Для протекания электрического тока необходимо существование электродвижущей силы, а также замкнутая электрическая цепь, образованная проводниками электрического тока. Далеко не все вещества способны обеспечивать протекания электрического тока, поскольку для этого необходимо существование свободных электронов или ионов, способных перемещаться под воздействием электродвижущей силы. Те вещества и предметы, которые способны пропускать электрический ток, называют проводниками, а те, которые электрического тока не пропускают — диэлектриками. Электрический ток может существовать как в твердых телах, так и в ряде жидкостей и газов, а также при выполнении определенных условий и в вакууме (подробнее мы вернемся к этому при рассмотрении физики работы электронных ламп). Однако, при построении электрических цепей, в подавляющем большинстве случаев используются металлические проводники, а также углеродные.
Итак, электрический ток может протекать только по замкнутой цепи, образованной электрическими проводниками, подсоединяемыми к источнику, имеющему две клеммы, между которыми существует разность потенциалов. Если разорвать цепь, ток прекратится.
Простейшая электрическая цепь, которую можно себе представить — это аккумулятор, соединенный с электрической лампочкой через выключатель. При размыкании выключатель прерывает электрический ток (размыкая цепь), а при замыкании зажигает лампу. Теперь представим себе, что некоторый доброжелатель, бросит толстый кусок меди на клеммы аккумулятора! В таких случаях говорят, что произошло короткое замыкание. Лампочка при этом погаснет. Но почему? Дело в том. что теперь электрическому току гораздо легче протекать с одного зажима аккумулятора на другой не через лампочку, а через этот кусок меди. Или, иными словами, у лампочки и куска меди заведомо разное электрическое сопротивление.
Электрическим сопротивлением называется физическая величина, отражающая свойства вещества оказывать противодействие протеканию электрического тока. При этом происходит преобразование электрической энергии в другие ее виды (чаще всего в тепловую). Величина электрического сопротивления зависит от химического состава проводника, а также от его геометрических размеров. В жизни, компоненты электрических цепей, обладающие заведомо большим сопротивлением электрическому току, нежели куски обычного провода (использующиеся для соединения других компонентов), называют резисторами. Резисторы являются одними из наиболее массовых радиокомпонентов.
Итак, мы ввели новую физическую величину — электрическое сопротивление, как характеристику, которая в конечном итоге определяет величину тока. В связи с этим, введем еще одну физическую единицу и математический символ. Величина электрического сопротивления измеряется в Омах, по имени автора фундаментального закона постоянного тока Георга Ома. Закон Ома гласит:
Если разность потенциалов в один вольт приложена к сопротивлению один Ом (Ом), то возникающий в результате ток имеет значение один ампер. разность потенциалов (вольты) = ток (амперы) х сопротивление (омы)
V=IR.
Это упрощенная формулировка закона Ома. Выражение можно преобразовать, получив уравнения уравнение, для нахождения тока / и сопротивления R:
I=V/R
R=V/I
Это крайне важные и необходимые уравнения, которые нужно запомнить.
Из полученных выражений можно сделать еще один очень важный вывод: ежели через электрическую цепь сопротивлением I Ом протекает электрический ток величиной в / ампер, то на этом сопротивлении упадет напряжение (то есть возникнет разность потенциалов) в I вольт.
Итак, разность потенциалов, возникающая на электрическом сопротивлении при протекании через него электрического тока, называется падением напряжения и измеряется в вольтах.
Но ведь разностью потенциалов мы совсем недавно называли электродвижущую силу (ЭДС). Главное отличие ЭДС от напряжения заключается в том, что напряжение возникает на элементах цепи за счет протекания электрического тока, а ЭДС — свойство источника электрической энергии. При этом то и другое характеризует разность электрических потенциалов. Здесь нельзя также не заметить, что в отличие от теории, в быту как раз наоборот мы говорим именно о напряжении, а не об электродвижущей силе батарейки, аккумулятора и электросети.
Обратимся теперь к практике. На рис. 1.1. показана принципиальная электрическая схема измерения сопротивления электрической горячей лампочки. Вообще, принципиальной электрической схемой называют изображение электрической цепи с помощью условных значков, отображающее все электрические соединения в этой цепи.
Итак, цепь, показанная на рис. 1.1, включена, и по ней проходит ток 0,25 А. Каково сопротивление лампочки? Найдем его при помощи одного из уравнений закона Ома:
R=V/I = 240/0,25 = 960 Ом.
Сегодня подобная схема измерения сопротивления может казаться тривиальным примером, поскольку его можно легко измерить с точностью до 4 значащих цифр, используя современный цифровой мультиметр. Но не все так просто! Сопротивление горячей электрической лампочки намного отличается от сопротивления холодной. «Холодное» сопротивление той же лампочки, измеренное мультиметром оказалось равным было 80 Ом.
Теперь можно произвести несложные расчеты с помощью все тех же уравнений и узнать, какой ток пройдет через резистор 80 Ом подсоединенный к источнику электродвижущей силы в 240 В? Итак:
I= V/R = 240/80 = ЗА.
Полученный ток более чем в 3 раза превышает номинальный ток, протекающей через горячую лампочку! Это является наиболее вероятной причиной, по которой электролампочки выходят из строя при включении. Большой начальный ток, проходящий по холодной нити, увеличивая ее сопротивление, вызывает перегрузку самых тонких частей нити — они настолько сильно разогреваются, что испаряются, и нить разрушается.
Морган Джонс Ламповые усилители Перевод с английского под общей научной редакцией к.т.н. доц. Иванюшкина Р Ю.