Так как величина напряжения может быть различной, то ее нужно уметь как-то измерять. Единица измерения разности потенциалов, или напряжения, называется вольтом1 и обозначается буквой Ь, а в международном обозначении — латинской буквой V.
1 Определение единицы напряжения 1 вольт см. § 5.
4. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКА. ПРОВОДИМОСТЬ
Кроме напряжения, сила электрического тока зависит также и от сопротивления проводника, по которому течет ток. Раньше мы уже упоминали, что различные материалы не одинаково проводят ток. Чем больше в материале свободных электронов, тем легче они могут в нем двигаться, тем меньше его сопротивление. Наоборот, чем меньше свободных электронов в теле, чем более затруднено их движение, тем больше будет и сопротивление тела. Так, например, сопротивление меди сравнительно невелико, сопротивление же железа больше сопротивления меди в 772 раз, а сопротивление диэлектриков превышает сопротивление проводников в миллионы раз. Следовательно, величина сопротивления весьма сильно зависит от рода материала проводника.
Раньше мы видели, что сила электрического тока измерялась амперами, напряжение, или разность потенциалов, — вольтами. Точно так же и для сопротивления установлена своя единица измерения. Единица измерения электрического сопротивления называется омом и представляет сопротивление электрическому току столба ртути длиной 106,3 см при поперечном сечении 1 кв. мм и при температуре таяния льда (0°).
Ом принято обозначать ом или греческой буквой Q.
Величина, характеризующая способность данного материала сопротивляться прохождению электрического тока и зависящая от рода материала, называется удельным сопротивлением и представляет сопротивление провода (в омах) длиной в 1 м при поперечном сечении 1 кв. мм. Обозначается удельное сопротивление через р (ро).
Чем меньше удельное сопротивление материала, тем лучше он будет проводить ток.
Ниже приводится для сравнения таблица удельных сопротивлений некоторых материалов. Из табл. I видно, что наибольшим удельным сопротивлением из числа приведенных здесь металлов обладает никелин.
ТАБЛИЦА I
Удельные сопротивления и удельные проводимости металлов
Другая величина, также зависящая от материала и характеризующая способность его проводить электрический ток, называется удельной проводимостью. Чем больше удельная проводимость материала, из которого сделан проводник, тем лучше он будет проводить ток, а это значит, что тем меньше будет его удельное сопротивление. Следовательно, удельное сопротивление и удельная проводимость находятся между собой в обратном отношении, т. е. (...)
Проводимость провода мы получим, если единицу разделим на его сопротивление.
Сопротивление проводника зависит не только от свойств материала, но и от его размеров, от его длины и толщины. Чем длиннее и тоньше будет проводник, тем больше будет его сопротивление прохождению тока. Наоборот, чем короче и толще проводник, тем легче и свободнее будут двигаться электроны, тем меньше им придется испытывать сопротивления на своем пути, значит сопротивление проводника будет меньше. Если же проводник будет тонкий и длинный, то он будет больше препятствовать движению электронов, и, значит, сопротивление его будет больше. Следовательно, если мы хотим иметь проводник с большим сопротивлением, то мы должны будем взять его, во-первых, из материала с большим удельным сопротивлением (например никелин), во-вторых, длинным и тонким. Если мы возьмем короткий и толстый проводники с малым удельным сопротивлением, то будем иметь малое сопротивление.
Вообще сопротивление обозначается через R и определяется из соотношения:
где р — удельное сопротивление в омах;
I — длина провода в м; q — поперечное сечение в мм.
5. ЗАКОН ОМА
Между тремя электрическими величинами (напряжением, силой тока и сопротивлением) существует строгая зависимость.
Допустим, мы имеем проводник с сопротивлением в 1 ом; присоединим к его концам какой-нибудь источник энергии, скажем, гальванический элемент с напряжением в 1 вольт, тогда по проводнику потечет ток ровно в 1 ампер.
Если теперь напряжение, или разность потенциалов, на концах проводника увеличить вдвое, допустим, сделать 2 вольта, то и сила тока увеличится вдвое, будет 2 ампера.
Таким образом, увеличивая напряжение, мы тем самым увеличиваем и силу тока, причем во сколько раз мы увеличили напряжение, во столько же раз увеличилась и сила тока, если сопротивление проводника оставалось постоянным.
Если мы теперь при постоянной разности потенциалов на концах проводника в 1 вольт будем увеличивать сопротивление вдвое, допустим, сделаем его равным 2 омам, то сила тока в проводнике уменьшится также вдвое, т. е. будет 0,5 ампера.
Таким образом, увеличивая сопротивление проводника, мы тем самым уменьшаем силу тока, причем во сколько раз мы увеличили сопротивление проводника, во столько же раз уменьшилась сила тока, если разность потенциалов (напряжение тока) оставалась постоянной.
Эта зависимость между силой тока, напряжением (разностью потенциалов) и сопротивлением проводника была установлена немецким ученым Омом и названа законом Ома.
Эту зависимость можно представить в следующем виде: (...)
Закон Ома является одним из самых основных законов электротехники и имеет весьма частое практическое применение.
Из формулы закона Ома мы можем дать определение единицы электрического напряжения.
Вольт есть такое электрическое напряжение, которое в проводнике, имеющем сопротивление в 1 ом, создает ток силой в 1 ампер.
6. ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Раньше нами было выяснено, что сопротивление проводника зависит от его материала и размеров. Сопротивление проводника зависит также от температуры, до которой он нагрет. Чем сильнее нагрет проводник, чем большую температуру он имеет, тем больше будет и его сопротивление и, наоборот, чем больше охлажден проводник, чем ниже его температура, тем и сопротивление его будет меньше.
Но не все тела ведут себя таким образом; некоторые из них, например уголь, при повышении температуры дают меньшее сопротивление. Каждое тело при нагревании на 1° изменяет свое сопротивление на вполне определенную часть от своей первоначальной величины. Величина этой части сопротивления называется температурньш коэфициентом. Значения этих коз-фициентов для некоторых тел приведены в помещаемой ниже табл. II.
KOHEЦ ФPAГMEHTA УЧЕБНИКА
|
