Рудольф Анатольевич Сворень «ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ» _{Практическая энциклопедия юного радиолюбителя (Изд. 3-е, дополн. и исправл.)}

Глава 1 Предисловие-путеводитель

Т-1. Эта книга для радиолюбителей, для тех, кто сам конструирует приемники, усилители и другую электронную аппаратуру. Есть немало загадочных, необъяснимых явлений, немало тайн, до которых еще не успела добраться наука. В их числе и радиолюбительство. Как, например, объяснить такое: на магазинных полках полно прекрасных всеволновых приемников, а начинающий радиолюбитель, путаясь в проводах, обжигаясь о жало паяльника, собирает на куске фанеры свой первый шедевр — приемник, который в лучшем случае будет принимать две-три местные станции. Забыты друзья, на самом интересном месте заброшен детектив, мобилизованы последние финансовые ресурсы… И все это ради той радостной минуты, когда из громкоговорителя зашуршит едва слышное: «…е-е-е-если б знали вы-ы-ы, как мне дороги-и-и-и…»

Пройдут годы, появятся термоядерные электростанции и личные минивертолеты, космонавты высадятся на Марсе, будут раскрыты загадки человеческой памяти и секреты зарождения жизни. К тому времени, возможно, будет проведен и строгий научный анализ притягательных сил радиолюбительства… Пока же по этому поводу можно лишь высказывать предположения.

К радиолюбительскому конструированию наверняка влечет естественная потребность творить, создавать, строить. Она в самой человеческой природе, запрограммирована в нас, закреплена тысячелетиями. Так же как не может человек жить без воды и пищи, без воздуха, вот так же не может он без интересного дела. А радиолюбительство, конечно же, дело интересное, творческое. Наука на грани искусства.

Наверняка привлекает радиолюбительство и своей полезностью, тем, что позволяет легко приобщиться к самой современной технике.

Можете вы построить дома настоящий синхрофазотрон? А космический корабль? Атомный реактор? Самолет? Не можете… А вот настоящий магнитофон или настоящий радиоприемник можно изготовить прямо на краешке кухонного стола. И настоящую вычисляющую машину тоже, хотя, конечно, очень простую.

К радиолюбительству тянется не только тот, кто хочет связать свое будущее с электроникой. Сегодня электронная техника применяется повсюду, с ней вполне может встретиться летчик и врач, биохимик и экономист, металлург и музыкант. И каждый, кто занимается практической электроникой, как говорится, в порядке любительства, прекрасно понимает, что это приятное дело окажется полезным для человека любой профессии.

И вот еще что: радиолюбительство не только учит, но в сильной мере и воспитывает. Оно, например, делает человека более сообразительным, находчивым, изобретательным. Более собранным, четким, аккуратным — несколько раз пострадаешь из-за собственной небрежности, и, смотришь, появляется привычка тщательно проверять сделанное, работать быстро, но не спеша. Потеряешь час на поиски какой-нибудь детали, и совсем уже по-иному звучат слова: «порядок на рабочем столе» или «организация рабочего места».

Собирая электронные схемы, налаживая их, выискивая какую-нибудь неисправность, вы учитесь логически мыслить, рассуждать, учитесь использовать имеющиеся знания, добывать новые. Учитесь учиться.

Вспоминается, как известный советский радиофизик академик Александр Львович Минц, принимая специалистов на работу, всегда отдавал предпочтение радиолюбителям. И не только за конкретные знания, но главным образом за умение мыслить, работать творчески, изобретать.

Т-2. В книге имеются описания схем и конструкций для самостоятельного изготовления, они обозначены буквой «К». В этой книге имеется около ста практических электронных схем, рассчитанных на повторение в любительских условиях, предварительно отработанных и проверенных. В некоторых случаях это. схемы законченных устройств — приемников, усилителей, электромузыкальных инструментов, измерительных приборов, электронных автоматов. Много имеется схем отдельных узлов и блоков, из которых можно собрать совсем уже огромное множество простых и сложных схем подобно тому, как дети из кубиков собирают самые разнообразные «здания». Кстати, и в законченных схемах также выделены отдельные схемные «кубики», выделены некоторые типовые узлы и блоки, которые можно без всяких изменений переносить в другие схемы. В каждом отдельном случае по этому поводу даются рекомендации, а иногда и приводятся блок-схемы, показывающие, как соединять схемные узлы.

Каждый схемный блок, как правило, связывает с внешним миром всего несколько проводов (на схемах они заканчиваются небольшими треугольниками), в частности провод «Вход» («Вх»), который подключается к предыдущему блоку, провод «Выход» («Вых»), к которому подключается последующий блок, провод «Минус» («—»), к которому подключается «минус» источника питания (или провод с таким же обозначением «—» другого блока), и провод «Общий» («О»), к которому подключаются «плюс» источника питания и все другие провода с обозначением «Общий» («О»). Естественно, что, соединив блоки, «плюс» и «минус» самого источника питания достаточно подключить к точкам «О» и «—» только в одном блоке. Правда, нередко все бывает наоборот — с общим проводом соединяют не «плюс», а «минус» источника питания. Здесь многое зависит от типа применяемых транзисторов и микросхем (см. стр. 168, 191, рисунок Р-86;3), и на это нужно обращать внимание сразу, при первом же знакомстве со схемой.

Вскоре вы научитесь и сами компоновать сложные схемы из простых типовых блоков, используя для этого интересные элементы не только из этой книги, но и из других источников, из различных любительских и промышленных электронных схем.

Все имеющиеся в книге практические схемы сгруппированы на отдельных страницах, имеют самостоятельную нумерацию по всей книге и обозначение «К», от слова «конструирование». У каждой отдельной схемы или чертежа на такой странице есть свой порядковый номер, на который и дается ссылка в тексте. Так, например, ссылка К-2;7 означает, что имеется в виду седьмая схема на рисунке К-2.

В некоторых случаях принципиальные схемы дополнены объемными схемами (например, К-1;2 или К-3;2), которые наверняка помогут начинающему радиолюбителю совершить трудный переход от принципиальной схемы к монтажной. Часто дается еще и один из вариантов монтажной схемы, в расчете на навесной монтаж (К-П;2) или на печатный (К-17;5).

Кроме практических схем, буквой «К» обозначены еще и три вспомогательных рисунка: К-5 и К-6 с условными обозначениями некоторых деталей и К-7 с некоторыми технологическими рекомендациями и эскизами самодельных деталей. Нужно сказать, что в описаниях практических схем везде, где это возможно, предусмотрено применение самодельных деталей, даже таких, как реле, переключатели, контурные катушки. Сделано это на тот случай, если под руками не будет нужных «фирменных» деталей заводского изготовления. Или если захочется, как говорится, из спортивного интереса все, что можно, сделать своими руками.

Именно здесь, пожалуй, уместно сделать важное предупреждение. Так уж случилось, что система условных изображений и сокращенных буквенных обозначений радиодеталей менялась несколько раз. В результате в радиолюбительской литературе разных лет одни и те же детали изображаются и обозначаются по-разному. Правда, изображения, как правило, очень похожи, но все же различия есть и конденсатор с резистором не спутаешь. Последние изменения связаны с появлением так называемой машинной графики: чертежи и схемы сейчас во многих случаях выполняет не человек, а весьма распространенное устройство — графопостроитель, автоматическим пером которого управляет электронная вычислительная машина (об этом рассказано в главе 18). Графопостроителю проще делать чертеж линиями одинаковой толщины, и в связи с этим несколько лет назад была введена система условных обозначений, где и соединительные провода, и обмотки катушек, и все элементы других деталей изображаются сравнительно тонкими одинаковыми линиями.

Этот последний узаконенный стандартом вариант условных обозначений показан на К-3;15–41 в небольших синих рамках. Все остальные варианты условных изображений и буквенных значений, показанные на рисунках 15–41, использовались еще сравнительно недавно, их можно встретить в радиолюбительских книгах и журналах, выпускающихся на протяжении нескольких десятилетий. Для рисунков этой книги выбраны именно эти условные изображения деталей, они несколько отличаются от последнего стандарта, но зато более броские и выразительные, в основном за счет использования линий разной толщины.

Принятые в книге сокращенные буквенные обозначения деталей тоже отличаются от приведенных в тех же синих рамках буквенных обозначений, узаконенных последним стандартом. Сделано это потому, что начинающий радиолюбитель будет проще воспринимать обозначения, которые легко связать со знакомыми словами: Т — транзистор, Д — диод, R — резистор и т. д.

В случае же если вам придется знакомиться со схемами в свежих журналах, имеющими иные обозначения и начертания деталей, или придется готовить не упрощенный рисунок, а официальный документ или схему, которая должна строго соответствовать стандарту, то вы легко найдете нужное условное обозначение на рисунках К-3;15–41.

Большинство приведенных в книге практических схем можно для начала собрать на небольшом куске фанеры с монтажными лепестками из жести (К-7). На таком макете удобно подобрать нужные детали, установить заданные напряжения, привыкнуть к схеме, а затем уже, если захочется, перенести ее на более элегантную панель и упрятать в корпус. Правда, многие схемы можно так и оставить на фанерной монтажной панели: в таком развернутом монтаже есть даже какая-то красота. Не говоря уже о том, что схема всегда открыта, к любой детали можно быстро добраться, если нужно устранить неисправность или проверить какую-нибудь свежую идею совершенствования прибора.

Т-3. В книге есть некоторое количество справочных материалов первой необходимости, они обозначены буквой «С». Современный радиолюбительский справочник — это, как правило, довольно толстый том, а то и двухтомник. И конечно же, все справочные материалы, которые могут понадобиться радиолюбителю, ввести в эту книгу невозможно. Здесь вы найдете справочные данные только самой первой необходимости — данные распространенных типов транзисторов и диодов, некоторых трансформаторов, катушек громкоговорителей, микрофонов, намоточных проводов. Все эти данные расположены в тексте отдельными блоками, имеют свою собственную нумерацию, обозначение «С» — «справки» и отдельное оглавление в конце книги.

