Раздел 1.

ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность — инженер-электрик

Электротехника является весьма обширной отраслью технических наук. Инженер-электрик проектирует новые изделия, определяет их технические характеристики и тре­бования по эксплуатации. Инженеры-электрики также испытывают оборудование и решают возникающие при этом проблемы. Они должны знать, сколько времени по­требуется для осуществления того или иного проекта и уметь определить стоимость этого проекта.

Область деятельности, связанная с электричеством, требует специалистов двух типов: инженеров-электриков и инженеров-электронщиков. Инженер-электрик работает с оборудованием по производству и передаче электроэнер­гии, электродвигателями, занят управлением и контролем электрооборудования и установкой электропроводки и ос­вещения. Инженер-электронщик имеет дело с электронным оборудованием: радарами, компьютерами, коммуникаци­ями и бытовой техникой.

Ожидается, что потребность в инженерах к 2000 году, значительно возрастет. Этот предполагаемый рост связан с увеличением потребности в компьютерах, коммуникацион­ном оборудовании и военной технике. Дополнительные ра­бочие места создаются благодаря исследованиям и разработ­кам новых типов автоматов и промышленных роботов.

Глава 1. Основы электричества

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в со­стоянии:

• Дать определения атома, материи, элемента и моле­кулы.

• Перечислить части атома.

• Дать определение валентной оболочки атома.

• Знать, в каких единицах измеряется ток.

• Изобразить символ, используемый для обозначения тока в цепи.

• Описать разницу между проводниками, изоляторами и полупроводниками.

• Дать определения разности потенциалов, электродви­жущей силы и напряжения.

• Изобразить символ, используемый для обозначения на­пряжения.

• Знать, в каких единицах измеряется напряжение.

• Дать определение сопротивления.

• Знать характеристики сопротивления в цепи.

• Знать, в каких единицах измеряется сопротивление.

• Изобразить символ, используемый для обозначения со­противления в цепи.

Любая вещь, созданная природой или человеком, может быть разбита на мельчайшие кусочки. Однако наименьшей частью вещества является атом.

Атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны сгруппированы в центре атома и об­разуют ядро. Электроны расположены на оболочках на различных расстояниях от ядра.

Когда соответствующая внешняя сила воздействует на электроны, находящиеся на внешней оболочке, они отры­ваются от атома и становятся свободными. Движение сво-

бодных электронов называется током. Внешняя сила, не­обходимая для создания тока, называется напряжением. На своем пути ток встречает некоторое противодействие, называемое сопротивлением.

В этой главе рассмотрено, как связаы между собой ток, напряжение и сопротивление — эти основополагающие понятия учения об электричестве.

1-1. МАТЕРИЯ, ЭЛЕМЕНТЫ И СОЕДИНЕНИЯ

Материей является все, что занимает окружающее нас пространство и имеет вес. Материя бывает в одном из трех основных состояний: твердом, жидком или газообразном. Примерами материи являются: воздух, которым мы дышим, вода, которую пьем, одежда, которую носим, и мы сами. Материя может быть либо элементом, либо соединением.

Элемент является основным строительным материалом природы. Он представляет собой субстанцию, которая не может быть разделена на более простые субстанции хи­мическим путем. В настоящее время известно около 100

Рис. 1-1. Химическая комбинация двух или более элементов называется соединением. Молекула — это химическая комби­нация двух или более атомов. Примерами являются вода (Н₂0) и соль (NaCl).

Соединение

элементов. Примерами элементов являются золото, сереб­ро, медь и кислород.

Химическая комбинация двух или более элементов на­зывается соединением (рис. 1-1). Соединение может быть разделено химическим, но не механическим способом. Примерами соединений являются вода, которая состоит из кислорода и водорода, и поваренная соль, состоящая из на­трия и хлора. Наименьшая частица соединения, которая еще сохраняет его свойства, называется молекулой. Моле­кула — это химическая комбинация двух или более ато­мов. Атом — это наименьшая частица элемента, сохраня­ющая характеристики элемента.

Комбинация элементов и соединений, не вступивших в химическую реакцию, называется смесью. Примерами сме­сей являются воздух, состоящий из кислорода, азота, уг­лекислого газа и других газов, и соленая вода, которая состоит из соли и воды.

1-1. Вопросы

1. В каких состояниях бывает материя?

2. Как называется субстанция, которая не может быть раз­делена на более простые субстанции химическим путем?

3. Что является наименьшей частицей соединения, кото­рая сохраняет его характеристики?

4. Что является наименьшей частицей, которая сохраня­ет характеристики элемента?

1-2. ЗНАКОМСТВО С АТОМАМИ

Атом является наименьшей частицей элемента, сохра­няющей его характеристики. Атомы различных элементов отличаются друг от друга. Поскольку существует свыше 100 различных элементов, то существует и свыше 100 раз­личных видов атомов.

Каждый атом имеет ядро. Ядро расположено в центре атома. Оно содержит положительно заряженные частицы

• протоны и незаряженные частицы — нейтроны. Отри-

электроны вращаются

цателыю заряженные частицы вокруг ядер (рис. 1-2).

