Электричество шаг за шагом

Р-49. РЕЛЕ — ОЧЕНЬ ПРОСТЫЕ И ВАЖНЫЕ СОВМЕСТНЫЕ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНЕТИЗМА. Самое, пожалуй, простое взаимодействие электричества и магнетизма можно увидеть в электротехническом устройстве по имени реле (от французского глагола «релейр» — «сменять, заменять»). Когда к реле подводится управляющий входной сигнал U_вх, по катушке электромагнита идёт ток и его сердечник притягивает стальной якорь. Он перемещает пластинку изолятора, на которой закреплены подвижные контакты, каждый из них замыкает свою пару неподвижных контактов, и реле включает две мощные электрические цепи. Существует огромное многообразие реле, в том числе такие, которые позволяют с помощью маломощного управляющего сигнала переключать очень большие мощности, и такие, которые позволяют одним управляющим сигналом замыкать и размыкать большое количество контактов. В момент, когда на реле не подаётся управляющий сигнал, пружина оттягивает якорь от сердечника и подвижные контакты бездействуют.

Чем больше ёмкость С, чем больше зарядов должен накопить конденсатор, тем дольше будет продолжаться процесс заряда, тем дольше будет существовать в цепи зарядный ток. А если последовательно с конденсатором С в зарядную цепь включить резистор R, то он уменьшит ток в цепи, и процесс заряда конденсатора будет длиться дольше.

Нетрудно догадаться, что произойдёт, если отключить заряженный конденсатор от батареи и соединить его обкладки резистором: начнётся процесс разряда, по внешней цепи избыточные электроны будут переходить со своей обкладки на другую, и в цепи какое-то время будет идти разрядный ток. Вначале он тоже сравнительно большой, но постепенно уменьшается — лишних зарядов на обкладках конденсатора становится всё меньше и меньше, напряжение на нём снижается. Разряд конденсатора, подобно заряду, длится тем дольше, чем больше ёмкость конденсатора С (то есть чем больше зарядов должно уйти с обкладок) и чем больше сопротивление R разрядной цепи. Быстрее всего разряд произойдёт, если R = 0, то есть если соединить обкладки накоротко.

Наблюдая за зарядом и разрядом конденсатора, мы видим, что элементы электрической цепи определяют продолжительность тех или иных процессов, в данном случае время заряда и время разряда. Электрическая цепь, состоящая из С и R, или, как её часто называют, RС-цепочки, в данном случае чем-то напоминает песочные часы, «время разряда» которых зависит от количества песка и диаметра пропускного отверстия.

Чрезвычайно важная особенность RC-цепочки: её электрическое состояние может достаточно быстро меняться. И более того, мы можем управлять этим процессом, изменяя ёмкость конденсатора С или (и) сопротивление резистора R. Знакомясь с разными видами электромагнитной индукции, мы уже видели, как электрическое или магнитное состояние изменяется во времени, но здесь, в RС-цепочке, эти изменения особенно наглядны, и не случайно произведение RC называют постоянной времени.

Во всём, что рассказывалось до сих пор, во всех примерах электрических цепей, на всех наших учебных рисунках фигурировал один тип электрического генератора — химический источник тока, а конкретно, гальванический элемент или несколько последовательно соединённых элементов, их батарея. Непременная особенность этого источника тока состоит в том, что он создаёт постоянную, не меняющуюся э.д.с., за что вместе с некоторыми другими генераторами получил почётное звание «источник постоянного тока», или, иначе, «генератор постоянной э.д.с. (постоянного напряжения)». Кстати, как уже говорилось, батарейкой часто называют и один гальванический элемент, что конечно, неправильно. В переводе «батарея» означает некоторый комплекс, в частности, соединённые последовательно гальванические элементы, но что поделаешь, почему-то так принято.

Появившаяся в этом разделе КС-цепочка даёт повод подумать об иных генераторах, они, в отличие от химических, создают не постоянную, а меняющуюся э.д.с. (напряжение). В их числе главный кормилец всей электроэнергетики — генератор переменной электродвижущей силы, с которой мы начнём знакомиться в следующей главе.