Некоторые справочные данные, такие, скажем, как расчетные формулы, можно найти на рисунках, относящихся к основному тексту, и в самом этом тексте, о котором хочется сказать особо.

Т-4. Книга позволяет сочетать практическую работу с изучением основ электроники, продвигаться вперед от простого к сложному. Есть два способа научить человека управлять автомобилем. Первый способ такой. Будущий водитель сразу садится за руль, и ему дают конкретную инструкцию: «Хочешь ехать вперед — передвинь этот рычаг на себя и влево, хочешь ехать назад — передвинь его на себя и вправо. Прежде чем переставлять рычаг, нажми вот эту левую квадратную педаль, а когда переставишь рычаг, отпусти ее. Хочешь ехать быстрее — надавливай на эту продолговатую педаль, хочешь притормозить — дави на эту правую квадратную педаль. Вот и все. Поехали…»

А вот другой способ. Человеку, который хочет водить машину, нужно сначала рассказать, хотя бы в самых общих чертах, о том, как этот автомобиль устроен. Как работает двигатель, как вращение передается колесам, что происходит при переключении скоростей, при нажатии на педаль сцепления, открывании дроссельной заслонки карбюратора, рассказать о всех основных процессах, которые происходят во время управления машиной. И только после такого рассказа будущему водителю показывают, какие ручки и педали управляют теми или иными агрегатами, объясняют, в каких случаях и как ими пользоваться.

Эти два варианта освоения автомобиля очень похожи на два типичных пути, которыми радиолюбители идут к конструированию электронных приборов. Первый начинается с того, что человек берет в руки паяльник и по готовому описанию со схемой пытается сразу же собрать приемник, усилитель, магнитофон, не вдаваясь в такие мелочи, как принцип действия тех или иных приборов и назначение тех или иных элементов схемы. А вот другой путь — изучение основ электротехники и радиоэлектроники, а затем уже со знанием дела практическая работа, конструирование электронных установок и аппаратов.

Если разобраться строго, то правильней и разумней идти вторым путем — от теории к практике, от понимания к действию. Но знакомство с основами электроники — дело не простое и не быстрое, тем более что предварительно нужно укрепить фундамент, вспомнить основы электротехники. А человеку не терпится, хочется побыстрее заняться делом — сверлить, паять, налаживать, побыстрее сделать что-нибудь такое, что само поет, играет, мигает лампочками. Хочется побыстрее нажать на педали и двинуться в путь.

С учетом всех этих «хочется» и «нужно» книга построена так, что допускает некий, если можно так сказать, гибридный путь в радиолюбительство. Из всего множества приведенных здесь схем и конструкций выделено несколько, рассчитанных на самого что ни на есть начинающего радиолюбителя, на того, кто в части радиоэлектроники находится на нулевой отметке. К числу таких «нулевых конструкций» относятся представители «поющих» и «мигающих» схем — мультивибраторы (К-10), детекторный приемник (К-9;3), приемник прямого усиления (К-3), простейшие схемы и конструкции, собранные на рисунках К-1 и К-2: электропроигрыватель с усилителем (К-1; 1, 6, 7), приставка к гитаре, превращающая ее в электрогитару (К-1; 8, 9), световой тир (К-2; 1, 2, 3, 4), электронная мандолина (К-2; 5, 6, 7), электронный камертон (К-1; 11), простейшие приборы для проверки и налаживания электронных схем (К-1; 10 и К-2; 9,10). Описания этих схем и конструкций сделаны несколько более подробно, чем всех остальных, в описания введены сведения о работе схемы, о назначении некоторых ее деталей. Одним словом, все рассчитано на то, чтобы эти «нулевые» конструкции можно было сделать еще до знакомства с теоретическими разделами книги или параллельно с изучением основ электроники, в какой-то степени сочетая таким образом то, что нужно, и то, что хочется.

Т-5. Основной текст книги посвящен основам электроники и некоторым конкретным ее направлениям, он обозначен буквой «Т». Одно только есть предостережение: не хотелось бы, чтобы первые успехи в сборке простейших схем передвинули на второй план знакомство с основами электротехники и электроники, создали иллюзию, что с этим делом можно подождать или даже вообще обойтись без него. Если вы не хотите понапрасну терять время на разгадывание известного или бросать работу, отчаявшись найти неисправность в схеме, когда обнаружить ее — дело одной минуты, если вы не хотите повторять чужие ошибки и слепо копировать посредственную схему, когда есть десятки способов улучшить ее, — одним словом, если вы не хотите блуждать в потемках по путаным дорогам страны Электроники, вашим девизом должно стать «знай и умей». Можно прекрасно собрать велосипед, не зная теоретической механики, и успешно пилить дрова, не зная теории резания древесины. Но успехи в области практической электроники в принципе невозможны без определенного теоретического фундамента.

Теория — это сконцентрированный опыт миллионов, собранные, приведенные в систему правильные решения, отброшенные в сторону бессчетные ошибки. Теория — это молниеносные мысленные эксперименты вместо долгих и дорогостоящих опытов «в металле», быстрый выбор правильного ответа вместо бесконечного слепого перебора и гадания. Теория — это кратчайший путь к нужному практическому результату. Прекрасно сказал великий итальянский физик Энрико Ферми: «Нет ничего практичнее хорошей теории».

В этой книге весь теоретический материал разбит на двадцать глав. Первые десять посвящены основам электротехники, радиотехники, электроники, это фундамент, необходимый для того, чтобы построить прочное здание знаний и умений. Последние десять глав посвящены некоторым конкретным областям электроники — радиоприемникам, высококачественному воспроизведению звука, магнитной записи, телевидению, электронной автоматике, измерениям, электронной музыке, вычислительным машинам и др.

В каждой главе есть некоторое количество сравнительно небольших разделов, они имеют сквозную нумерацию по всей книге и обозначаются буквой «Т» — от слова «теория». Конечно же, основной текст книги, тот, что назван «теорией», не очень-то похож на теорию в истинном, высоком смысле этого слова, теорию, насыщенную математическими формулами, охватывающую весь комплекс вопросов, связанных с данной темой. Основной текст книги — это очень краткий и по возможности предельно упрощенный пересказ некоторых элементов теории; теорией его можно называть только условно. Если же применение слова «теория» покажется вам вообще недопустимым, можете считать, что обозначение «Т» идет от слова «текст».

Т-6. Рисунки, поясняющие основной текст, образуют самостоятельную сюжетную линию книги, они обозначены буквой «Р». В разделы теории входят рисунки, они обозначаются буквой «Р» и имеют свою собственную нумерацию, тоже сквозную, от начала книги до конца. На рисунке может быть несколько фрагментов с отдельными номерами, на них и дается ссылка в тексте. Так, например, ссылка Р-18;2 означает «второй рисунок-фрагмент на сборном рисунке Р-18».

На рисунках помещены и формулы — как основные, так и расчетные, вспомогательные. Ссылка на формулу выглядит точно так же, как и ссылка на рисунок. Обозначение в скобках возле той или иной величины в формуле говорит о том, в каких единицах должна быть выражена эта величина.

Рисунки подобраны и скомпонованы так, что они как бы образуют самостоятельную сюжетную линию книги: просматривая эти рисунки, можно освежить в памяти знакомые разделы электротехники и электроники, вспомнить, о чем говорилось в той или иной главе и насколько подробно. Одним словом, рисунки «Р» — это своего рода сжатый конспект основного текста.

Т-7. Книга написана на нескольких разных языках, освоить их — значит сделать самый важный шаг в электронику. Внимательно наблюдая за самим собой, нетрудно убедиться, что мы мыслим словами. Стоит вам подумать: «Я иду в школу» — и где-то в глубине звучат неслышимые слова: «Я и-ду в шко-лу». Английский мальчик о том же самом подумает так: «Ай гоу ту тзе скул», немецкий мальчик: «Их гее ин ди шуле».

Каждый человек думает словами, думает на том языке, на котором говорит. Или скажем иначе: человек говорит на том языке, на котором мыслит. И не случайно преподаватели иностранных языков считают, что вы только тогда по-настоящему изучили язык, когда начали мыслить на нем так же, как и на своем родном.

Но вот шахматист, автоматически сделав несколько первых ходов, задумывается над сложной позицией. Неужели же и он в это время думает словами, слышит неслышимые: «Ес-ли я на-па-ду ко-нем на е-го сло-на, то он пой-дет на по-ле вэ-че-ты-ре и, заб-рав мо-ю пеш-ку, по-па-дет под у-дар мо-е-го фер-зя, и тог-да…»?

Нет, конечно же, шахматист не думает звучащими словами разговорного языка. Он думает совсем на другом языке, на специфическом языке шахмат, оперирует в своем сознании готовыми образами фигур, позиций, ходов, комбинаций. Точно так же, как механик, всматриваясь в сложную машину, мыслит на своем языке, «слова» которого — это образы конкретных деталей, их типичные взаимодействия, скажем, зацепление шестерен или червячной передачи. И так же, как математик, читая свои математические тексты, тоже обходится без разговорного языка, мыслит математическими символами и действиями, а композитор — мелодиями, аккордами, ритмами.

Нас окружает огромный мир, мир вещей и явлений. И в нашей вычислительной машине, в нашем мозгу, по мере того как мы познаем этот мир, строится его модель, которая состоит из записанных в память слов, картин, элементов их взаимосвязи. (Пока никто не знает, как вводятся в мозг или извлекаются эти записи, в каком виде они существуют: то ли это комбинации возбужденных нервных клеток, то ли комбинации молекул в клетке или атомов в молекуле, то ли комбинации электрических или химических сигналов.)

