книги из ГПНТБ / Комаров Е.Ф. Учебное пособие радиотелемастера

Таким образом, мощность, рассеиваемая на каком-либо сопротивлении, определяется следующим образом:

ЗАКОНЫ КИРХГОФА

Первый закон Кирхгофа, Пусть имеется некоторая слож­ ная электрическая цепь с точкой разветвления проводов (узлом). По некоторым проводникам токи притекают к точке разветвления, а по некоторым утекают от нее. Первый за­ кон Кирхгофа описывает протекание тока в таких сложных цепях и гласит, что сумма токов, направленных к точке раз­ ветвления проводов, равна сумме токов, направленных от нее.

Закон достаточно прост и дополнительных пояснений не тре­ бует.

Второй закон Кирхгофа относится к напряжениям, дей­ ствующим в замкнутой электрической цепи, и гласит,!,что

алгебраическая сумма э.д.с. равна сумме падений напряжения на отдельных участках данной цепи (включая и внутреннее сопротивление самого источника).

Второй закон Кирхгофа используеться обычно для зам­ кнутых контуров сложной, многоконтурной цепи, содержа­ щей большое количество источников э.д.с. Однако его можно применить и для простейшей, одноконтурной цепи, напри­ мер изображенной на рис. 8. Для этой цепи второй закон Кирхгофа может быть выражен следующим образом:

(20)

ЗАКОН ДЖОУЛ Я-ЛЕНЦА

Во всяком проводнике при температуре выше абсолют­ ного нуля всегда существует тепловое движение частиц. Ато­ мы, составляющие данное тело, не остаются неподвижными, а колеблются около некоторого среднего положения. При про­ хождении тока через проводник возникают столкновения движущихся электронов с атомами проводника. Амплиту­ да колебаний атомов возрастает, что равносильно увеличе­ нию температуры тела. Между энергией, затраченной источ­ ником, и количеством тепла, полученным телом, существует

20

определенная зависимость, которая носит название зако­ на Джоуля-Ленца.

Пусть имеется резистор с сопротивлением R, по которому протекает ток /. На этом резисторе рассеивается мощность Р = PR . Если ток протекает в течение времени t, то источ­

где Q — количество тепла.

Это выражение и характеризует собой закон ДжоуляЛенца, который формулируется следующим образом: к о ­

т о к о м , п р я м о п р о п о р ц и о н а л ь н о к в а д ­ р а т у с и л ы т о к а , с о п р о т и в л е н и ю п р о ­ в о д н и к а и в р е м е н и .

Тепловое действие тока используется в различных элект­ ронагревательных приборах (утюги, плиты, печи, паяльники

идр.). Но иногда тепловое действие тока является вредным, так как может вызвать нарушение правильного теплового режима работы данного узла и привести к выходу его из строя (перегрев обмотки трансформатора, электродвигателя

идр.). На тепловом действии тока основана работа различ­ ных передохранительных устройств, отключающих элект­ рическую цепь от источника при ненормальном увеличении тока в цепи.

СПОСОБЫ ВКЛЮЧЕНИЯ В ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННЫХ РЕЗИСТОРОВ

В радиосхемах наряду с постоянными резисторами при­ меняются переменные, сопротивление которых может из­ меняться в некоторых пределах. У переменных резисторов кроме двух крайних выводов от концов токопроводящего слоя имеется средний, связанный с подвижным ползунком. Су­ ществует два способа включения переменных резисторов в электрическую цепь. При первом способе переменный ре­ зистор Rp включается в цепь последовательно с основным,

21

нагрузочным, резистором R H(рис. 9) и служит для изменения тока в цепи. При таком включении резистора перемещение ползунка будет сопровождаться изменением общего сопро­ тивления цепи и, следовательно, изменением силы тока, протекающего в ней. Такой переменный резистор, включен­ ный в цепь последовательно и служащий для регулиров­ ки силы тока в цепи, получил название р е о с т а т а .

При втором способе переменный резистор своими край­ ними выводами подключается параллельно источнику э.д.с. или некоторому участку цепи, где действует нужное напряжение. Средний вывод, связанный с ползунком, и один

из крайних соединяются с нагрузкой (рис. 10). Если переме­ щать ползунок переменного резистора от одного конца токо­ проводящего слоя до другого, то напряжение на нагрузке будет изменяться от минимальной до максимальной вели­ чины, определяемой э.д.с. источника. Переменный резистор, включенный подобным образом и служащий для регулиро­ вания напряжения на нагрузке, называется п о т е н ц и о ­ м е т р о м . Потенциометры используются в радиосхемах для регулировки различных напряжений питания, гром­ кости и тембра звука (в приемниках), яркости и контраст­ ности изображения (в телевизорах) и т. д.

ПРАВИЛА ВКЛЮЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЦЕПЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

На практике наиболее часто приходится измерять силу тока, протекающего в электрической цепи, и напряжение (разность потенциалов), действующее на различных участ­ ках этой цепи. Для измерения напряжения и силы тока су­ ществуют специальные измерительные приборы — ампер­

22

метры и вольтметры, которые включаются определенным способом в цепь.

