T-37. Напряжение на участке цепи можно рассматривать как часть э.д.с, доставшуюся этому участку. Чтобы глубже понять то, что происходит в электрической цепи, можно привлечь на помощь силу воображения и мысленным взором просматривать кинофильмы с участием легких и быстрых пылинок-электронов, неповоротливых тяжелых ионов, неподвижных атомов, невидимых электрических полей и других положительных и отрицательных героев. Конечно, такие кинофильмы будут страшным упрощением истинной картины, но это не должно бросать тень на их учебную полезность (Т-8). Ведь мы понимаем, что чертеж — это упрощение реальной машины, но вместе с тем прекрасно пользуемся чертежами, чтобы понять, как эта машина устроена.
Мысленно заглядывая во внешнюю электрическую цепь (нагрузка и соединительные провода), вы рано или поздно наткнетесь на вопрос, а где, собственно говоря, эта внешняя цепь начинается, где проходит ее граница с генератором? Это не в смысле геометрических форм, а в смысле электрического состояния. Мы знаем, что на электродах генератора скопились избыточные заряды, они-то и создают электродвижущую силу. Известно также, что в куске провода как таковом избыточных зарядов нет, свободных электронов в нем ровно столько же, сколько и покинутых ими атомов, положительных ионов. Так, может быть, граница между электродами генератора и внешней цепью—это своего рода электрический обрыв, пропасть? Может быть, на электродах есть скопление зарядов и они ни на шаг не выходят за пределы электрода? А что же тогда будет, если и электроды и проводник сделать из одного и того же материала и соединить сваркой? Как в этом случае заряды узнают, где кончается электрод и начинается провод, где именно проходит та граница, через которую переступать нельзя? А как представить себе те «пограничные войска», которые смогут удержать избыточные заряды в пределах электрода?
И еще одно сомнение: если избыточные заряды не выходят за пределы генератора, то, значит, электрическое поле, которым генератор, собственно говоря, и подталкивает свободные электроны (Т-8), должно доставать до любой, даже самой удаленной точки цепи... А если генератор находится в Москве и к нему проводами подключена нагрузка, которая находится во Владивостоке?
Рассказывают, что однажды Наполеон приехал в артиллерийскую часть, которая накануне подвела его в очень важном сражении, и спросил тамошних командиров: «Вы почему же, такие-сякие, вчера в самый ответственный момент перестали стрелять?» — «У нас на то было, — отвечали артиллеристы, — восемнадцать причин». — «Ну-ка, давайте выкладывайте, называйте свои причины». — «Во-первых, у нас не было снарядов, во-вторых...» — «Стоп, хватит, — прервал артиллеристов Наполеон, — дальше рассказывать не нужно. Все остальное уже не имеет значения...»
Этим рассказом обычно хотят подчеркнуть, что во всяком деле есть стороны более важные и менее важные и есть самые важные, принципиально важные, такие, что если их не учитывать, то «все остальное уже не имеет значения». Одна из чрезвычайно важных особенностей всякой электрической цепи — это то, что ток во всех ее участках одинаков; при разветвлении имеется в виду сумма тока в ветвях (Р-26; 6,7). Другая принципиально важная особенность цепи связана с вопросом, который мы только что пытались обсуждать: где фактически заканчивается область со скоплением избыточных зарядов, где кончаются электроды генератора?
Разобраться в этом нам поможет довольно простая аналогия: захватив санки, мы заберемся на высокую снежную гору и, на время забыв об электрических цепях, прокатимся вниз (Р-21; 2, 3, 4).
Прокатимся? Возможно... Но только не в этот раз. Мы подходим к краю снежной горы и вместо покатого склона видим резкий обрыв, затем совершенно ровное снежное плато и опять обрыв. О том, чтобы прокатиться на санках с такой горки, и речи быть не может, с нее можно только упасть.
Находим другой спуск, на этот раз очень пологий и ровный, без единого бугорка или впадины. Но при внимательном рассмотрении оказывается, что и этот спуск не очень-то хорош для катания на санках: участки рыхлого снега чередуются на нем с гладким, блестящим льдом и с голой оттаявшей землей. По такой дорожке санки будут двигаться рывками — по льду они мчатся быстро, по рыхлому снегу им двигаться труднее, а на голой земле могут совсем остановиться.
После долгих поисков находится, наконец, горка хорошая во всех отношениях. На ней, правда, как и на предыдущей, тоже чередуются лед, снег и оттаявшая земля, но наклон этих разных участков тоже разный: там, где лед, дорога пологая, где снег, она идет несколько более круто, а там, где появилась голая земля, спуск совсем крутой. Одним словом, там, где санкам трудней двигаться, там спуск круче.
Три придуманные нами горки иллюстрируют три варианта распределения избыточных зарядов в электрической цепи (Р-21; 2, 3, 4). Первый вариант: все избыточные заряды, появившиеся в генераторе, сконцентрированы на его электродах. Этот вариант уже забракован нами: в замкнутой цепи не может быть электрического обрыва. Второй вариант.— избыточные заряды после подключения цепи равномерно распределяются по всем ее участкам, и свободные электроны, создающие ток, подталкиваются на всем своем пути с одинаковой силой. Но и такое тоже невозможно: на участках с разным сопротивлением свободные электроны в этом случае двигались бы с разными скоростями, подобно санкам, спускающимся со второй нашей горки. То есть в последовательной цепи на участках с разным сопротивлением шел бы разный ток, чего, конечно, быть не может.
От неудачного второго варианта остается всего один шаг до следующего, третьего, который в точности соответствует действительности. Знакомство с этим третьим вариантом мы начнем с прокручивания очередного учебного кинофильма.