Самое универсальное средство для описания мира, для построения его модели — наш разговорный язык. Но для некоторых фрагментов этой модели, таких, как устройство машин, шахматы, музыка, электронные аппараты, химические соединения, существуют и специальные языки, более удобные, более оперативные и экономные. Здесь может быть уместно такое сравнение: универсальный автомобиль для перевозки грузов — это грузовик с откидными бортами, на нем можно перевозить все. Но для перевозки песка удобней самосвал, для перевозки людей — автобус, для перевозки молока — автоцистерна. Мы пользуемся универсальным языком звучащих слов или осваиваем новые языки в зависимости от того, какую задачу нужно решить, что нужно описать — простую житейскую ситуацию «я иду в школу», устройство машины или состав вещества. В первом случае удобен разговорный язык, во втором — язык чертежа, в третьем — язык химических формул.

Чтобы заниматься электроникой, обязательно нужно освоить несколько новых языков. Прежде всего, это язык схем, на котором осуществляется описание электрических цепей электронных приборов (Т-34, Т-36, Т-156, и др.). Затем — язык графиков, с его помощью удобней всего рассказать о процессах, которые происходят в электронном приборе (Т-64). Еще язык спектров, который лучше всего описывает важнейшие преобразования электрического сигнала, этого главного героя электронных схем (Т-100). Очень удобен и язык математических формул, он, в частности, помогает экономно и наглядно представить важнейшие законы электрических цепей (Т-32).

Чтобы знать электронику, нужно прежде всего знать эти специальные языки, пусть не в очень большом объеме, но знать очень хорошо, свободно мыслить на них, мыслить на языке схем, графиков, простейших математических формул. Освоение этих языков — одна из главных наших целей, к ней мы будем постепенно, шаг за шагом, продвигаться, с каждым шагом чувствуя себя уверенней и свободней в сложном мире электроники.

Т-8. Многое в книге излагается упрощенно, а кое-что очень упрощенно и, может быть, даже слишком упрощенно. Один известный астрофизик, рассказывая о своей работе, заметил, что ему, наверное, никогда не удалось бы успешно развивать свою науку, если бы он постоянно представлял себе чудовищные космические расстояния или гигантские интервалы времени, которыми измеряются космические события. Работая, он думал совсем иными масштабами, оперировал образами, крайне упрощенными, но зато удобными, такими, которые легко себе представить. Ну, скажем, Солнце он мысленно представлял себе как некий шар с диаметром 10 сантиметров. А иногда и нашу Галактику считал однородным телом, приравнивал ее к своего рода плоскому солнцу, хотя в Галактике десятки миллиардов звезд, похожих на наше Солнце, а само оно в тысячи миллиардов раз меньше Галактики. В нашем рассказе об электронике и электронных приборах такой прием — упрощение истинной картины, изменение масштабов, использование образов искаженных, но более удобных для обдумывания — будет встречаться очень часто. Иногда это делается для того, чтобы читателю можно было проще обдумывать сложные процессы, а иногда для того, чтобы автору было легче их объяснить.

Мы будем, например, представлять себе атомные ядра и даже сами атомы маленькими шариками, этакими горошинами или маковыми зернышками, в то время как все это сложнейшие системы, собранные из множества разнообразных деталей, размеры которых невообразимо малы.

Мы будем часто пользоваться аналогиями, сравнивая, например, электромагнитные процессы с механическими (переменный ток с качелями или заряд конденсатора с наполнением ведра), в то время как сходство между ними чисто внешнее, физическая сущность этих похожих процессов совершенно разная.

Мы будем, наконец, пользоваться привычными, житейскими словами, чтобы рассказать о сложных электрических явлениях, будем, например, употреблять такие выражения, как «электроны быстро побежали», или «магнитное поле старается помешать нарастанию тока», или даже «атомное ядро не хочет отпускать электроны». Подобные выражения в тексте встречаются настолько часто, что пришлось отказаться от спасительных кавычек, иначе страницы текста просто пестрили бы кавычками.

Все это делается только для того, чтобы можно было думать о вещах сложных и непривычных в терминах знакомых и понятных, чтобы облегчить познание нового, пользуясь самым, пожалуй, сильным средством — сравнением, сопоставлением, связыванием с тем, что уже известно. И еще для того, чтобы по возможности не выпускать на эти страницы огромное количество слов и символов, необходимых для достаточно аккуратного, достаточно строгого описания сути дела. Встречаясь в тексте с грубыми механическими моделями электронных схем, с искаженными масштабами, с сильно упрощенными процессами или структурами, с разного рода прыжками электронов или стараниями магнитных полей, нужно помнить, что все это лишь «военная хитрость», необходимая для штурма крепостей непонятного. И что упрощенное описание какой-либо физической сложности — это не более чем упрощенное описание.

Т-9. В книге приняты меры для того, чтобы можно было быстро найти нужный раздел и узнать, о чем в нем говорится. Эта книга названа радиолюбительской энциклопедией, в ней по возможности рассказано о разных областях электроники, о принципах построения и конкретных особенностях самых разных электронных схем. Последовательность изложения выбрана такой, чтобы рассказ шел от простого к сложному, от известного к неизвестному. Но вполне может оказаться, что читателю понадобится нарушить эту последовательность. Хотя бы потому, что какие-то разделы ему уже известны или о каком-нибудь приборе, о какой-нибудь схеме хочется узнать побыстрее, «вне очереди».

Поиск нужного материала облегчает алфавитный указатель, он помещен на так называемом форзаце — это обратная сторона первой и последней обложки и примыкающие к ним страницы. Кроме того, в конце книги имеются оглавления, отдельные для основного текста Т, чертежей и схем К, справочных материалов С. Краткое, правильнее даже сказать сверхкраткое содержание всех разделов текста Т приводится в начале каждого раздела (жирным шрифтом, перед основным текстом). Эти краткие резюме могут быть полезны и в том случае, когда нужно повторить пройденное, чтобы двинуться дальше.

Т-10. Книга должна помочь вам сделать первые шаги в электронику и создать фундамент знаний для дальнейшей самостоятельной работы. Еще каких-нибудь тридцать лет назад радиолюбители интересовались в основном несколькими областями радиоэлектроники — радиоприемниками, грамзаписью, коротковолновыми радиостанциями. И постройка многолампового приемника с коротковолновыми диапазонами считалась чуть ли не вершиной любительского мастерства. Сегодня любитель довольно быстро добирается до этой вершины и считает, что его продвижение в практическую электронику только начинается.

Выйти к вершинам любительского конструирования электронных приборов, конечно, не просто. И дело это не быстрое — за два дня не научишься конструировать магнитофон или налаживать телевизор. Однако же и путь от простейшего однотранзисторного приемника к сложным электронным схемам, к усилителям высококачественного звучания, цветным телевизорам, карманным магнитофонам, электрогитарам, электронным роботам — путь этот прошли уже многие тысячи людей. Хочется верить, что эта книжка поможет вам сделать первые шаги на пути в электронику, поможет запастись фундаментальными знаниями и приобрести практическую хватку. А это есть самые важные слагаемые дальнейшего успешного продвижения вперед.

ВЕСЕЛЫЙ КОНСПЕКТ

Многие важные темы, затронутые в книге, представлены в виде своеобразного конспекта — серии из примерно 200 юмористических рисунков (стр. 11, 25, 50, 70, 85, 111, 152, 171, 206, 224, 252, 287, 299, 309, 321, 340, 357, 387, 400, 420, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000). Большинство из них выполнено на основе рисунков из первых трех книг серии «Шаг за шагом» (Т-310). Веселые картинки для этих книг по эскизам автора сделал Николай Алексеевич Фролов — военный строитель, ученый и талантливый самодеятельный художник, безвременно ушедший из жизни много лет назад. Так случалось, что издатели книги «Электроника шаг за шагом» возражали против большого количества веселых картинок, и автор только сейчас получил возможность представить их читателю.

Художник Зоя Флоринская выполнила огромную работу по подготовке к печати старых рисунков и дополнила их двумя десятками новых. Рисунки имеют собственную нумерацию, и редкие ссылки на них содержат номер рисунка после букв ВК — «Веселый конспект».

* * *

1, 2. Наш мир устроен намного сложней, чем это кажется с первого взгляда (Т-11).

3. У натертой гребенки проявляются особые свойства — электрический заряд (Т-13).

4. Простейшие опыты доказывают: кроме гравитационных и электрических сил, есть еще и магнитные силы.

Глава 2 Встреча с электричеством

Т-11. Мир, в котором мы живем, устроен намного сложней, чем это кажется с первого взгляда. Если раздобыть где-нибудь машину времени, проехаться на ней в далекое прошлое и побеседовать с тамошним жителем, то он нарисует вам картину мира довольно-таки простую. В ней будет твердый потолок-небосвод, на котором закреплены тлеющие угольки-звезды, будут мельчайшие частицы вещества — пылинки, разделить которые, раздробить уже невозможно, будет трение, рождающее огонь, и холод, превращающий воду в лед, будет огромный шар-костер, который каждый день перекатывается по небосводу от одного его края до другого. И еще будут некоторые твердо установленные истины, по нынешней терминологии, законы природы. Например, такие: «дерево, пожираемое огнем, дает тепло», «в воде дерево не тонет, а камень тонет», «всякое тело стремится к земле: тяжелый камень, легкий лист, мягкая капля и пушистая снежинка — все падает на землю, тянется к ней по своей собственной воле».

Не торопитесь, пожалуйста, выводить своему далекому предку двойку по природоведению. Таким же, наверное, виделось бы окружающее любому из нас, если бы он вырос где-нибудь на необитаемом острове, без парового отопления и шариковых ручек, без магазинов «Гастроном» и журнала «Юный техник». А потом, если вдуматься, запас знаний человека древнего, необученного был не таким уж скудным, и в школе природы он никогда не был в числе отстающих.