Количество протонов в ядре атома называется атомным номером элемента. Атомные номера позволяют отличить один элемент от другого.

Каждый элемент имеет атомный вес. Атомный вес — это масса атома, которая определяется общим числом про­тонов и нейтронов в ядре. Электроны практически не дают вклада в общую массу атома, масса электрона составляет только 1/1845 часть массы протона и ею можно пренебречь.

обозначения оболочек

оболочки

Рис. 1-3. Электроны расположены на оболочках вокруг ядра.

Электроны вращаются по концентрическим ор­битам вокруг ядра. Каж­дая орбита называется оболочкой. Эти оболоч­ки заполняются в следу­ющей последовательно­сти: сначала заполняет­ся оболочка К, затем L, М, N и т.д. (рис. 1-3). Максимальное количе­ство электронов, кото­рое может разместиться на каждой оболочке по­казано на рис. 1-4.

Материал	Проводимость
Серебро Медь Золото Алюминий Вольфрам Железо Нихром	Высокая 1 г Низкая

Обозначения оболочек	Общее количество электронов
К	2
L	8
М	18
N	32
0	18
Р	12
Q	2

Рис. 1-4. Количество элект- Рис. 1-5. Проводимость различ- ронов, которое может при- ных металлов, используемых

нять каждая оболочка. в качестве проводников.

Внешняя оболочка называется валентной, и количество электронов, содержащееся в ней, называется валентностью. Чем дальше от ядра валентная оболочка, тем меньшее при­тяжение со стороны ядра испытывает каждый валентный электрон. Таким образом, потенциальная возможность атома присоединять или терять электроны увеличивается, если валентная оболочка не заполнена и расположена до­статочно далеко от ядра.

Электроны валентной оболочки могут получать энергию. Если эти электроны получат достаточно энергии от внешних сил, они могут покинуть атом и стать свободными электро­нами, произвольно перемещающимися от атома к атому. Материалы, содержащие большое количество свободных электронов называются проводниками. На рис. 1-5 сравни­ваются проводимости различных металлов, используемых в качестве проводников. В таблице серебро, медь и золото имеют валентность равную единице (рис. 1-6). Однако се­ребро является лучшим проводником, поскольку его вален­тные электроны слабее связаны.

Изоляторы, в противоположность проводникам, препят­ствуют протеканию электричества. Изоляторы стабильны

ядро

Рис. 1-6. Валентность меди равна 1.

благодаря тому, что валентные электроны одних атомов присоединяются к другим атомам, заполняя их валентные оболочки, препятствуя, таким образом, образованию сво­бодных электронов. Материалы, классифицируемые как изоляторы, сравниваются на рис. 1-7. Слюда является наи­лучшим изолятором, потому что она имеет наименьшее чис­ло свободных электронов на своих валентных оболочках.

Материал	Диэлектричес­кие свойства
Слюда	Высокие
Стекло
Фторопласт
Бумага (парафи­
нированная)
Резина
Бакелит
Масла
Фарфор		г
Воздух	Низкие

Промежуточное положение между проводниками и изо­ляторами занимают полупроводники. Полупроводники не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изо­ляторами, но они важны, потому что их проводи­мость можно изменять от проводника до изолятора. Кремний и германий яв­ляются полупроводнико­выми материалами.

Об атоме, который име­ет одинаковое число элек­тронов и протонов, гово­рят, что он электрически нейтрален. Атом, полу­чающий один или более

„ „ „ „ электронов, не является

Рис. 1-7. Диэлектрические свойства

различных материалов, используе- электрически неитраль-

мых в качестве изоляторов. ным. Он становится от-

рицательно заряженным и называется отрицательным ионом. Если атом теряет один или более электронов, то он становится положительно заряженным и называется поло­жительным ионом. Процесс присоединения или потери электронов называется ионизацией. Ионизация играет большую роль в протекании электрического тока.

1-2. Вопросы

1. Какая атомная частица имеет положительный заряд и большую массу?

2. Какая атомная частица не имеет заряда вообще?

3. Какая атомная частица имеет отрицательный заряд и маленькую массу?

4. Что определяется количеством электронов на самой внешней оболочке атома?

5. Каким термином описывается присоединение и потеря электронов атомом?

1. 3. ТОК

При наличии внешней силы движение электронов на­правлено от отрицательно заряженных атомов к положи­тельно заряженным. Этот поток электронов называется током (I). Ток измеряется суммой зарядов всех электронов, прошедших через заданную точку.

Электрон имеет очень маленький заряд, такой, что заряд б 280 ООО ООО ООО ООО ООО электронов, собранных вместе, называется кулоном (Кл). Когда заряд в один кулон прохо­дит через заданную точку за одну секунду, это означает, что по проводнику течет ток в один ампер (А). Единица силы тока названа в честь французского физика Андре Мари Ампера (1775-1836). Сила тока измеряется в амперах.