Глава 3

3 Постоянный электрический ток

3.1. Проводники и изоляторы

3.2. Электрический ток

3.3. Источники электрического тока

3.4. Скорость электрического тока

3.5. Направление электрического тока

3.6. Величина тока

3.7. Электрическое напряжение

3.8. Электрическое сопротивление

3.1. Проводники и изоляторы

Вещества. в которых имеется значительное количество свободных носителей зарядов (электронов или ионов) называются проводниками. Хорошими проводни­ками являются все металлы, растворы солей, кислоты и щелочи, влажная почва и пр. Тело человека тоже проводит электрический ток, особенно, если кожа влаж­ная.

Из металлов лучший проводник — серебро, за ним следует медь, золото, алю­миний, цинк, железо и т. д. На практике чаще всего используют медные проводники.

Если бы в воображаемую лупу, увеличивающую в миллиарды раз, мы могли рассмотреть металлический проводник (рис. 3. 1а), то мы заметили бы. что во внешней орбите каждого атома недостает по одному электрону, т. е. атомы пред­ставляют собой положительные ионы. Эти ионы, хотя и удаленные друг от друга, сильно связаны между собой междуатомными силами, что и обусловливает твёрдость металлов. Между положительными ионами находятся в хаотическом движении свободные электроны. Это хаотическое движение называется еще тер­мическим колебанием, и оно тем интенсивнее, чем выше температура металла. Число свободных электронов в одном кубическом сантиметре металла огромно — около 100 000 000 000 000 000 000 000!

Для сравнения можно отметить, что это число больше, чем число песчинок, содержащихся в 100 вагонах с песком.

Надо отметить, что металлы в целом электрически нейтральны, потому что положительные заряды ионов компенсируются точно таким же числом отрица­тельных зарядов — свободных электронов.

Вещества, в которых отсутствуют свободные носители зарядов, называются изоляторами или диэлектриками. К изоляторам относятся: воздух, каучук, фарфор, пластмассы, слюда, парафин, масла, шелк, смолы, стекло, гетинакс. бакелит, дис­тиллированная вода и пр.

Если в нашу «волшебную лупу» мы рассмотрим одну полосочку изолятора (рис. 3. 1б), то заметим, что здесь все электроны сильно связаны с атомами. Следова­тельно, в изоляторах отсутствуют свободные носители зарядов.

Как мы увидим далее, различные виды проводников и изоляторов являются основными материалами, которые используются в электротехнике и радиоэлек­тронике.

3.2. Электрический ток

Направленное движение свободных носителей зарядов называется электрическим током. В металлах электрический ток возникает за счет направленного движения только одного вида носителей зарядов — электронов. На рис. 3.2а условно показан металлический проводник, по которому не протекает ток. Видно, что его свободные электроны движутся хаотично в различных направлениях вследствие теплового колебания. Когда по проводнику протекает ток. его свободные электроны движутся в определенном направлении (рис. 3. 26). Но откуда появляется электрический ток в проводниках?

Каждому из нас известна плоская батарейка для карманного фонарика. Она представляет собой источник электрического тока. На отрицательном полюсе ба­тареи имеется избыток электронов, а на положительном — недостаток. Следова­тельно, между ее полюсами существует электрическое поле. На рис. 3.3а батарейка соединена проводником с лампочкой. Если замкнуть цепь ключом, то электричес­кое поле, созданное батарейкой, будет распространяться по проводнику с огромной скоростью. Оно действует почти одновременно на все свободные электроны, ко­торые, в свою очередь, приходят в направленное движение, г. е. протекает элек­трический ток. Для возникновения электрического тока необходимо, чтобы цепь была замкнута. В разомкнутой цепи электрический ток протекать не может.

Следует отметить, что в замкнутой цепи электрическое поле действует и на положительные ионы металла, но они крепко связаны с веществом и остаются неподвижными.

3.3. Источники электрического тока

Источниками электрического тока являются батареи, аккумуляторы, динамо-машины, различные виды генераторов и т. д. Они производят электроэнергию за счет какого-нибудь другого вида энергии, например, химической, механической, тепловой и пр. Следовательно, и в случаях с источниками электрического тока закон сохранения энергии остается в силе.

Каждый источник тока имеет свойство при замыкании цепи создавать в про­водниках электрическое поле, которое с определенной силой действует на свободные электроны. Поэтому говорят, что каждый источник тока имеет определенную элек­тродвижущую силу (ЭДС).