Великая мастерица — эволюция долго и тщательно работала над своим лучшим творением Человеком и снабдила его изумительными инструментами познания мира. Зрение, слух, обоняние, осязание, датчики температуры и давления, тонкие химические анализаторы вкуса и, наконец, изумительный компьютер мозг — все это открыло Человеку мир в огромном многообразии вещей и явлений. На школьном уроке, который длился тысячелетия, работая и наблюдая, замерзая и обжигаясь, в борьбе со стихиями, голодом и хищным зверьем, твердо усвоил Человек такие понятия, как «быстрый» и «медленный», «тяжелый» и «легкий», «теплый», «холодный», «далекий», «большой», «горький». В плоть и кровь человеческую вошли представления о плотности вещества и скорости движения, о массе, размерах, времени, температуре — словом, важнейшие представления о мире, в котором нашим предкам приходилось жить и бороться за жизнь. Никакой другой житель планеты не имел столь детальной картины мира.

И все-таки…

И все-таки это была картина мира, созданная всего лишь диким обитателем лесов и пещер, собирателем плодов, охотником, имевшим в своем арсенале только палку и камень. Эту картину, конечно же, не сравнишь с тем, что знает современный человек, пассажир реактивного лайнера и владелец карманного магнитофона, исследователь живой клетки, строитель небоскребов.

Т-12. Человечество не быстро и не легко выясняло, как что устроено в природе. Сначала, наверное, лишь одинокие смельчаки решались перейти порог дозволенного, пытались увидеть больше, чем хочет показать природа. Эти безвестные академики сделали немало великих открытий и изобретений, таких, скажем, как рычаг, колесо, ориентировка по звездам, земледелие.

И еще одно, наверное, самое великое, — школа: человек научился передавать знания потомкам, с тем чтобы они не начинали все с самого начала, «с нуля», а могли бы пользоваться уже достигнутым. И идти дальше.

В далекой, уже невидимой древности начались бои на огромном фронте познания мира. Было время — линия этого фронта, линия, отделяющая знание от неизвестности, продвигалась вперед очень медленно. Века, тысячелетия уходили на то, чтобы понять какую-нибудь простую, как сейчас кажется, истину — задачи, которые приходилось решать древним мыслителям и исследователям, были для них столь же мучительно трудными, как и современные научные проблемы для ученых наших дней. Но с каждой новой победой, с новым открытием росли силы наступающей армии, знание помогало добывать знание, все быстрее шли вперед передовые части науки. И вот уже восхищенное человечество рукоплещет глубоким прорывам в тайны жизни, в глубины вещества и просторы Вселенной, фантастическим успехам химии, медицины, астрофизики, энергетики, блистательным научным победам последних столетий, так сильно изменившим не только наше миропонимание, но и сам образ нашей жизни.

В нескольких популярных книгах о науке встречается интересный прием, помогающий почувствовать темпы человеческого» прогресса в разные времена. Авторы сжимают масштаб времени в тридцать миллионов раз, так что каждый год прошлого превращается в секунду. Вот как располагаются некоторые события на такой сжатой шкале времени.

Примерно сто пятьдесят лет назад в неприметном уголке огромной Вселенной из газопылевого облака, окружавшего звезду Солнце, образовалась цепочка планет, и в их числе — наша Земля. Лет двадцать Земля остывала, а еще через десять на некоторых участках ее поверхности в теплых водах Мирового океана начались сложные химические процессы с образованием больших молекул, началась предыстория жизни. Около ста лет назад появились первые примитивные живые клетки, а затем много десятилетий они совершенствовались, специализировались, объединялись в многоклеточные организмы. Лет десять — двенадцать назад появились рыбы и папоротники, пять лет назад — динозавры, которые, правда, уже через год исчезли с лица земли. Немногим более четырех лет назад в небо поднялись первые птицы, примерно через год начали появляться млекопитающие.

И только месяц прошел с тех пор, как из царства животных выделился человек.

Т-13. Электрическая (янтарная) сила похожа на силу тяжести, но имеет совсем другую природу. Если бы мы захотели отметить на нашей сжатой шкале времени научные открытия, пусть даже не все, а только очень важные, то появилось бы на этой шкале огромное множество черточек. «Механизмы горения». «Кровообращение». «Молекулярное строение вещества». «Устройство живой клетки». «Шарообразность Земли». «Реактивное движение». «Циклы солнечной активности». «Разбегание галактик». «Деление атомных ядер». «Противомикробный иммунитет». «Химическая связь». «Подъемная сила крыла». «Синтетические волокна». «Синтетические алмазы». «Световой спектр». «Строение белка».

Из всего этого множества черточек-отметок несколько нужно было бы как-то выделить, скажем, сделать их подлиннее или нарисовать другим цветом. Это были бы отметки, соответствующие особо важным открытиям, суперважным. Открытиям совершенно новых для человека, принципиально новых свойств окружающего мира.

Вы подняли с земли небольшой камушек, а затем разжали ладонь, и камушек падает вниз, тянется к земле. Почему? Так устроен мир, в котором мы живем, — все тела притягиваются друг к другу, стремятся сблизиться, и это явление мы называем гравитацией, гравитационным взаимодействием. Откуда оно берется? Почему действует именно так, а не иначе? Ответ все тот же — так устроен мир…

Один из примеров гравитационного взаимодействия — притягивание предметов к земле, то, что в нашем сознании связывается со словами «сила тяжести», «вес», «земное притяжение». Железный шар тянется к земле сильнее, чем деревянный, большой — сильнее, чем маленький. Характеристика какого-либо физического тела, которая показывает, насколько сильно, насколько активно это тело участвует в гравитационных взаимодействиях, называется его массой. Чем сильнее физическое тело — камень, железный или деревянный шар, капля воды, планета — тянется к другому физическому телу под действием гравитационных сил, тем, говорим мы, больше масса этого тела. А можно сказать так: чем больше массы взаимодействующих тел, тем сильнее их гравитационное притяжение. Кстати, именно поэтому такими легкими чувствуют себя космонавты на Луне: ее масса меньше, чем масса Земли, и Луна тянет к себе в несколько раз слабее.

С гравитацией человек познакомился тогда, когда он еще не был Человеком. Мы привыкли к ней, считаем ее совершенно естественной и чуть ли не единственной силой, которая правит миром.

Но вот около двух с половиной тысяч лет назад древнегреческий философ и исследователь природы Фалес Милетский впервые отмечает, что у гравитации есть могучий соперник, ранее ловко скрывавшийся от людей. Обнаружилось, что если натереть шерстью янтарную палочку, то палочка притягивает к себе легкие предметы, скажем клочки ткани. Под действием своей тяжести, то есть под действием гравитационного притяжения к земле, эти клочки ткани должны были бы падать, двигаться вниз. А они, преодолевая силы гравитации, упрямо поднимаются вверх (Р-1).

Р-1

О чем это могло говорить? Только об одном — кроме гравитационных сил, кроме сил притяжения, которые стремятся сблизить, стянуть в одно место две массы, в мире существуют еще какие-то силы, которые в данном опыте с натертой янтарной палочкой оказались сильнее гравитационных. Какова природа неизвестных ранее сил? Почему только после натирания янтаря у него появляются новые свойства?

Ответить на эти вопросы первые исследователи не могли, они лишь зафиксировали обнаруженный факт и дали новому явлению свое название — «электричество». На русский язык это слово можно было бы перевести так: «янтарничество». Потому, что «электричество» происходит от греческого слова «электрон», что означает «янтарь», и «электричеством» новое явление было названо именно потому, что оно было обнаружено в опытах с янтарной палочкой.

Опыты с натиранием янтаря позволяют сделать очень важный вывод.

До этих опытов было известно только одно основное свойство материи — масса, — которое заставляло предметы притягиваться друг к другу, двигаться, работать. Натертый янтарь показал, что наряду с массой у вещества может быть еще одно работающее основное свойство, в дальнейшем ему дали название «электрический заряд». Почему электрический — понятно. Почему заряд? Трудно сказать… Может быть, тот, кто впервые ввел это понятие— электрический заряд, — представлял себе, как, натирая янтарь, в него вталкивают некую невесомую электрическую массу, заряжают янтарь электричеством, подобно тому как заряжали когда-то пушку, вталкивая в нее стальное ядро. Любопытно, что в английском языке в качестве нашего слова «заряд» используют слово charg, имеющее много значений, в том числе «цена», «поручение», «обязанность», «атака». Так что там «электрический заряд» по смыслу, видимо, означает «электрическая цена», то есть мера электрических свойств.

Электричество, электрический заряд — не единственное принципиально новое свойство материи, открытое пытливым человеком. Несколько тысячелетий назад у некоторых металлических руд были обнаружены ни на что другое не похожие магнитные свойства, которые не хуже гравитации и электричества могут работать, двигать физические тела. И уже совсем недавно, уже в нашем веке, открыт еще один совершенно новый сорт основных свойств материи — ядерные силы. Это не гравитация, не электричество, "не магнетизм. Действуют ядерные силы совершенно самостоятельно, причем только на очень небольших расстояниях. Именно они каким-то своим собственным способом стягивают расталкивающие друг друга составные части атомного ядра. А потом открыли еще одно фундаментальное свойство материи, еще один вид особых сил — их назвали слабыми, хотя действуют эти слабые силы во много раз сильнее, чем гравитация.

Вот так-то… Все было просто, была одна гравитация, а теперь — вон сколько открылось основных свойств материи… Мир намного сложней, чем кажется человеку, который, подобно своему доисторическому предку, видит лишь то, что видно с первого взгляда…

Нужно, правда, отметить, что современная физика пытается, в каком-то смысле, упростить открывавшуюся ей сложную картину мира: в современной физике господствует представление о единой природе, о «великом объединении» всех известных сил — сильных, слабых, электромагнитных, гравитационных. Могучие силы теории и эксперимента направлены на то, чтобы выявить эту единую природу. Причем на этом пути есть уже огромное достижение — экспериментально подкреплена теория, объединившая электромагнитные и слабые силы в единое, как его называют, электрослабое взаимодействие.

