Ваш радиоприемник

Сворень Рудольф Анатольевич

Сопротивлением, а точнее электрическим сопротивлением, называют способность той или иной среды противодействовать движению зарядов. Характер этого противодействия может быть самым различным. Летит электрон, сталкивается с встречным атомом и останавливается — сопротивление. Пролетает электрон вблизи сильного магнита и сворачивает со своего пути — опять сопротивление. Или вот еще пример противодействия. Несколько электронов вылетело из отрицательного электрода батарейки (там они в избытке!) и образовали вокруг него так называемое электронное «облако». Это облако своим отрицательным зарядом отталкивает назад другие электроны и буквально не дает им выйти из электрода.

Из-за различных видов

противодействия свободный, безостановочный пробег зарядов в любом веществе весьма мал. И трудно сказать, каким образом удалось бы использовать электрическую энергию, если бы в природе не было целой группы веществ, получивших общее название проводников.

Вообразите, что вам нужно пройти по длинному коридору, беспорядочно заваленному столами, ящиками, стульями и другими громоздкими вещами. Сделав несколько шагов, вы, конечно, устанете и, наверное, даже остановитесь. Это немного напоминает движение единичного заряда в воздухе или другой подобной среде.

А теперь другая картина. Тот же коридор, с таким же «большим сопротивлением». Но на этот раз вы будете преодолевать его не в одиночку, а вместе с несколькими товарищами. Они разместятся равномерно вдоль всего коридора и по команде начнут двигаться в одну и ту же сторону. Вскоре после того, как вы войдете в коридор, из него уже выйдет тот ваш товарищ, который стоял ближе других к выходу, и, если не задумываться над тем, кто вошел, а кто вышел, то можно будет считать, что человек прошел через коридор. Такое коллективное преодоление препятствий напоминает то, что происходит с электронами в проводниках.

К числу проводников относятся металлы, уголь, графит, некоторые растворы солей, кислот, газы в особом, ионизированном, состоянии. Отличительная черта всех проводников — наличие свободных электрических зарядов. Напомним, что свободными заряды называют потому, что они могут свободно перемещаться в пространстве под действием каких-либо сил, например, тепловых или электрических. Иногда это свободные «вырвавшиеся» из своих атомов электроны (рис. 3), иногда и сами атомы с недостающими или, наоборот, лишними электронами. Такие атомы называют положительными и отрицательными ионами (рис. 3).

Рис. 3

Подключим к концам проводника источник э. д. с., например батарейку, и в этом проводнике сразу начнется непрерывное движение зарядов — если в проводнике есть свободные электроны, то они будут двигаться от минуса батареи к ее плюсу. Вот такое упорядоченное движение свободных зарядов под действием электрических сил называется электрическим током.

Единица измерения тока — ампер (а) базируется на уже известной нам единице заряда — кулоне. Если за секунду через какой-либо участок цепи проходит кулон электрических зарядов, например 6,3·10¹⁸ электронов, то ток в этом участке равен одному амперу.

* * *

РАЗМЕННАЯ КАССА

Недавно в Москве открылся молочный магазин, где все товары продаются только автоматами. Есть в этом магазине и кассир-автомат для размена денег. Если вы опустите в кассу 20 копеек, он выдаст вам, например, два гривенника, опустите полтинник — получите 10 пятачков. Подобным разменом часто приходится заниматься при решении задач, связанных с электрическими цепями. В этом случае разменивают единицы измерения — амперы, вольты, фарады и др. Сколько микроампер в миллиампере? Как выразить напряжение в вольтах, если

оно указано в милливольтах? Что больше: 0,01 микрофарады или 1000 пикофарад? На подобные вопросы вы сможете легко ответить, познакомившись с приведенной ниже таблицей. Совершенно очевидно, что все приставки, указанные в первом столбце, встречаются не только в электрических единицах, но и в любых других единицах измерения.

* * *

Картина движения электронов напоминает описанное чуть раньше коллективное преодоление препятствий в коридоре. Сами электроны движутся очень медленно, но ток начинается практически одновременно во всей цепи. При этом избыточные электроны, с «минуса» батареи сразу же начинают выталкиваться в проводник, а часть свободных электронов сразу же переходит на «плюс» из проводника. Для того чтобы остановить ток, достаточно разорвать цепь — ввести в нее участок из изолятора, например воздуха, в котором, как известно, свободных зарядов практически нет.

Внутри батареи за счет химических реакций электроны вновь перебрасываются с плюса на минус, чтобы оттуда вновь отправиться в свое путешествие по проводнику и, может быть, вновь добраться до плюса. Совершенно ясно, что если в проводнике есть свободные положительные заряды, то они будут двигаться в обратном направлении, а если заряды обоих «сортов», то в проводнике одновременно возникает два тока, противоположных по направлению. В дальнейшем для того, чтобы не вводить излишнюю путаницу, рассматривая различные электрические цепи, мы не будем вдаваться в подробности, не будем разбираться в том, каких зарядов больше, какие из них в основном создают ток, а всегда будем считать, что в проводнике есть только свободные положительные заряды, например положительные ионы, и что только они и создают ток. Поэтому мы всегда будем считать, что направление тока в проводнике одно — от плюса к минусу (рис. 4).

Рис. 4

Проходя по проводнику, заряды, и в частности электроны, «натыкаются» на неподвижные атомы и сталкиваются друг с другом. В результате этих соударений проводник нагревается и при достаточно высокой температуре светится.

Вернемся к нашему примеру — электрической цепи карманного фонаря, и попытаемся выяснить, от чего зависит величина тока и развиваемая им мощность. Прежде всего нужно отметить, что чем больше э. д. с., то есть чем с большей силой свободные электроны выталкиваются с минуса и притягиваются к плюсу, тем быстрее эти электроны движутся, тем большее их количество вовлекается в общий поток, тем, следовательно, больше и ток в цепи.

Кроме того, величина тока зависит и от размеров самого проводника — в нашем примере от нити лампочки. По толстому проводнику электронам легче пройти, чем по тонкому, по короткому — легче, чем по длинному. Многое зависит еще и от материала — от количества свободных электронов, которые могут создавать ток, от расположения атомов, с которыми электроны сталкиваются на своем пути. Одним словом, различные проводники по-разному способствуют появлению тока или, если пользоваться общепринятой терминологией, по-разному препятствуют ему. Здесь, кстати говоря, можно сказать и так и этак. Все зависит от точки зрения, от того, с чего начинать свои рассуждения — с идеального изолятора или с идеального проводника.