Источники электрического тока электронов не производят, но созданное ими электрическое поле приводит в движение свободные электроны, на­ходящиеся в самих проводниках. В этом отношении любой источник тока можно сравнить с насосом, который приводит в движение воду в замкнутой системе труб (рис. 3. 36). Насос передает энергию турбине так же, как батарейка передает энергию лампочке. Очевидно, в любой неразветвленной системе количество воды, проте­кающей в толстых и тонких трубах за единицу времени, одно и то же. только по

тонким трубам частицы воды движутся с большей скоростью. По аналогии можно сказать, что величина тока в неразветвленной электрической цепи везде одна и та же, только в проводниках большего диаметра электроны движутся медленнее, чем в более тонких проводниках.

3.4. Скорость электрического тока

Электрическое поле распространяется по проводам со скоростью 300 000 ки­лометров в секунду. Эта скорость так велика, что за одну секунду поле может обойти земной шар около восьми раз!

Скорость направленного движения электронов в проводниках намного меньше и зависит от плотности тока.

По накаленной нити электрической лампочки электроны движутся со скоростью 1—2 сантиметра в секунду, в то время как в шнурах и кабелях эта скорость не превышает 2—3 миллиметров в секунду. Здесь может возникнуть вопрос: почему же говорят, что скорость электрического тока огромна?

Для того, чтобы разобраться в этом, представим себе несколько десятков ку­биков, плотно сложенных по прямой линии на гладкой поверхности. Если толкнем первый кубик, то толчок дойдет до последнего кубика почти моментально, однако, скорость каждого кубика в отдельности не будет очень большой. Таким же образом при замыкании электрической цепи электрическое поле распространяется по про­воднику с огромной скоростью и почти одновременно приводит в движение как близкие, так и дальние электроны. Вот почему и принято считать, что электрический ток распространяется по проводникам со скоростью около 300 000 километров в секунду.

3.5. Направление электрического тока

Мы уже выяснили, что в металлах электрический ток обусловлентолько одним видом носителей зарядов — электронами. Однако в электролитах электрический ток обусловлен как электронами, так и положительными ионами. Подобную картину наблюдаем и в полупроводниках, где электрический ток обусловлен двумя видами заряженных частиц: электронами и дырками (дырки имеют свойства по­ложительно заряженных частиц, т. к. представляют собой места, в которых отсут­ствуют электроны). На рис. 3. 4а условно показан полупроводник, по которому не течет ток. Видно, что электроны и дырки движутся хаотично в различных на­правлениях вследствие теплового колебания. Если же полупроводник соединен-с источником тока, то возникает электрическое поле, и дырки начинают двигаться в направлении поля, а электроны — навстречу полю (рис. 3. 46).

Далее мы убедимся в том, что для ряда электротехнических правил необходимо ввести понятие направления тока. Однако мы уже видели, что в ряде случаев ток обусловлен двумя видами носителей зарядов (положительных и отрицательных), которые при наличии электрического поля движутся в противоположных направ­лениях.

Еще в прошлом веке было принято под направлением электрического тока по­нимать направление движения положительных носителей зарядов (тогда еще не знали, что ток в металлах обусловливается только электронами). По традиции это правило сохранилось и до сих пор, так что, согласно этому правилу, направление тока в металлах противоположно направлению движения электронов. Обращаем внимание на то. что на схемах стрелки, которые наносятся на проводники, пока­зывают не направление движения электронов, а направление тока (рис. 3. 3а).

Следовательно, ток во внешней цепи течет в направлении от положительного полюса источника к отрицательному.

3.6. Величина тока

Величина электрического тока измеряется количеством электричества, проте­кающего через поперечное сечение проводника за одну секунду. Единица величины тока  называется  ампер  (А)  в  честь  французского  ученого  Андре  Мари  Ампер (1775-1836).

Ток величиной в 1 ампер протекает в том слу­чае, когда через поперечное сечение проводника за одну секунду протекает один кулон электричества. Следовательно, можем записать:    

В физике принято величину тока обозначать знаком I, количество электричества- Q, а вре­мя – t . Таким образом, приведенное выше равенство можно математически выразить формулой:  

Это первая формула, которую мы встре­чаем в этой книге. Поэтому рассмотрим на примере, как ее использовать.