Но вернемся, однако, от этой высокой физики к делам простым и практически важным.

Электричество и гравитация в чем-то очень похожи, и работают они по очень похожим правилам. Гравитационное притяжение тем сильней, чем больше взаимодействующие массы; электрическое — чем больше заряды. А если раздвигать взаимодействующие тела, увеличить расстояние между ними, то обе силы — электричество и гравитация — резко ослабевают (Р-2).

Р-2

Для того чтобы почувствовать реальность таких понятий, как «гравитация», «масса», «сила тяжести», не нужно раскрывать учебник физики. Достаточно положить его на ладонь. Мы непосредственно воспринимаем массу, ощущаем ее, чувствуем массу своего тела, массу покупки, которую несем из магазина, массу упавшего на ногу камня. Электрический заряд, конечно, на ощупь не почувствуешь, в реальность электричества можно поверить, лишь проделав специальные опыты. К тому же масса — понятие привычное, мы привыкали к нему миллионы лет. А с электричеством сталкиваемся несколько десятилетий. Но электричество сегодня уже играет в нашей жизни такую важную роль, что силой мысли, силой воображения нужно отвести ему достойное место в своей картине мира. В него нужно неотвратимо поверить, к нему нужно привыкнуть. Нужно привыкнуть…

Т-14. Электричество бывает двух видов, двух сортов: положительное и отрицательное. В результате гравитационного взаимодействия физические тела V только притягиваются, пока еще никто не наблюдал антигравитации, то есть расталкивания двух масс. Отсюда можно сделать вывод, что в природе существует масса только одного сорта и что одинаковые массы взаимодействуют только так — они взаимно притягиваются. Одинаковость, однотипность масс установлена с колоссальной, просто-таки фантастической точностью— до миллионных долей миллионной доли процента. Но факт существования только одного сорта массы настолько важен, что физики планируют еще более точную его проверку. В отличие от массы, электричество бывает двух разных сортов, и в этом может убедиться каждый, проделав простейшие опыты с натиранием стеклянной и пластмассовой палочек. Поначалу может показаться, что электричество всегда действует одинаково (Р-1;1), но, передавая заряды с натертых палочек двум легким шарикам, можно убедиться, что в разных случаях они ведут себя по-разному (Р-1;2). Шарики, получившие электрический заряд разных сортов (разноименно заряженные), притягиваются, одинаковых сортов (одноименно заряженные) — отталкиваются. Если бы электричество было только одного сорта, то взаимодействие зарядов всегда было бы одинаковым: наэлектризованные предметы либо только притягивались бы, либо только отталкивались.

Два разных сорта электричества нужно было как-то назвать, скажем, «электричество сорта А» и «электричество сорта Б». Однако тому, кто давал имя этим сортам, понравились другие слова, и он назвал два разных сорта электричества положительным (сокращенное обозначение «+», «плюс») и отрицательным («—», «минус»). В данном случае привычный для нас смысл этих слов не имеет никакого значения, и ни в коем случае не нужно думать, что положительное электричество чем-то лучше отрицательного, как, скажем, положительный литературный герой или положительный пример.

Электрический заряд, который назвали положительным, появляется у натертого стекла, отрицательный — у натертой пластмассы. Попробуем провести такой мысленный эксперимент: будем ломать, распиливать, крошить наэлектризованные стекло и пластмассу, чтобы найти в них самые маленькие порции электрического заряда.

Т-15. Молекула — мельчайшая частица данного вещества. Мысленный эксперимент, кроме всего прочего, хорош тем, что любая трудная работа здесь идет легко и быстро. Вот и у нас уже появились сначала маленькие кусочки наэлектризованного вещества, затем очень маленькие и, наконец, самые маленькие частички стекла и пластмассы — их молекулы. Можно, конечно, и эти молекулы, например молекулы стекла, разделить на составные части, но то, что при этом получится, уже не будет стеклом. Здесь, по-видимому, уместно такое сравнение. Представьте себе, что вам нужно разделить на районы город. Самый маленький район, который может получиться, — это один дом, молекула большого города. Можно, конечно, и дом разобрать по частям, но вряд ли какую-нибудь из строительных деталей можно будет назвать районом города.

Получив молекулы стекла и пластмассы, мы обнаружим, что некоторые из них наэлектризованы, то есть обладают электрическими свойствами, а другие не обладают. Остается предположить, что электрический заряд молекулы, ее электрические свойства связаны с какой-то еще более мелкой частицей, которая или входит или не входит в молекулу. И если входит, то делает ее наэлектризованной. Чтобы проверить эту гипотезу, продолжим свой мысленный эксперимент и разделим наэлектризованную молекулу на составные части.

Подобно тому как современный дом состоит из отдельных типовых блоков — перекрытий, лестничных пролетов, стеновых панелей, — подобно этому молекула любого вещества состоит из типовых блоков вещества — атомов. Всего сегодня известно 107 основных типов различных атомов, их называют химическими элементами. В молекулу могут входить самые разные атомы и в самой разной пропорции, они могут по-разному соединяться друг с другом, образовывать различные пространственные конструкции. И из небольшого сравнительно количества элементов (107 — это тоже немного, но реально в строительстве молекул используется еще меньше) образуются миллиарды самых разных веществ. Так же как из одинаковых строительных деталей строятся самые разнообразные здания. Разные сочетания разных атомов дают воздух и воду, мрамор и зеленый лист винограда, соль и сахар, стекло и пластмассу.

Продолжив свой мысленный эксперимент и разобрав на части молекулы подопытных веществ — стекла и пластмассы, — мы обнаружим, что и среди атомов попадаются, казалось бы, совершенно одинаковые «на вид», но при этом разные — наэлектризованные и ненаэлектризованные экземпляры, атомы с электрическим зарядом и без него, то есть электрически нейтральные. И после этого нам не останется ничего другого, как в поисках мельчайших частичек электрического заряда разобрать на части сам атом.

Т-16. Планетарная модель атома — массивное ядро, вокруг которого вращаются электроны. Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Это название появилось очень давно, когда о настоящих атомах, в современном понимании этого слова, никто и представления не имел. Просто считалось, что всякое вещество можно дробить на части до тех пор, пока не получатся мельчайшие невидимые пылинки, которые дальше уже разделить нельзя. Невозможно. Вот эти гипотетические, то есть предполагаемые неделимые, пылинки древние греки и называли атомами. Позднее название «атом» перешло к частицам уже не гипотетическим, а совершенно реальным, к тем самым основным блокам, из которых, как было установлено, строятся разные вещества. Еще каких-нибудь сто лет назад некоторые ученые считали эти блоки неделимыми и с чистой совестью называли их атомами. И только в начале нашего века было установлено, что, строго говоря, атом нельзя называть атомом, что атом не есть неделимый блок, он представляет собой сложную машину и состоит из множества разнообразных деталей.

Склеенная из пластмассы модель самолета или даже летающая его модель лишь в небольшой степени похожа на воздушный лайнер, берущий на борт сотни пассажиров. Но вместе с тем, рассматривая эти модели, можно узнать много важного о настоящих самолетах, об устройстве их основных деталей, о том, для чего эти детали нужны.

Одна из правдоподобных моделей атома похожа на нашу Солнечную систему, и ее так и называют — «планетарная модель». В центре планетарной модели — основная деталь атома, его ядро, массивный шар, в котором сосредоточена почти вся атомная масса. Вокруг ядра вращаются маленькие и легкие шарики — электроны, чем-то напоминая планеты, вращающиеся вокруг Солнца (Р-3).

Р-3

Такая картина очень наглядна, ее легко себе представить, но, конечно же, планетарная модель — это упрощение, искажение истины (Т-8). Скажем, электроны — это совсем не шарики-пылинки, а некоторые во многом еще загадочные сгустки материи, которые ведут себя не только как частицы, но и как волны. И двигаются электроны не по спокойным круговым орбитам, как Венера или Земля вокруг Солнца. Электроны как бы размазаны в пространстве, распределены по сферам вокруг ядра, образуют вокруг него так называемые электронные оболочки. И само ядро — тоже не бильярдный шар. Это огромный (по атомным масштабам, разумеется) бурлящий котел, в котором непрерывно идут сложные превращения вещества и энергии, рождаются и умирают частицы.

И все же планетарная модель, несмотря на все ее недостатки, помогает просто и правильно объяснить многие важные процессы в атоме, многие особенности его конструкции. Именно поэтому свое путешествие в атомные глубины мы начнем с того, что построим упрощенную действующую — именно действующую — планетарную модель самого простого из известных атомов.

Привяжите нитку к спичечной коробке, раскрутите ее вокруг руки, и модель готова (Р-3;1). Ваша рука в ней играет роль атомного ядра, вращающаяся на нитке спичечная коробка — роль электрона. Но чью же роль в таком случае играет нитка? Ведь если нитка оборвется, то коробка под действием центробежной силы улетит в сторону, без нитки наш «атом» существовать не может. А в настоящем атоме нет никакой нитки, которая связывала бы ядро с электроном, и вместе с тем атом не разрушается, электрон с огромной скоростью (миллионы оборотов в секунду) вращается вокруг ядра и никуда не улетает. Что его держит? Какая сила привязывает, притягивает вращающийся электрон к ядру, не позволяет ему оторваться, улететь? Это делает электричество.

Т-17. В атомных частицах — электроне и протоне — хранятся мельчайшие порции электрических зарядов. Точными опытами установлено, что любой электрон обладает некоторым отрицательным электрическим зарядом, то есть зарядом того же самого сорта, который был обнаружен у пластмассовой палочки. Электрический заряд есть обязательное, непременное свойство электрона, такое же непременное, как масса. У всех электронов электрический заряд одинаков, так же, скажем, как одинакова масса у всех пятаков.

