Юный радиолюбитель [7-изд]

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Как заставить двигаться упорядоченно, в одном направлении, обилие свободных электронов, скажем, в нити накала электрической лампочки? Нужно создать в проводнике электрическое поле, подключив, например, проводник к гальваническому элементу или батарее гальванических элементов.

Устройство простейшего гальванического элемента, являющегося химическим источником тока, показано на рис. 7.

Рис. 7. Устройство простейшего гальванического элемента и схематическое изображение замкнутой электрической цепи

Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых электродами, которые помещены в электролит — раствор соли или кислоты, например серной. В результате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает отрицательный электрический заряд, а на медном, наоборот, — недостаток электронов, и он приобретает положительный заряд. При этом между разноименными электрическими зарядами такого источника тока возникает электрическое поле, действует электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) или напряжение. О разнице между ЭДС и напряжением я расскажу тебе позже, во время экскурсии в электротехнику.

Ты уже знаешь, что полюсы элемента или батареи обозначают знаками «плюс» и «минус». Их ты видел, например, возле жестяных выводных пластинок батареи, предназначенной для питания лампы накаливания карманного электрического фонаря. Между прочим, эта батарея также состоит из гальванических элементов, только не жидкостных, как элемент, показанный на рис. 7, а сухих. Там их три. Несколько элементов, соединенных между собой в единый источник тока, и называют батареей.

Запомни: на схемах отрицательный полюс элемента или батареи принято обозначать короткой линией, положительный удлиненной линией.

Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого электроны, как по мостику, перекинутому через овраг, будут двигаться туда, где их недостаток, — от отрицательного полюса через проводник к положительному полюсу источника электрической энергии. Это и есть упорядоченное движение электронов в проводнике — электрический ток. Ток течет через проводник потому, что в получившейся цепи (положительный полюс элемента, проводники, отрицательный полюс элемента, электролит) действует электродвижущая сила. Такую простейшую электрическую цепь можно подразделить на два основных участка: внешний и внутренний. К внешнему участку цепи относится все, что подключается к полюсам источника тока (на рис. 7 — лампа накаливания и соединительные проводники), а к внутреннему — та часть цепи, которая заключена внутри самого источника тока.

Запомни: замкнутая электрических цепь — обязательное условие для существования в ней тока. В разомкнутой цепи ток не течет.

Разноименные заряды можно сообщить двум изолированным телам, например шарикам, подвешенным на шелковых нитях. Шарики будут притягиваться, но тока между ними не будет, так как их разделяет диэлектрик воздух.

Установлено, что электроны в проводнике движутся от отрицательного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), однако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т. е. в направлении, обратном движению электронов. Ты можешь спросить: почему бы сейчас не нарушить эту традицию? Дело в том, что это потребовало бы переработки всех учебников, всей технической литературы, имеющей прямое или косвенное отношение к электротехнике и радиотехнике. Условное направление тока, кроме того, положено учеными в основу ряда правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создаст, если твердо помнить, что направление тока в проводниках противоположно направлению движения электронов. В тех же случаях, когда ток создается положительными электрическими зарядами, например в электролитах химических источников постоянного тока, ток «дырок» в полупроводниках (об этом разговор пойдет в шестой беседе), таких противоречий вообще нет, потому что направление движения положительных зарядов совпадает с направлением тока.

Пока элемент или батарея действуют, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным и обозначают латинской буквой I. Его можно изобразить графически, как показано на рис. 8.

Рис. 8. Графическое изображение постоянного тока

Точка пересечения горизонтальной и вертикальной осей, обозначенная нулем, являются исходной для графического изображения времени t и количественного значения тока в электрической цели.

О чем может рассказать этот график? Сначала (отрезок времени Оа) тока в цепи вообще нет (ток равен нулю), так как к источнику тока не был подключен внешний участок цепи. Ток появился, когда цепь замкнули (точка а). Он быстро возрос до некоторого значения (точка б) и не изменялся до тех пор, пока цепь была замкнута (точка в). Когда цепь разомкнули, ток мгновенно прекратился (точка г). Если электрическую цепь снова замкнуть, в ней опять появится ток. Так примерно выглядит график тока, текущего через лампу накаливания карманного электрического фонаря, кот да его включают на короткие промежутки времени.

Через соединительные проводники и нить лампы накаливания, изображенные на рис. 7, электроны движутся слева направо — от минуса к плюсу. Но если полюсы элемента поменять местами, тогда электроны в том же внешнем участке цепи потекут справа налево, так как теперь минус окажется на правом конце участка цепи, а плюс - на левом. Изменится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным.

