Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

Рассматривать сложные и очень сложные электрические цепи сразу целиком, к счастью, почти никогда не приходится. В большой, сложной машине, как правило, можно выделить самостоятельные узлы и агрегаты. В автомобиле, например, это двигатель, коробка перемены передач, передний мост, задний мост, рулевое управление, тормозная система… В сложной электрической цепи, как правило, тоже можно выделить свои узлы и блоки. Каждый из них представляет собой самостоятельную сложную цепь, но состоящую уже не из сотен и даже не из десятков, а чаще всего из нескольких элементов. С некоторыми такими простыми цепями мы сейчас познакомимся. При этом отвлечемся от того, какие элементы входят в цепь, и будем считать, что она состоит из генератора (для конкретности — гальванического элемента) и нескольких различным образом соединенных резисторов.

Начнем с цепи с последовательным соединением резисторов (Р-20;1).

Р-20;1

Ее общее сопротивление равно сумме всех сопротивлений: ток последовательно проходит по всем участкам цепи, и «препятствия», которые он встречает в каждом участке, в итоге суммируются. Из двух последовательно соединенных резисторов главный тот, чье сопротивление побольше, он в основном определяет общее сопротивление.

Р-20

По всем элементам последовательной цепи идет один и тот же ток: если бы по двум соседним резисторам шел разный ток, то к месту их соединения приходило бы больше свободных зарядов, чем ушло, или, наоборот, уходило бы больше зарядов, чем пришло. Ни то, ни другое невозможно. В первом случае заряды непрерывно накапливались бы в месте соединения резисторов, во втором — это место должно было бы быть неистощимым поставщиком зарядов.

При параллельном соединении элементов цепи их общее сопротивление меньше любого из сопротивлений (Р-20;2): если параллельно какому-нибудь резистору подключить другой резистор, то откроется дополнительный обходной путь для зарядов и двигаться им будет легче.

Р-20;2

Чтобы подсчитать сопротивление двух элементов цепи, соединенных параллельно, нужно произведение их сопротивлений разделить на их сумму. При параллельном соединении двух резисторов главный тот, чье сопротивление поменьше, именно он в основном определяет общее сопротивление (Р-20;2). Подойдя к параллельно соединенным элементам цепи, поток свободных зарядов разветвляется — большая часть тока идет по меньшему сопротивлению, так же примерно, как в разветвляющемся трубопроводе большая часть потока пойдет по более широкой трубе. Сумма тока в параллельных ветвях равна току до разветвления и току после разветвления (Р-23;3).

Р-23;3,4

Общий ток любой сложной цепи, как бы он в этой цепи ни разветвлялся, определяется общим количеством зарядов, которое двигает генератор. Этот общий ток подсчитывается по формуле закона Ома, в которую, естественно, уже входит общее сопротивление всей цепи. Общее сопротивление сложной цепи, в которой есть и параллельные и последовательные участки, можно подсчитать постепенно, шаг за шагом, например, сначала определить общее сопротивление параллельного участка и затем сложить его со всеми последовательными сопротивлениями (Р-20;5).

Р-20;5

Т-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?