Теперь заглянем в ядро. Если не бояться упрощений, то можно считать, что ядро состоит из крепко склеенных частиц двух сортов — нейтронов и протонов. И те и другие — довольно тяжелые частицы, масса каждой из них почти в две тысячи раз больше массы электрона (Р-3;8): если электрон — копейка, то протон или нейтрон — двухкилограммовая гиря или двухлитровая банка, наполненная водой. Различаются ядерные частицы — нейтрон и протон — прежде всего тем, что нейтрон в электрическом отношении нейтрален (отсюда и его название), то есть никакими электрическими свойствами он не обладает, а у протона есть положительный электрический заряд.

Подведем некоторые итоги. Электрон на орбите, протон в ядре. Обе частицы от природы обладают электрическими свойствами. У электрона отрицательный электрический заряд, «минус», у протона — положительный, «плюс»…

Теперь уже, наверное, понятно, почему именно электрические силы в настоящем атоме делают то, что в нашей модели делала нитка, — притягивают вращающийся электрон к ядру. У протонов и у электронов разноименные электрические заряды, и силы их электрического взаимодействия стараются стянуть, сблизить эти частицы.

Еще одна интересная особенность: у электрона и у протона заряды хотя и разного сорта, но равны по величине, по своей, если можно так сказать, действующей силе. Массы у этих частиц разные — вспомните: копейка и двухлитровая банка воды, — а электрические заряды, электрические свойства одинаковые. Это тоже может быть доказано точными опытами. Если расположить на некотором расстоянии один от другого два протона и на гаком же расстоянии один от другого два электрона, то электрические силы будут расталкивать протоны, (одноименные заряды отталкиваются) с такой же силой, как и электроны (Р-3;4).

Сравнительно недавно, в середине семидесятых годов, начала активно развиваться и получать экспериментальное подтверждение физическая теория, согласно которой такие частицы, как протон и нейтрон (к электрону это не относится), состоят из еще более «мелких деталей» — кварков. У кварков электрический заряд меньше, чем у протона, и может составлять ¹/₃ или ²/₃ от той порции электричества, которую имеет протон. Причем заряд кварков может быть как положительным, так и отрицательным. Однако теория предсказывает, что сами кварки выделить из протонов или других частиц и получить в «чистом виде» невозможно, а может быть, даже принципиально невозможно. Придравшись к этому, мы будем считать, так же как считалось до появления кварковых теорий, что положительный заряд протона и отрицательный заряд электрона — это самые малые порции электричества, которые можно обнаружить в природе.

Т-18. Атомы разных химических элементов различаются числом протонов в ядре и электронов на орбитах. Простейшая планетарная модель атома, построенная нами, — спичечная коробка, которая вращается вокруг руки, — это модель атома водорода. В его ядре — один протон (+), а на орбите — один электрон (—). Бывают атомы водорода, в которые входят еще и нейтроны (это так называемые изотопы — тяжелый водород, дейтерий, с одним нейтроном и сверхтяжелый водород, тритий, с двумя), но мы нейтроны во внимание принимать не будем. Потому, что это частицы нейтральные, электрического заряда у них нет и на электрические свойства атомов они не влияют.

Следующий по сложности — атом гелия. В его ядре уже два протона, а на орбите — два электрона (нейтроны мы опять-таки не принимаем во внимание, хотя они есть и у гелия, и у всех более сложных атомов). У лития — три протона и три электрона, у бериллия — четыре и четыре, бора — пять и пять, углерода — шесть и шесть, азота — семь и семь и так далее.

Один химический элемент отличается от другого числом протонов в ядре. Всего в природе существует 92 разных сорта атомов (с числом протонов в ядре от 1 до 92), то есть 92 химических элемента, а с учетом искусственных, живущих очень короткое время (их получают на ускорителе и тут же «взвешивают», пока они еще живы) — 107. У разных элементов разная способность вступать в химические реакции, соединяться в молекулы. На это и обратили внимание химики еще в те времена, когда о строении атомов ничего не знали. Проанализировав химические свойства элементов, Дмитрий Иванович Менделеев расположил их в определенном порядке в таблице, которая всему миру известна как таблица Менделеева. А потом, спустя много лет, оказалось, что порядок следования элементов в менделеевской таблице определяется числом протонов в атомном ядре — чем больше протонов, тем более далекое место в этой таблице занимает элемент.

Электроны вращаются вокруг ядра по разным орбитам. Некоторые из орбит находятся поближе к ядру, другие подальше от него, третьи — совсем далеко. Все электронные орбиты сгруппировываются в несколько слоев, в несколько, как принято говорить, электронных оболочек. В первом, самом близком к ядру, слое только две орбиты, два вращающихся электрона (исключение — атом водорода, у которого всего один электрон), во втором слое может быть уже до восьми орбит, в третьем — до восемнадцати. (На всех наших рисунках электронная оболочка показана в виде одного круга или эллипса, по которому вращаются все электроны. Это, конечно, грубое упрощение, одно из тех, которым было посвящено предупреждение Т-8.) Особое значение имеет наружный слой электронных орбит, потому что именно с помощью своих внешних электронов атомы соединяются друг с другом, образуя молекулы. С внешними электронными оболочками атома нам еще предстоят интересные встречи, а сейчас несколько слов о другой важной особенности атомных конструкций.

Т-19. Положительный ион и отрицательный ион — атомы, у которых нарушено электрическое равновесие. Обнаружив в электронах и протонах мельчайшие порции электричества, мы можем теперь объяснить, как появляются электрические свойства у более крупных «предметов» — у атомов, у молекул. И у натертых палочек из пластмассы и стекла. В нормальном своем состоянии любой атом электрически нейтрален — число протонов в его ядре и число электронов на орбитах одинаково. А при этом и суммарный положительный заряд атома и его суммарный отрицательный заряд как бы нейтрализуют друг друга, и за пределами атома никакие его электрические свойства вообще не ощущаются. Вещество, состоящее из таких нейтральных атомов, само тоже нейтрально, электрического заряда у него нет (Р-4).

Р-4

Если же каким-то способом удалить с атомной орбиты хотя бы один электрон, то общий заряд электронов будет уже меньше, чем общий заряд протонов. И такой атом в целом будет обладать положительным зарядом. А значит, будет обладать положительным зарядом и молекула, куда входит этот наэлектризованный атом, и в итоге вещество, в которое входит наэлектризованная молекула. У натертой стеклянной палочки положительный заряд появляется именно потому, что при натирании мы, грубо говоря, выдираем электроны из многих атомов, расположенных в поверхностном слое стекла.

Можно при натирании каким-то способом втолкнуть в атом лишний электрон, у некоторых веществ ему найдется местечко на орбите. У такого атома электронов окажется больше, чем протонов в ядре, а значит, появится отрицательный заряд. В итоге отрицательный заряд будет у молекулы, включившей в себя этот атом, и у вещества, куда входит наэлектризованная молекула. Именно так можно объяснить появление отрицательного электрического заряда у натертой пластмассовой палочки.

В заключение остается назвать имена, которые присваивают атомам в зависимости от их электрического состояния.

Нормальный атом, такой, у которого число протонов и число электронов одинаково и который поэтому во внешнем мире никак не проявляет своих электрических свойств, называют нейтральным атомом. Атом с недостающими электронами (или, другими словами, с избытком протонов) называют положительным ионом — в целом такой атом ведет себя как частица, имеющая чистый положительный заряд. Атом с избытком электронов ведет себя как частица с чистым отрицательным зарядом, и такой атом называют отрицательным ионом.

Т-20. Электрические силы могли бы работать в машинах. С давних пор люди стремятся умножить силу своих мускулов, выполнять работу большую, чем могли бы по своим природным способностям. Стремятся они к этому не просто так, не ради спортивного интереса, а для того, чтобы улучшить свои жизненные условия, чтобы жить лучше, чем предначертано дикой природой. В разные времена человек приспособил себе в помощники домашних животных, энергию падающей воды, ветра, расширяющегося пара, взрывающихся бензиновых паров. И конечно же, не мог он оставить в бездействии такую прекрасную работающую силу, как электричество.

Уже простейшие опыты с натиранием стекла и пластмассы говорят о том, что электричество может работать, ну скажем, перемещать какие-то грузы. Или приводить в движение машины, подобно тому, например, как гравитационные силы вращают жернова водяной мельницы (работает падающая, притягиваемая к земле вода). В принципе работоспособность электричества огромна, значительно больше, чем работоспособность гравитации. Если стеклянную и пластмассовую палочки размером с карандаш расположить на расстоянии метра, то под действием гравитационных сил они будут притягиваться одна к другой, как и любые две массы. Но сила этого притяжения будет в миллиарды миллиардов раз меньше, чем сила самого чахлого комарика. А вот если наэлектризовать эти палочки-карандаши, уменьшить на один процент число электронов в стекле и увеличить на один процент число электронов в пластмассе — обратите внимание: всего на один процент! — то палочки будут притягиваться с такой силой, что смогут сдвинуть с места железнодорожный состав из многих миллиардов вагонов!

Почему же в наших опытах электрических сил едва хватало на то, чтобы подтянуть вверх легкие бумажки? Только потому, что натиранием мы нарушили электрическое равновесие у очень небольшого числа атомов.

И все же в использовании электрической энергии техника не пошла по пути машин с большими, сильно наэлектризованными деталями. В современных электрических машинах и установках всех типов работают детали, наэлектризованные самой природой, — мельчайшие частицы вещества, с которыми мы встретились на нашей экскурсии в мир атомов и молекул.

* * *

5. Масса бывает только одного сорта, и две массы могут только притягиваться, а электрические заряды бывают двух сортов, в разных комбинациях они могут и притягиваться и отталкиваться.

6. Упрощенная модель атома; в центре — тяжелое ядро (электрический заряд «+»), вокруг него вращаются электроны (заряд «-»). Ядро («+») притягивает электроны («-»), не дает им улететь, и атом оказывается устойчивой системой (Т-16).