Измерить силу тока в цепи — это значит сосчитать число зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника за единицу времени (одну секунду). Для того чтобы осуще­ ствить такой подсчет, необходимо сделать так, чтобы все заряды проходили через измерительный прибор. В таком случае прибор для измерения силы тока — амперметр нуж­ но включать в цепь п о с л е д о в а т е л ь н о (рис. 9). Амперметр может быть включен в любом месте данной цепи, так как во всех ее участках протекает один и тот же ток.

При измерении напряжений (разности потенциалов) из­ мерительный прибор — вольтметр — всегда подключается именно к этим точкам с различными электрическими потен­ циалами. Иными словами, к участку цепи, где измеряется

ней обкладке конденсатора. Таким образом, в момент замы­ кания контактов переключателя во всей цепи (за исключе­ нием промежутка между обкладками конденсатора) скач­ ком возникает ток. Величина его для этогормомента времени

будет максимальной и равной г<=0 = к- • Известно, что

А

напряжение на обкладках конденсатора пропорционально

заряду <7, накопленному на обкладках, т. е. Uc = . В это

23

первое мгновение конденсатор еще не заряжен, напряжение на его обкладках равно нулю и, следовательно, все напря­ жение источника э. д. с. оказывается приложенным к ре­ зистору R.

При дальнейшем движении зарядов по цепи происходит постепенное накопление этих зарядов на обкладках конденса­ тора. С верхней обкладки все большее и большее число элект­ ронов уходит к положительному полюсу источника, и об­ кладка приобретает все больший и больший положитель­ ный заряд. В то же время все большее и большее количест­ во электронов с отрицательного полюса источника поступа­ ет на нижнюю обкладку, и она приобретает все больший и больший отрицательный заряд. Благодаря наличию сил взаимодействия заряды на обеих обкладках в любой момент времени оказываются равными между собой.

Такой процесс накопления электрических зарядов на обкладках конденсатора носит название з а р я д а конден­ сатора (не путать с понятием заряда, данным в первой главе).

При заряде конденсатора между его обкладками возни­ кает и растет разность потенциалов Uc- В пространстве меж­ ду обкладками образуется электрическое поле, вследствие чего диэлектрик поляризуется (см. ранее). Поляризация диэлектрика поддерживается той энергией, которая запа­ сена в электрическом поле конденсатора. Как видно из схе­

текающий в цепи и заряжающий конденсатор С, будет соз­ даваться не э.д.с. источника напряжения, а р а з н о с т ь ю этой э.д.с. и напряжения Uc на конденсаторе.

По мере заряда конденсатора напряжение Uc растет, результирующее напряжение, действующее в цепи, пада­ ет и это приводит к постепенному уменьшению тока, заря­ жающего конденсатор. Когда конденсатор полностью за­ рядится, т. е. напряжение на его обкладках достигнет э.д.с. источника, ток в цепи станет равным нулю. Теоре­ тически для этого требуется бесконечно долгое время, но практически процесс заряда конденсатора заканчивается за время, равное нескольким долям секунды.

Изобразим графически временную зависимость изме­ нения тока при заряде конденсатора через резистор (рис. 12). Эта зависимость изобразится в виде плавной кривой, которая носит название э к с п о н е н т ы . Как видно из графика, сначала ток в цепи уменьшается быстро, а затем с

24

меньшей скоростью. Через некоторое время ток в цепи стано­ вится равным нулю. Аналогичную кривую можно постро­ ить и для напряжения, действующего на обкладках кон­ денсатора. В первый момент времени напряжение равно

Как видно из графика, при своем изменении напряжение Uc стремится к некоторому пределу, определяемому э.д. с. ис­ точника. По достижении этого предела, напряжение Uc ста­ новится постоянным и равным э.д.с. источника. Заряд кон­ денсатора прекращается. В электрическом поле, возникаю­ щем между обкладками конденсатора при его заряде, запа­

ложение 2), то при хорошем качестве диэлектрика он спосо­ бен достаточно долгое время сохранять введенный в него заряд, т. е. сохранять запасенную в нем энергию. Но если параллельно заряженному конденсатору подключить какойлибо резистор ( в схеме поставить переключатель в поло­ жение 3), то начнется процесс разряда конденсатора. Элект­ роны с нижней обкладки через соединительные проводки и резистор R будут переходить на верхнюю обкладку, где будет происходить их нейтрализация положительными заря­ дами. В ходе процесса заряд, введенный в конденсатор, будет уменьшаться, что повлечет за собой постепенное умень­ шение напряжения Uc и, следовательно, тока в цепи. Как уменьшение напряжения Uc , так и уменьшение разрядного тока конденсатора происходят также п о э к с п о н е н ц и - а л ь н о м у закону (графически это изобразится кривыми, аналогичными кривой зарядного тока на рис. 12). По окон­ чании процесса разряда напряжение Ѵс становится равным

25

нулю, электрическое поле между обкладками конденсатора исчезает, что приводит к исчезновению поляризации в ди­ электрике, Вся энергия, запасенная в конденсаторе, в про­ цессе разряда преобразуется в тепло и расходуется на резис­ торе R.