Пример 3. 1. Какова будет величина тока, если через поперечное сечение про­водника за 0,1 секунды протекает количество электричества 0.5 кулона?

Эта задача элементарна, но все же «в уме» решить ее трудно. Здесь на помощь приходит математика. И действительно, подставляя в верхнюю формулу числовые значения, сразу получаем результат:

В радиоэлектронике обычно работают со сравнительно малыми токами (раньше ее называли еще слаботочной электротехникой). Поэтому на практике очень часто используются меньшие единицы: миллиампер (одна тысячная ампера) и микро­ампер (одна миллионная ампера), которые можно записать таким образом:

1 мА = 0,001 А, 1 мкА = 0.000001 А.

В качестве примера можно напомнить, что ток. протекающий в радионаушниках равен 1—2 мА; ток, потребляемый транзисторным радиоприемником, равен 10— 20 мА; а ток, протекающий по нити электролампочки карманного фонаря, равен 200—300 мА; ток в электроутюге — 1—2 А, в электроплитках — 3—6 А: ток. протекающий в электродвигателях средней величины, равен 10—20 А; ток во вто­ричной обмотке электросварочного аппарата — 100—300 А.

Величина тока измеряется специальным прибором, который называется ампер­метр. Его включают в цепь таким образом, чтобы протекающий через него электрический ток «входил» в положительную клемму, а «выходил» из отрицательной (рис. 3. 5).

Иногда амперметры являются частью комбинированных измерительных прибо­ров, снабженных соответствующим переключателем. Существуют и отдельные при­боры — миллиамперметры и микроамперметры, которыми можно измерять очень малые токи.

3.7. Электрическое напряжение

Электрический ток. протекая через данный потребитель, производит какую-то работу, например, нагревает нить электрической лампочки, притягивает якорь элек­тромагнита, приводит в действие ротор электродвигателя и т. д. Производимая работа зависит не только от протекающего количества электричества, по и от приложенного напряжения. В этом мы можем убедиться, рассмотрев рис. 3. 6, на котором показаны лампочка для карманного фонарика и обыкновенная лампа накаливания в 40 ватт. Через обе лампы протекает ток примерно в 0,2 ампера, т. е. за единицу времени протекает одно и то же количество электричества. Однако вторая лампа светит намного ярче, потому что приложенное напряжение больше. Здесь может возникнуть вопрос: поскольку количество электричества одно и то же, то почему во втором случае электроны являются носителями большей энергии и отличаются ли чем-нибудь входящие в лампу электроны от выходящих из нее?

За объяснением обратимся к рис. 3. 7. на котором показаны два случая вы­текания одного и того же количества воды, падающей с различной высоты. И здесь можно задать вопрос: почему во втором случае энергия водных частиц больше? Энергия частиц воды обусловлена земным гравитационным полем. Когда частицы падают в направлении поля, они выделяют энергию, которую можно использовать.

Таким же образом энергия электронов связана с электрическим полем, создан­ным источником тока. Это поле действует на каждый электрон так, что электроны при движении выделяют энергию. Но в то время как частицы воды падают всегда к центру земли, электроны „падают" от одного полюса источника тока к другому.

Напряжение между двумя точками электрической цепи измеряется произведен­ной работой по переносу единицы количества электричества из одной точки в дру­гую. Единица измерения электрического напряжения называется вольт (В) в честь итальянского физика Александро Вольта (1745—1827).

Между двумя точками существует напряжение в 1 вольт, если для переноса одного кулона электричества произведена работа в один джоуль (единица джоуль рассматривается более подробно в 4. 8). Следовательно, можно записать:   

В электротехнике принято напряжение обозначать буквой U, а работу или энер­гию — буквой А (обратите внимание, что в технике работа и энергия — одно и то же понятие). Таким образом, вышеприведенное равенство математически можно представить формулой:

На примере посмотрим, как можно использовать эту формулу.

Пример 3. 2. Найти напряжение на клеммах потребителя, если через них про­текает количество электричества 0,002 кулона, а произведенная работа равна 0,08 джоуля.

Подставляем данные в формулу и получаем:

Кроме единицы напряжения вольт, на практике часто используются более мел­кие единицы: милливольт (одна тысячная вольта) и микровольт (одна миллионная вольта), которые можно записать таким образом:

1 мВ = 0,001 В,

1 мкВ = 0,000001 В.