7. Электрический ток: упорядоченное движение свободных зарядов; они сталкиваются с неподвижными атомами, при ударах выделяется тепло (Т-31).

8. Ток могут создавать как электроны, так и положительные ионы (Т-42).

9. Для упрощения картины условились считать, что ток создают только положительные заряды, и этот условный ток течет, разумеется, от «плюса» к «минусу» (Т-42).

Глава 3 Завод, где работают электроны

Т-21. В некоторых веществах электроны и ионы могут находиться в свободном состоянии. Есть хорошая французская поговорка: «Для того чтобы сделать рагу из зайца, нужно, как минимум, иметь зайца». По аналогии можно сказать: для того чтобы заставить ионы и электроны работать, в электрических машинах, нужно, как минимум, иметь ионы и электроны. Причем иметь их в свободном состоянии, чтобы можно было эти микроскопические детали перемещать, двигать и тем самым заставить их выполнять какую-то работу.

Повседневный опыт приучил нас, что твердые тела и жидкости имеют плотную, непрерывную структуру. А вместе с тем структура у них, если можно так сказать, ажурная. Любое вещество — вода, бумага, мрамор, сталь — больше напоминает редкую волейбольную сетку, чем плотный клубок ниток. Мы, конечно, не можем увидеть эту ажурность, сетчатость, но точными физическими исследованиями установлено, что в атоме сгустки вещества — атомные ядра и электроны — находятся друг от друга на расстояниях, во много раз превышающих размеры этих частиц. Так, скажем, если предположить, что атомное ядро имеет размеры футбольного мяча, то для соблюдения истинных пропорций нужно представить себе, как вокруг этого мяча на расстояниях в сотни и тысячи метров (!) вращаются электроны размером с горошину. А все остальное — пустота. Ну а расстояния между соседними атомами в этом масштабе совсем уже огромны — это десятки и сотни километров!

Ажурные атомные конструкции, огромные пространства между атомами — вот первая особенность строения вещества, которую важно знать конструкторам электрических заводов, где будут работать электроны.

А вот вторая.

В любом веществе всегда найдется некоторое количество атомов, потерявших электроны со своих внешних орбит. В твердом теле атомы как бы закреплены в определенных точках пространства, связаны друг с другом в прочный каркас. В жидкостях атомы связаны слабее, могут смещаться, именно поэтому жидкость «мягкая», она легко изгибается, течет. Во всех случаях атомы совершают какие-то небольшие движения, колеблются, пошатываются, причем тем сильней, чем выше температура вещества. Только при абсолютном нуле, при температуре 0 градусов по шкале Кельвина (0 К; минус 273,16 градуса по шкале Цельсия; получить такую температуру пока никому не удалось, хотя подошли к ней очень близко — остались миллионные доли градуса), собственные хаотические движения атомов затихают. В процессе этих хаотических, как их называют, тепловых колебаний атомы, грубо говоря, сбрасывают некоторые внешние электроны, те, что сильно удалены от ядра и слабее других привязаны к нему электрическими силами. Вырвавшиеся из атомов электроны беспорядочно слоняются (Т-8) в межатомном пространстве, они свободны, и эти свободные электроны вполне можно было бы использовать в качестве движущихся деталей электрических машин (Р-5;3).

Р-5;3

Запомним, в твердом веществе могут быть свободные электроны. А теперь перейдем к жидкостям и газам.

Атом, потерявший один или несколько электронов, — это положительный ион. В твердых телах такие положительные ионы неподвижны, в жидкостях и особенно в газах они могут двигаться. Кроме того, в жидкостях и газах могут появиться подвижные отрицательные ионы — атомы, в которые попал лишний электрон. Таким образом, в жидкостях и газах может быть сразу три типа работающих деталей — свободные положительные ионы, свободные отрицательные ионы и, как всегда, еще свободные электроны (Р-5;4).

Р-5;4

Итак, в веществе существуют свободные электрические заряды. И есть свободное пространство, где они могут двигаться. Теперь попробуем выяснить, какую пользу можно получить от такого движения зарядов, какую работу эти заряды могут выполнять.

Т-22. Движущиеся свободные электроны (ионы) могут создавать тепло и свет, участвовать в транспортировке вещества. Если бить молотом по куску железа, то оба они сильно нагреются: энергия движущегося молота в процессе удара превращается в тепло. По той же причине быстрый поток песчинок, выбрасываемый пескоструйным аппаратом, попав на гранитную плиту, не только очищает ее, но еще и нагревает.

Если в каком-либо веществе создать поток электронов или свободных ионов, то, сталкиваясь с атомами вещества и друг с другом, эти движущиеся частицы будут нагревать вещество — удар всегда удар. Тепловое действие, нагревание — первая профессия движущихся зарядов (Р-6;1,2).

Р-6;1,2

Вторая их профессия — излучение света. Если хорошо разогнать свободные заряды, то они будут ударять по атомам вещества с такой силой, что те начнут светиться, как, скажем, светится сильно нагретый кусок железа.

И еще одна профессия движущихся зарядов. Создать поток ионов — это означает создать поток вещества, ионы — это ведь тоже атомы, а тот факт, что у них недостает электронов или есть лишние электроны, позволяет двигать их электрическими силами, перебрасывать из одного района в другой. Так, например, перебрасывая из растворов на поверхность какого-либо предмета ионы меди, никеля, хрома, серебра, золота, наносят на этот предмет тонкие металлические покрытия (Р-6;3). Или наоборот — если создать поток ионов из какого-либо вещества в раствор, можно очистить это вещество от тех или иных примесей.

Р-6;3

Мы пока еще, к сожалению, не готовы к рассказу о главной профессии свободных электронов и ионов — они еще умеют выполнять механическую работу, вращать диск электрофона, двигать диффузор громкоговорителя, тянуть электропоезда. Но даже известная уже нам продукция движущихся зарядов — тепло, свет, транспорт вещества — стоит того, чтобы подробнее познакомиться с машинами и установками, где эти движущиеся заряды работают.

Т-23. Проводники, полупроводнику изоляторы — вещества с различным содержанием свободных электрических зарядов. Количество свободных зарядов в каком-либо веществе зависит от многих факторов. Например, от чистоты вещества — бывает, что небольшие количества примеси способствуют или, наоборот, препятствуют появлению свободных электронов или ионов. У некоторых веществ число свободных электронов можно увеличить, если облучать эти вещества светом — свет просто выбивает электроны из атомов. У других веществ такой же эффект наблюдается под действием рентгеновского излучения. Количество свободных зарядов зависит также от температуры — чем она выше, тем интенсивнее собственные колебания атомов и молекул, тем больше слетает с них электронов. И конечно же, число свободных зарядов в веществе зависит от того, какое это вещество, насколько крепко в его атомах внешние электроны привязаны к ядру, насколько легко им вырваться на свободу. И оттого, насколько велики атомы, насколько густо они расположены и долго ли сможет свободный электрон бродить в межатомном пространстве, не подвергаясь опасности наткнуться на свободное место в атоме и вновь очутиться на орбите (Т-8).

Специалисты по электричеству привыкли делить все вещества на три основные группы — проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы). К проводникам относятся вещества, в которых свободных зарядов очень много. Полупроводники — это те вещества, в которых свободных зарядов немного, но все же они есть. В диэлектриках свободных зарядов очень мало, почти нет (Р-7).

Р-7

В диэлектриках все электроны крепко связаны с ядром и редко какой-то из них может вырваться на свободу. Нужно пересмотреть миллиарды миллиардов атомов диэлектрика, чтобы отыскать среди них один положительный ион, один атом, упустивший какой-нибудь свой электрон.

Теперь о проводниках.

К проводникам относятся все металлы. У них внешние электроны связаны с ядром очень слабо и почти каждый атом превратился в положительный ион, выпустил в межатомное пространство один или даже несколько электронов. В металлах так много свободных электронов, что по отношению к ним применяют выражение «электронный газ» или «электронная пыль».

Проводниками могут быть жидкости и газы. «Могут быть» в данном случае нужно понимать так: количество свободных зарядов в жидкости (или в газе) зависит от того, какие вещества в ней растворены, какие химические процессы происходят. Например, дистиллированная вода — это изолятор, свободных зарядов в ней очень мало. Но стоит бросить в воду щепотку соли, как она становится проводником — соль растворяется, образует в воде большое количество свободных положительных и отрицательных ионов.

О полупроводниках пока умолчим. Это вещество со сложным характером. Придет время, и мы поговорим о них особо.

Не требуется, по-видимому, пояснять, что полноводная река работает лучше, чем тонкая струйка воды из водопроводного крана. Вот так большое число движущихся свободных зарядов при прочих равных условиях может выполнить большую работу, чем малое их количество. И если мы хотим увидеть от движущихся зарядов настоящую работу, нужно привлечь к делу как можно больше этих зарядов. А значит, нужно организовывать движение свободных зарядов не в диэлектрике, где их очень мало, а в проводнике, где зарядов-работников огромное количество.

Т-24. Генератор и нагрузка — основные элементы электрической цепи. Завод, где работают свободные электроны или ионы, получил название «электрическая цепь». Слово «цепь» в этом названии появилось потому, что заряды, как правило, последовательно, поочередно проходят по нескольким цехам, нескольким участкам, как бы по звеньям цепочки.

Какой бы сложной ни была электрическая цепь, в ней обязательно есть два основных участка, два главных цеха. В одном из них свободные заряды получают энергию. Это генератор. На другом участке, в другом главном цехе заряды отдают полученную энергию. Этот цех называют нагрузкой — он нагружает генератор, отбирает у него энергию, использует ее для выполнения полезной работы. Так, например, в нагрузке свободные заряды — электроны и ионы, — которые генератор заставил двигаться, сталкиваются с «местными» атомами, ударяют по ним, и в результате этих ударов в нагрузке выделяется тепло или свет (Р-8).

