Т-125. Усилители — большой класс систем, в которых слабое, маломощное воздействие управляет мощными потоками энергии. Давайте просверлим в нижней части ведра небольшое отверстие (это вполне может быть мы-сленный эксперимент, то, что в нем должно произойти, легко увидеть силой воображения, и наносить ущерб хозяйству; делая дырку в ведре, совсем не обязательно), наполним ведро водой и подставим под струю небольшую вертушку с лопастями, некоторое подобие рабочего колеса водяной мельницы (Р-76; 1). Вначале, когда воды в ведре много, из отверстия вырывается довольно сильная струя, колесо вращается быстро. По мере того, как уровень воды.падает, струя становится все более вялой и вращение колеса замедляется. Это нормальный процесс передачи энергии: потенциальная энергия поднятой на высоту воды переходит в кинетическую энергию струи, а она в свою очередь передается колесу-вертушке. Если не думать о потерях, то можно сказать, что сколько дает источник энергии (вода в ведре), столько и получает потребитель (вертушка). И на сколько уменьшится или увеличится энергия, которую поставляет источник, на столько же уменьшится или увеличится и энергия, получаемая потребителем.
А теперь на пути воды поставим заслонку и, двигая ее вперед-назад, будем менять поток воды. Казалось бы, в самом процессе передачи энергии не произошло никаких изменений: кто давал энергию, тот и дает, кто получал, -тот получает, сколько энергии было отдано, столько и получено. Но в действительности заслонка внесла в эту систему нечто принципиально новое: легким движением руки перемещая заслонку, можно значительно менять интенсивность потока воды. Образно говоря, затрачивая микроватты, можно менять мощность потока на целые ватты. И вывод: с помощью заслонки мы и создали усилитель, создали систему, в которой слабое воздействие управляет мощными потоками энергии.
Усилительные системы чрезвычайно распространены в природе, в технике их роль тоже очень велика и, может быть, даже еще до конца не осознана. Вот лишь несколько примеров, показывающих, что могут механические, гидравлические, химические, биологические, экономические и разные прочие усилители.
Легкое дуновение ветра лишь слегка подтолкнуло огромную.скальную глыбу, нависшую над краем пропасти, глыба пошла под откос, перегородила

P-76

горный поток, заставила его изменить русло и постепенно смыть огромную гору.
Небольшое количество катализатора, введенного в химический реактор, резко изменило ход химических процессов, во много раз ускорило превращение одних веществ в другие.
Разумные указания консультанта-технолога позволили лучше использовать производственные мощности завода и увеличить выпуск продукции на сумму, во много раз превышающую зарплату консультанта.
Вирус, попав на командный пункт живой клетки, заставил ее так изменить свою работу, что клетка начала сама огромными тиражами выпускать вирусы.
Все эти примеры не более чем информация к размышлению. А вот следующий пример, который представлен в виде привычного уже мысленного эксперимента, открывает прямой путь к настоящим усилителям электрических сигналов.
События разворачиваются в простейшей электрической цепи, в которую входит источник энергии — аккумулятор, нагрузка — лампочка и еще переменный резистор — реостат, выполненный в виде вертикально натянутой проволоки со скользящим контактом (Р-76; 2). Подвижный контакт этот ходит по проволоке настолько легко, что если подвесить к нему стограммовую гирьку, то контакт буквально за секунду переместится сверху вниз, изменив сопротивление реостата от 9 Ом до 1 Ом.
А сейчас мы выполним несколько простейших арифметических операций, и они приведут нас к выводу, важнейшему для всей электроники.
Для начала вспомним про две расчетные формулы — / = U: R и Р = I2R (Р-22; 3 и Р-27; 2). Согласно этим формулам, напишем два выражения — для тока в цепи лампочки Lл — Uг : (Rл + RP) (он определяется суммой двух сопротивлений — лампочки Rл и реостата RP) и для мощности, которая выделяется в лампочке, Рл = I2л - Rл. Теперь, пользуясь этими выражениями, подсчитаем ток в цепи и мощность, выделяемую в лампочке, для двух случаев — когда сопротивление реостата равно 9 Ом и когда оно равно 1 Ом после того как движок реостата опустился вниз. Вот результаты этих несложных расчетов.
В случае, когда RP = 9 Ом (движок вверху), получим: ток Iл = 12 В :(3 Ом + 9 Ом) — 1 А и мощность Рл = I2А • 3 Ом = 3 Вт. В случае, когда Rл = 1 Ом (движок внизу), получим: ток / = 12 В : (3 Ом + 1 Ом) = 3 A и мощность Рл = З 2А • 3 Ом = 27 Вт.
И наконец, последняя арифметическая операция. Теперь нетрудно подсчитать, что мощность 1 Вт, затраченная на перемещение подвижного контакта (100 г • 1 м= 1 Дж: 1 Дж/1 сек — 1 Вт), приводит к изменению электрической мощности, которую получает нагрузка, лампочка на 24 Вт (от 3 до 27 Вт), и это можно назвать эффектом усиления: за изменение на 1 Вт мы получили изменение на 24 Вт.
Управляющий сигнал — перемещение движка реостата — сам ничего нагрузке не добавил и не убавил. Всю энергию лампочка получает только от аккумулятора. А эффект усиления появился только потому, что на одном перекрестке встретились, сошлись в одном физическом процессе два совершенно разных явления, две различные зависимости, до этого не знавшие друг друга, не имевшие друг к другу никакого отношения, — зависимость сопротивления реостата от положения движка и зависимость тока в цепи от сопротивления реостата. Такие пересечения физических процессов, такие пары зависимостей в природе образуются как бы сами собой, зачастую совершенно случайно. С одним примером мы уже знакомы: каменная глыба, если незначительно сдвинуть ее, падает с обрыва, совершая при этом огромную разрушительную работу, и даже легкий порыв ветра может произвести небольшое начальное перемещение глыбы, столкнув ее с обрыва.
В технике искусственно объединяют два разных независимых физических процесса, подбирают эти пары «пересекающихся» процессов таким образом, чтобы один из них сильно влиял на другой, чтобы можно было получить эффект усиления. Лучшим примером является усилитель электрических сигналов, до которого нам теперь остался уже буквально один шаг.

Читать следующую теорию
Вернуться на предыдущую

значёк