А если полюсы источника тока менять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами, в другом, обратном предыдущему, потом вновь в прямом, опить в обратном и т. д. Во внешней цепи будет течь уже не постоянный, а как бы переменный ток.

Запомни: в проводах электроосветительной сети течет переменный ток, а не постоянный, как в цепи электрического карманного фонаря.

Его вырабатывают машины, называемые генераторами переменного тока. Знаки электрических зарядов на полюсах генератора непрерывно меняются, но не скачком, как в нашем примере, а плавно. Заряд того полюса генератора, который в некоторый момент времени был положительным, начинает убывать и через долю секунды становится отрицательным; отрицательный заряд сначала возрастает, потом начинает убывать, пока снова не ока жегся положительным, и т. д. Одновременно меняется знак заряда и другого полюса. При этом напряжение и значение тока в электрической цепи также периодически изменяются.

Графически переменный ток изображают волнистой линией синусоидой, показанной на рис. 9. Здесь вертикальная ось со стрелкой, направленной вверх, соответствует одному направлению тока, названному мною «туда», а вниз — другому направлению тока, обратному первому, — «обратно».

Рис. 9. Графическое изображение переменного тока

О чем может рассказать такой график? Ток в цепи появляется в момент времени, обозначенный на графике точкой а. Он плавно увеличивается и течет в одном направлении — «туда», достигая наибольшего значения (точка б), и также плавно убывает до нуля (точка в). Исчезнув на мгновение, ток вновь появляется, плавно возрастает и протекает в цепи, но уже в противоположном направлении — «обратно». Достигнув наибольшего значения (точка г), он снова уменьшается до нуля (точка д). И далее ток, также последовательно возрастая и уменьшаясь, все время меняет свои направление и значение.

При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями. Одним полным, или законченным, колебанием тока принято считать упорядоченное движение электронов в проводнике, соответствующее участку графика от а до д или от в до ж (рис. 9). Время, в течение которого происходит одно полное колебание, называют периодом, время половины колебания — полупериодом, а наибольшее значение тока во время каждого полупериода — амплитудой.

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи специального устройства — трансформатора можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить — преобразовать в постоянный ток. Эти свойства переменного тока мы будешь широко использовать в своей радиолюбительской практике.

Все то, о чем я рассказал тебе сейчас, знает каждый старшеклассник и, разумеется, каждый радиолюбитель. Ты пользуешься благами электричества, иногда даже расточительно, не задумываясь над тем, что ученые всего-навсего каких-нибудь лет 100 назад только-только нащупали пути практического использования этого щедрого дара природы.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ: КАКАЯ МЕЖДУ НИМИ СВЯЗЬ?

Непосредственную связь между электричеством и магнетизмом открыл в 1819 г. датский профессор физики Ганс Эрстед. Проводя опыты, ученый обнаружил, что всякий раз, когда он включал ток, магнитная стрелка, находящаяся поблизости от проводника с током, стремилась повернуться перпендикулярно проводнику, а когда выключал, магнитная стрелка возвращалась в исходное положение. Ученый сделал вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое воздействует на магнитную стрелку.

Ты можешь в этом убедиться, если сам проведешь аналогичный опыт. Для этого потребуются: батарея гальванических элементов, например 3336Л, миниатюрная лампа накаливания, предназначаемая для карманного электрического фонаря, медный провод толщиной 0,2–0,3 мм в эмалевой, хлопчато-бумажной или шелковой изоляции и компас.

С помощью отрезков провода, удалив с их концов изоляцию, подключи к батарее лампу накаливания. Лампа горит, потому что образовалась электрическая цепь. Батарея в данном случае является источником питания этой цепи. Поднеси один из соединительных проводников поближе к компасу (рис. 10) и ты увидишь, как его магнитная стрелка сразу же станет поперек проводника. Она укажет направление круговых магнитных силовых линий, рожденных током. Наиболее сильное магнитное поле тока будет возле самого проводника. По мере удаления от проводника магнитное поле, рассеиваясь, ослабевает.

Рис. 10. При изменении направления тока в проводнике меняется и направление линий магнитного поля

А если изменить направление тока в проводнике, поменяв местами подключение его к полюсам батареи? Изменится и направление магнитных силовых линий — магнитная стрелка повернется в другую сторону. Значит, направление силовых линий магнитного поля, возбуждаемого током, зависит от направления тока в проводнике.