Из рассмотрения процессов заряда и разряда конденсато­ ра видно, что эти процессы происходят не мгновенно, на них

к о н е ч н о б о л ь ш о й ток. На практике это осуществить невозможно, и поэтому в электротехнике существует пра­ вило: н а п р я ж е н и е н а к о н д е н с а т о р е с к а ч ­ к о м н и к о г д а и з м е н и т ь с я н е м о ж е т .

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

В пространстве, кроме электрического поля, можно соз­ дать п о л е м а г н и т н о е . Магнитное поле, как и элект­ рическое, является одной из форм существования материи.

ну поля и изобразить его графически. Электрический ток в проводе и магнитное поле вокруг него — неразрывно связан­ ные явления. Магнитное поле вокруг проводника, по кото­ рому протекает ток, имеет вид концентрически расположен­ ных окружностей (рис. 13). Определить направление сило­ вых линий поля можно, используя так называемое п р а ­ в и л о б у р а в ч и к а . Если расположить буравчик вдоль оси провода и вращать его рукоятку так, чтобы поступатель­

26

ное движение буравчика совпадало с направлением тока в проводнике, то вращательное движение рукоятки буравчика покажет направление силовых линий. Магнитное поле, соз­ данное проводником, можно значительно усилить, если свернуть проводник в спираль, которая обычно называется с о л е н о и д о м , или к а т у ш к о й индуктивности. Направление магнитного поля внутри катушки можно также определить при помощи правила буравчика.

Если силовые линии магнитного поля проходят через

на проводник с током (электромеханическое действие магнит­ ного поля); б) наведение э.д.с. в проводникё, помещенном в магнитном поле, при изменении интенсивности этого поля (индукционное действие магнитного поля).

Используя одно из этих основных свойств магнитного поля, можно определить (количественно) единицу магнит­ ного потока — вебер — и единицу магнитной индукции, ко­ торая получила название т е с л а . Вебером называется маг­ нитный поток, при убывании которого до нуля за время в одну секунду, в контуре, пронизываемом этим потоком, возникает э.д.с. индукции, равная 1 вольту. Соответственно единицей магнитной индукции является вебер на квадрат­

1 м2 перпендикулярно направлению поля, равен одному веберу.

27

Если возьмем соленоид, т. е. катушку индуктивности с не­ которым числом витков, и пропустим через нее ток, то в окружающем ее пространстве будет создано магнитное поле. Величина его прямо пропорциональна числу витков катуш­ ки и протекающему в ней току. Однако на величину поля в сильной степени влияет среда внутри катушки. Так, если в катушку ввести железный стержень (сердечник), то маг­ нитное поле резко увеличится. Это показывает, что воздух и железо по-разному реагируют на магнитное поле. В со­ ответствии с этим все тела в природе условно можно разбить на три категории:

1)п а р а м а г н и т н ы е — материалы или среды, в которых поле становится сильнее, чем в вакууме;

2)д и а м а г н и т н ы е — материалы и среды, в кото­ рых поле становится слабее;

3)ф е р р о м а г н и т н ы е .

Последняя категория тел, к которым относятся железо, никель, кобальт и все их сплавы, отличается способностью резко увеличивать величину магнитной индукции поля, в которое они введены. Для оценки этой способности было

десятки, сотни и даже тысячи раз больше магнитной прони­ цаемости вакуума.

Свойство ферромагнитных материалов увеличивать маг­ нитное поле оказывается весьма важным для практики и ис­ пользуется при конструировании различных электричес­

магнитных свойств среды, но учитывает влияние величины тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке. Магнитная индукция и напряженность поля связаны между собой следующим соотношением:

где fia = р • [л0 — абсолютная магнитная проницаемость среды;

28

jA0 — 4тс • 10~ 4OM • сек/м — магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума);

р — магнитная проницаемость вещества (отвлеченное число), равная отношению магнитной индукции В поля в дан­

ной среде к магнитной индукции В0 в вакууме L _ J L ) _

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Если в магнитное поле ввести прямолинейный провод­ ник, через который протекает электрический ток /, то на этот

ориентировать в простран­ стве так, чтобы магнитные

линии поля входили в ладонь, а направление четырех вытяну­ тых пальцев совпадало с направлением тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление силы F, дей­ ствующей на провод, т. е. направление движения проводника.

Возникновение электромагнитной силы можно предста­ вить себе как результат взаимодействия двух магнитных полей — основного, внешнего поля и поля, созданного током, протекающим в проводнике. Как видно из рис. 15, слева от

29