P-21

Представьте, что мы движемся вдоль последовательной электрической цепи и всякий раз берем из нее пробу вещества, подобно тому, как геолог берет для химических анализов пробу грунта. Начнем с «минуса» генератора, с отрицательного электрода.
В пробе, взятой из него, естественно, обнаружится избыток отрицательных зарядов, ну, скажем, лишняя тысяча электронов (эта цифра, как и все последующие, — чистая выдумка, цифры подобраны так, чтобы пояснить суть дела, его качественную сторону). Движемся в сторону положительного электрода и еще раз берем пробу, на этот раз уже в соединительном проводнике. Здесь избыток отрицательных зарядов несколько меньше — в том месте, где проводник соединяется с нагрузкой, с лампочкой, в пробе оказалось 990 электронов. Как видите, разница в количестве избыточных зарядов на концах соединительного провода невелика — на одном его конце всего на 10 зарядов больше, чем на другом.
А вот пройдя по нити лампочки, мы обнаружим большое различие в количестве избыточных электронов — на одном конце нити их, как мы только что установили, 990, а на другом оказывается уже 590 — разница в 400 избыточных электронов. Двигаясь дальше, мы в какой-то момент обнаружим участок цепи, где избыточных электронов вообще нет, а затем начнут появляться избыточные положительные заряды, положительные ионы самого металла. По мере продвижения к «плюсу» количество избыточных положительных зарядов будет все возрастать и на положительном электроде достигнет своего максимума.
 Учебный фильм «Путешествие вдоль электрической цепи» так же, как и наш третий вариант санного спуска (крутизна отдельных участков тем больше, чем больше трение по их поверхности), иллюстрирует точно установленный порядок распределения избыточных зарядов. До тех пор, пока генератор находится в одиночестве, избыточные заряды сконцентрированы только на его электродах. Но подключите к генератору внешнюю цепь, и продукция генератора — избыточные заряды — появится во всей цепи, распределится по различным ее участкам. Но неравномерно. Заряды автоматически распределятся так, что на участок с большим сопротивлением придется большее их количество. А это значит, что чем больше сопротивление участка, тем сильнее будут проталкиваться через него свободные электроны. И в итоге получится, что во всех участках, независимо от их сопротивления, установится одинаковый ток. Так же, как может установиться одинаковая скорость движения саней на горке с разным покрытием (лед, снег, земля) и с разной крутизной спуска.
Хочется обратить особое внимание на слово «автоматически». Скопление зарядов на разных участках цепи регулируется самим током. Если вдруг в какой-нибудь точке избыточных зарядов станет чуть больше или чуть меньше, например, потому, что по каким-то причинам сопротивление одного из участка цепи изменилось, ток тут же на мгновение изменится и исправит нарушение баланса, добавит немного зарядов или убавит. Причем всегда с таким расчетом, чтобы восстановить свое неизменное значение во всей цепи.