Приведем несколько примеров: напряжение, которое радиопередатчики вызы­вают в приемных антеннах, представляет десятки и сотни микровольт, напряжение, вызываемое в микрофоне при наличии звука — десятки милливольт; напряжение на клеммах маленьких круглых батареек для транзисторных приемников — 1,5 В; напряжение на выводах плоской батарейки — 4,5 В; напряжение на клеммах ав­томобильных аккумуляторов — 12 В (есть аккумуляторы с напряжением 6 и 24 В); напряжение центральной батареи телефонных аппаратов с центральным пи­танием — 60 В; напряжение в осветительной сети — 220 В; напряжение на линиях электропередач достигает 400 000 В; напряжение молнии — десятки миллионов вольт.

Для измерения напряжения используется специальный прибор — вольтметр. Когда нужно измерить напряжение между двумя точками данной электрической цепи, вольтметр подключается к этим двум точкам без разрыва цепи (рис. 3. 8). Как и при включении амперметра, здесь тоже надо соблюдать полярность, т. е. ток должен „входить" через положительную клемму, а „вы­ходить" — через отрицательную. Некоторые во­льтметры являются частью комбинированных измерительных приборов и снабжены переклю­чателями для различных диапазонов.

3.8. Электрическое сопротивление

Мы уже знаем, что электрический ток в ме­таллах представляет собой направленное движе­ние электронов. При своем движении электроны сталкиваются с атомами, что затрудняет их дви­жение. Если учесть, что атомы вещества совер­шают и тепловые колебания, становится ясно, что все проводники оказывают определенное сопротив­ление электрическому току.

Единица измерения электрического сопротивления называется ом (Ом) в честь немецкого физика Георга Ома (1787—1854). Сопротивление один Ом имеет такой проводник, через который протекает ток 1 ампер, если к концам его приложено напряжение 1 вольт.

Кроме единицы ом, на практике часто используются и большие единицы: килоом (тысяча ом) и мегаом (один миллион ом), которые можно записать таким образом:

1 кОм=1000 Ом,

1 МОм=1  000 000 Ом.

Приведем несколько примеров: сопротивление шнура электроплитки около 0,01 Ом; сопротивление медного провода длиной 57 м и сечением 1 мм2—1 Ом; со­противление медного провода диаметром 0,10мм (как человеческий волос) и дли­ной 10 м — около 20 Ом; сопротивление накаленной нити электрической лампочки мощностью 40 ватт — 1000 Ом, сопротивление человеческого тела между руками — от 5000 до 200 000 Ом (зависит от состояния кожи: влажная, грубая и т. д.).

Сопротивление в формулах обозначается буквой Я. Сопротивление любого ци­линдрического проводника можно найти по формуле:

где L — длина проводника в метрах, a S — его сечение в квадратных миллиметрах. Величина р (греческая буква «ро») называется удельным сопротивлением и для раз­личных металлов имеет различные значения. Так, например, для серебра - р = 0,016, для меди р = 0,017, а для железа р = 0,09. Из формулы видно, что чем тонь­ше и длиннее проводник, тем больше величина его сопротивления. Кроме того, сопротивление зависит и от вида металла.

Пример 3. 3. Найти сопротивление медного провода длиной 200 м и сечением 1.5 мм².

Подставляем числовые значения в формулу (3. 3.) и находим:

Для измерения сопротивления служит специальный прибор, который называется омметр. В нем имеется ба­тарейка, а измеряемое сопротивление подключается пря­мо к его клеммам (рис. 3. 9). Иногда омметр являет­ся частью комбинированного измерительного прибора и имеет переключатель диапазонов.

Сопротивление проводников зависит от их темпе­ратуры. С увеличением температуры сопротивление всех металлов увеличивается, т. к. тепловые колебания атомов становятся более интенсивными, и направлен­ное движение электронов затрудняется. Например, мед­ный провод длиной 10 м и диаметром 0,20 мм при 20°С имеет сопротивление 5.6 Ом, а при температуре 50 С его сопротивление увеличивается до 6,8 Ом. Точно так же сопротивление нити электрической лампочки для карманного фонарика в холодном состоянии около 2 Ом. а при нагревании до 2000"С оно увеличивается до 17 Ом.