Какова в этих опытах роль лампы накаливания? Она служит как бы индикатором наличия тока в цепи. Она, кроме того, ограничивает ток в цепи. Если к батарее подключить только проводник, магнитное поле тока станет сильнее, но батарея быстро разрядится. Если в проводнике течет постоянный ток неизменного значения, его магнитное поле также не будет изменяться. Но если ток уменьшится, то слабее станет и его магнитное поле. Увеличится ток — усилится его магнитное поле, исчезнет ток — магнитное поле пропадет. Словом, ток и его магнитное поле неразрывно связаны и взаимно-зависимы.

Магнитное поле тока легко усилить, если проводник с током свернуть в катушку. Силовые линии магнитного поля такой катушки можно сгустить, если внутрь ее поместить гвоздь или железный стержень. Такая катушка с сердечником станет электромагнитом, способным притягивать сравнительно тяжелые железные предметы (рис. 11). Это свойство тока используется во множестве электрических приборов.

Рис 11. Проводник с током, свернутый в катушку, становится электромагнитом

А если магнитную стрелку поднести к проводу с переменным током? Она станет неподвижной, даже если провод свернуть в катушку. Значит ли это, что вокруг проводника с переменным током нет магнитного поля? Магнитное поле есть, но оно тоже переменное. Магнитная же стрелка не будет отклоняться только вследствие своей «неповоротливости» — инерционности, она не будет успевать следовать за быстрыми изменениями магнитного поля.

Первый электромагнит, основные черты которого сохранились во многих современных электрических приборах, например в электромагнитных реле, излучателях головных телефонов, изобрел английский ученый Стерджен в 1821 г. А спустя два десятилетия после этого события французский физик Андре Ампер сделал новое, исключительно важное по тому времени открытие. Он опытным путем установил, что два параллельно расположенных проводника, по которым течет ток, способны совершать механическую работу: если ток в обоих проводниках течет в одном направлении, то они притягиваются, а если в противоположных, отталкиваются.

Догадываешься, почему так происходит? В первом случае, когда направление тока в обоих проводниках одинаково, их магнитные поля, также имеющие одинаковое направление, как бы стягиваются в единое поле, увлекая за собой проводники. Во втором случае магнитные поля вокруг проводников, имеющие теперь противоположные направления, отталкиваются и тем самым раздвигают проводники.

В первой половине прошлого столетия ценнейший вклад в науку внес английский физик-самоучка Майкл Фарадей. Изучая связь между электрическим током и магнетизмом, он открыл явление электромагнитной индукции. Суть его заключается в следующем. Если внутрь катушки из изолированной проволоки быстро ввести магнит, стрелка электроизмерительного прибора, подключенного к концам катушки, на мгновение отклонится от нулевой отметки на шкале прибора (рис. 12, а). При таком же быстром движении магнита внутри катушки, но уже в обратном направлении, стрелка прибора также быстро отклонится в противоположную сторону (рис. 12, б) и вернется в исходное положение.

Рис. 12. Энергия магнитного поля создаст движение электронов — электрический ток

Вывод мог быть один: магнитное поле пересекает провод и возбуждает (индуцирует) в нем движение свободных электронов — электрический ток. Впрочем, можно поступить иначе: перемещать не магнит, а катушку вдоль неподвижного магнита. Результат будет такой же. Магнит можно заменить катушкой, в которой течет постоянный ток. Магнитное поле этой катушки, вызванное током, при пересечении витков второй катушки также будет возбуждать в ней электродвижущую силу, создавая в ее цепи электрический ток.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия генератора переменного тока, представляющего собой катушку из провода, вращающуюся между полюсами сильного магнита или электромагнита (на рис. 13 катушка показана в виде одного витка провода). Вращаясь, катушка пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней индуцируется (вырабатывается) электрический ток.

Рис. 13. Схема генератора переменного тока

В 1837 г. русский академик B.C. Якоби открыл явление, обратное по действию генератора тока. Через катушку, помешенную в магнитном поле, ученый пропускал ток, и катушка начинала вращаться. Это был первый в мире электромагнитный двигатель.

Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, опытным путем обнаружил еще очень важное явление — возможность передавать переменный ток из катушки в катушку на расстояние без какой-либо прямой электрической связи между ними. Суть этого явления заключается в том, что переменный или прерывающийся (пульсирующий) ток, текущий в одной из катушек, преобразуется в переменное магнитное поле, которое пересекает витки второй катушки и тем самым возбуждает в ней переменную ЭДС На этой основе создан замечательный прибор трансформатор, играющий очень важную роль в электротехнике и радиотехнике.

ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК РОЖДАЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Опыты Майкла Фарадея и его соотечественника и последователя Кларка Максвелла привели ученых к выводу, что переменное магнитное поле, рождаемое непрерывно изменяющимся током, создает в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, магнитное поле — электрическое и т. д.

Взаимосвязанные, создаваемые друг другом магнитное и электрическое поля образуют единое переменное электромагнитное поле, которое непрерывно, как бы отделяясь и удаляясь от места возбуждения его, распространяется во всем окружающем пространстве со скоростью света, равной 300000 км/с.

Явление возбуждения переменным током электромагнитных полей принято называть излучением электромагнитных колебаний или излучением электромагнитных волн. Встречая на своем пути проводники, магнитные составляющие электромагнитных колебаний возбуждают в этих проводниках переменное электрическое поле, создающее в них такой же переменный ток, как ток, возбудивший электромагнитные волны, только несравненно слабее. На этом замечательном явлении и основана техника радиопередачи и радиоприема.

Равенство скорости распространения электромагнитных волн, создаваемых переменным током, и скорости света не случайно, потому что световые лучи, как, между прочим, и тепловые, по своей природе тоже электромагнитные колебания.

Мысль о родстве световых и электрических явлений высказал русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов еще в середине XVIII в. Теорию электромагнитных волн развил Кларк Максвелл в первой половине прошлого столетия. Однако только в 1888 г. немецкому ученому Генриху Герцу удалось опытным путем доказать сам факт существования электромагнитных волн и найти возможность обнаружить их.

В его опытной установке (рис. 14) излучателем электромагнитных волн был вибратор — два стержня с металлическими шарами на концах, источником напряжения питания вибратора — индукционная катушка Румкорфа (есть в каждом школьном физическом кабинете), а обнаруживателем электромагнитной энергии — резонатор, представляющий собой незамкнутый виток провода, тоже с шарами на концах. Половинки вибратора заряжались до столь высокого напряжения, что между внутренними шарами через воздух проскакивала электрическая искра искусственная молния в миниатюре. Происходил электрический разряд. В этот момент, длившийся малые доли секунды, вибратор излучал короткую серию быстропеременных затухающих, т. е. убывающих по амплитуде, электромагнитных волн. Пересекая провод резонатора, расположенного поблизости, электромагнитная энергия возбуждала в нем электрические колебания, о чем свидетельствовала очень слабая искра, появлявшаяся между шарами резонатора. Еще разряд и новая очередь затухающих электромагнитных колебаний возбуждала в резонаторе слабый переменный ток.

Так Генрих Герц нашел способ возбуждения электромагнитных волн и обнаружения их. Но он не представлял себе путей практического использования своего открытая.

Рис. 14. Опытная установка Г. Герца для возбуждения и обнаружения электромагнитных волн и графическое изображение затухающих электромагнитных волн

РОЖДЕНИЕ РАДИО

Первым, кто по достоинству оценил труды Герца, был преподаватель минного офицерского класса в Кронштадте Александр Степанович Попов. Читая лекции об электромагнитных явлениях и сопровождая их демонстрацией приборов собственного изготовления, А. С. Попов высказал смелую по тому времени мысль о возможности использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние без проводов.

Александр Степанович Попов

Это было в последнем десятилетии прошлого века. В то время русский военный флот оснащался новой боевой техникой. Для преодоления морских просторов обновленному флоту нужны были более совершенные средства связи. И русский ученый искал их. После множества опытов и экспериментов А. С. Попов сконструировал принципиально новый прибор, реагировавший на электромагнитные волны на значительном расстоянии. Источником электромагнитных волн был вибратор, такой же, как в опытной установке Герца, но дополненный отрезками проволоки для лучшего излучения. Прием осуществлялся другим отрезком проволоки, соединенным с прибором, сконструированным А. С. Поповым. Как только вибратор начинал излучать электромагнитную энергию, приемный прибор отзывался на нее трелью звонка. Этот прибор, который А. С. Попов демонстрировал 7 мая 1895 г. на заседании физического отделения Русского физико-химического общества, был первым в мире радиоприемником, а присоединенный к нему отрезок проволоки — первой в мире антенной.