Теперь мы должны другими глазами взглянуть на электрическую цепь, по которой идет ток. На каждом участке такой цепи, а не только на электродах генератора, есть избыточные заряды, а значит, между любыми двумя точками цепи действует электродвижущая сила. Конечно же, первопричина всех этих местных электродвижущих сил — генератор. Именно в нем за счет других видов энергии (свет, тепло, химические реакции, механическая работа) происходит электризация атомов, накапливаются избыточные электроны или положительные ионы. Но в итоге все избыточные заряды, вся электрическая энергия, вырабатываемая генератором, распределяется между участками цепи. А могло ли быть иначе? Нужно же как-то двигать свободные заряды по этим участкам, создавать в них ток...
Ту часть э.д.с, которая достается какому-либо участку цепи, принято называть напряжением на этом участке и обозначать буквой U (Р-21. Р-22).
Как уже несколько раз подчеркивалось, разница в избыточных зарядах на концах какого-либо участка последовательной цепи автоматически оказывается тем больше, чем больше сопротивление этого участка. То есть, иными словами, напряжение на участке цепи пропорционально сопротивлению участка. Ну, а кроме того, по абсолютной величине это напряжение тем больше, чем больше сама э.д.с, — если делить на несколько человек большой каравай хлеба, то каждому достанется больше, чем если бы делить маленькую булочку (Р-26;2). И еще — между током I, напряжением U на участке и сопротивлением R действуют соотношения закона Ома, в этом случае их называют законом Ома для участка цепи (Р-22;2,3,4. Р-23).
Если отвлечься от того, что происходит во всей последовательной цепи, и рассматривать только события на одном ее участке, то из формулировок закона Ома наиболее удобной становится такая: напряжение на участке цепи тем больше, чем больше его сопротивление и чем больший ток понему идет (Р-22;2). Вот в этом самом «...чем больший ток по нему идет» отражены сразу все сложные взаимные связи между элементами цепи. В частности, отражено то, что на напряжение влияет э.д.с. генератора: чем она больше, тем больше ток в цепи и, значит, напряжение во всех ее участках.

P-22

P-23
Местная э.д.с, то есть напряжение на участке цепи (часто говорят — «падение напряжения»), это не выдумка, помогающая что-то объяснить или подсчитать. Это реальность. Причем настолько реальность, что к любому участку цепи, как к генератору, можно подключить свою нагрузку и образовать свою местную цепь в большой общей цепи. При подключении такой местной нагрузки, как при всяком параллельном подключении, несколько уменьшится общее сопротивление этого участка, а значит, и реально действующее на нем напряжение.
Напряжение, так же как и э.д.с, говорит о той энергии, с которой проталкивается каждый кулон свободных электрических зарядов (а если строго — о той работе, которую он выполняет), но, конечно, уже по какому-либо участку, а не по всей цепи. Поэтому напряжение, так же как и э.д.с, измеряется в вольтах. Очевидно, что общая работа, выполняемая единичным зарядом во всей цепи, равна сумме работ, выполненных на отдельных ее участках, то есть э.д.с. равна сумме всех напряжений на участках цепи (Р-26;2).

Читать следующую теорию
Вернуться на предыдущую
 

значёк