Р-8

Генератор и нагрузка эти элементы входят в любую схему использования энергии, в любое устройство, предназначенное для выполнения каких-либо работ. Возьмем, к примеру, водяную мельницу. Могучие силы природы — солнце и ветер — испаряют воду с поверхности земли, собирают ее в прекрасные белые облака и выплескивают обратно на землю, в том числе на горные вершины. С гор вода течет вниз, сливается в русла быстрых рек.

Так работает генератор, он создает потоки воды, снабжает их энергией.

А мельничное колесо — нагрузка — эту энергию отбирает. Падающая вода вращает колесо, оно приводит в движение жернова, и они выполняют нужную работу — перемалывают зерно.

Две наэлектризованные палочки — стеклянная (+) и пластмассовая (—) — вот уже готов простейший генератор, который мог бы двигать свободные электрические заряды, заставляя их работать (вы уже, очевидно, обратили внимание — зарядами мы для краткости называем свободные электроны и ионы, наши микроскопические наэлектризованные детали). Стоит только соединить эти палочки проводником, как в нем сразу же появится электрический поток (принято говорить ток, очевидно, тоже для краткости) — начнется упорядоченное движение свободных зарядов с одной палочки на другую. Проводник в этой системе играет роль нагрузки: проходя по нему, заряды работают, выделяют, вырабатывают какое-то количество тепла. А это значит, что наша цель достигнута, завод, где работают движущиеся заряды, построен.

Давайте для определенности предположим, что к наэлектризованным палочкам (генератор) подключен именно металлический проводник (нагрузка), и попробуем более подробно рассмотреть, как работает наш завод и какими показателями нужно оценивать его работу.

Т-25. Наряду с веществом существует и такая форма материи, как поле. Этот небольшой раздел, пожалуй, самый сложный во всем нашем повествовании, и в значительной степени из-за него это повествование пришлось начинать издалека. С того, что человек нелегко и непросто постигал устройство мира. Что мир устроен намного сложней, чем кажется с первого взгляда. И что нужно уметь считаться с реальностью, какой бы непривычной она ни казалась, уметь подчиняться неотвратимым аргументам опыта. Уметь ограждать себя от неверия и внутренних протестов спокойной формулой — «Так устроен этот мир…»

Как конкретно, через каких посредников взаимодействуют электрические заряды? Как наэлектризованная палочка тянет клочки бумаги? Ведь они находятся на значительном расстоянии, непосредственно не соприкасаются… Не может же палочка действовать на бумажки через Ничто, обязательно должно существовать Нечто, через которое один заряд тянет к себе другой…

Проще всего было бы предположить, что заряды как-то взаимодействуют через вещество, которое находится между ними, в нашем примере через воздух. Например, тянут или толкают друг друга через молекулы, атомы, электроны или еще какие-нибудь частицы, подобно тому, как паровоз передает свою тягу последнему вагону через все промежуточные вагоны. Но достаточно перенести эксперимент в безвоздушное пространство, и эта гипотеза безнадежно отпадает — в вакууме, в пустоте, где никакого промежуточного вещества нет, палочка притягивает клочки бумаги с такой же силой, как и в воздухе. А это значит…

А это значит, что, кроме реальности «вещество», к которому мы привыкали миллионы лет и прекрасно знаем все его свойства и повадки — массу, объем, геометрические формы, гравитационное притяжение, движение по инерции, плотность, температуру, — так вот, кроме вещества, кроме этой привычной реальности, есть еще совершенно иная, бестелесная, размазанная по пространству реальность, которой не заготовлено место в нашем сознании. Этой реальности, этой особой форме материи дано название «поле».

Поля бывают разные, разных, если можно так сказать, сортов. Вокруг электрического заряда существует электрическое поле, вокруг магнитов, с которыми мы начнем подробно знакомиться очень скоро, существуют магнитные поля, каждую массу — протон, яблоко, планету — окружает гравитационное поле. И именно через поля происходят все взаимодействия на расстоянии — взаимное притяжение масс, взаимодействие магнитов, притяжение или отталкивание электрических зарядов (Р-9; Р-10).

Р-9

Р-10

Т-26. В замкнутой электрической цепи можно создать непрерывный ток, упорядоченное движение свободных зарядов. Как только мы подключим к наэлектризованным палочкам (генератор) металлический проводник (нагрузку), в этом проводнике сразу же начнется упорядоченное движение свободных электронов. Слово «упорядоченное» в данном случае должно подчеркнуть, что речь идет не просто о движении электронов, а о том движении, которое возникает под действием внешних электрических сил, под действием электрических полей наэлектризованных палочек. Свободные электроны никогда не стоят на месте, они, как всегда, непрерывно совершают свои хаотические рывки в разные стороны, рывки тем более энергичные, чем выше температура проводника. Но под действием электрических сил электроны, кроме этих хаотических движений, непрерывно смещаются в одном определенном направлении, и именно это смещение, именно это упорядоченное движение в одну сторону как раз и называется электрическим током.

Нетрудно сообразить, куда будут двигаться свободные электроны в нашем проводнике — пластмассовая палочка своим отрицательным зарядом (—) будет отталкивать электроны (—), и они будут уходить от нее, стеклянная палочка своим положительным зарядом (+) будет тянуть к себе электроны (—), и они будут двигаться к ней. Таким образом поток электронов в проводнике будет направлен от того места, где их слишком много (—), к месту, где их не хватает (+). Короче — поток электронов будет двигаться от пластмассовой палочки к стеклянной, от «минуса» к «плюсу».

Но вот проходит некоторое время, и ток в проводнике прекращается. Избыточные, лишние электроны, которые как раз и создавали отрицательный заряд пластмассовой палочки, уйдут из нее в проводник, а из него свободные электроны в свою очередь уйдут в стеклянную палочку и займут пустовавшие там места — положительный заряд стекла появлялся именно из-за нехватки электронов. В итоге все атомы пластмассы, отдав лишние электроны, станут нейтральными, все положительные ионы стекла, получив недостающие электроны, станут нейтральными, и ток в проводнике прекратится. Произойдет это все практически мгновенно, и ток в нагрузке ничего наработать не успеет.

Можно придумать несколько типов электрических генераторов, которые, в отличие от наших палочек, могли бы длительное время поддерживать ток в нагрузке. В самом простом из них можно производить непрерывную электризацию двух дисков — стеклянного и пластмассового, прижав к ним для этого куски шерсти и шелка (Р-8;3).

Р-8; 3

Теперь, как только с пластмассового диска в проводниках начнут уходить избыточные электроны и отрицательный заряд диска начнет уменьшаться, прижатый кусок шерсти добавит в пластмассу еще какое-то количество электронов — в этом-то и состоит процесс электризации пластмассы, при натирании в нее попадают лишние электроны, выдираемые из атомов шерсти. Точно так же, когда из проводника начнут поступать электроны в стеклянный диск, прижатый к нему кусок шерсти будет эти электроны убирать — электризация стекла состоит именно в том, что при натирании из его атомов вырываются электроны и переходят на натирающий предмет, то есть на кусок шерсти (шелка). Казалось бы, что благодаря всему этому избыток и недостаток электронов на дисках генератора будет все время поддерживаться и в проводнике, подключенном к такому генератору, будет существовать непрерывный, непрекращающийся ток.

Но это только «казалось бы…». Между электрическими зарядами в наэлектризованных дисках, в шелке, в шерсти и свободными электронами, бегающими по проводнику, существуют довольно сложные отношения. Они приводят к странным на первый взгляд результатам, которые, однако, всегда объяснимы и справедливы. В электрической цепи неукоснительно действуют железные законы хозрасчета, и всякое событие происходит или не происходит в зависимости от соотношения многих разных сил, выступающих «за» или «против».

Мы подключили к нашему дисковому генератору металлический проводник-нагрузку, завращали диск, и по проводнику пошел ток. Однако, проникнув мысленным взором в проводник, мы увидим, что интенсивность упорядоченного движения электронов в нем постепенно снижается и через какое-то время тока уже вообще нет. Почему? А потому, что через некоторое время на куске шелка, собирающем электроны со стеклянного диска, скопилось так много этих электронов, что ни одной новой частицы шелк принять уже не может. Это легко понять — по мере накопления электронов на шелке, его отрицательный заряд (—) увеличивается и каждому новому электрону все труднее преодолеть отталкивающее действие этого заряда, выйти из стекла в шелковую тряпку. Точно так же, по мере выдирания электронов из куска шерсти, примыкающего к пластмассе, у этого куска будет все больший положительный заряд (+) и он со все возрастающей силой будет удерживать электроны (—), пытающиеся уйти в пластмассу.

Устранить эти неприятности и создать в проводнике-нагрузке непрерывный ток очень просто: соедините шерсть и шелк — тот кусок, что электризует стекло, и тот, что электризует пластмассу, — еще одним проводником. По этому проводнику «сверхнормативные» электроны будут переходить с куска шелка (—) на шерсть (+), а вместе с этим исчезнет препятствие для непрерывной электризации дисков и непрерывного движения зарядов по цепи. Теперь уже по замкнутой (Р-8).

Электрическая цепь с генератором, который мы до сих пор применяли, имеет ряд особенностей, и детально разобраться в том, что происходит в такой цепи, не очень просто. Трудности главным образом связаны с тем, что в генераторе использованы электроды из диэлектриков — стекла и пластмассы. (Электродами принято называть самые разные детали самых разных электрических машин и электронных приборов, в частности детали, к которым приходят или с которых уходят электрические заряды.) Нам, пожалуй, нет смысла тратить время для знакомства с данным типом генератора, а лучше перейти к генераторам, которые часто встречаются на практике.

Т-27. В аккумуляторах и гальванических элементах для электризации электродов используются химические реакции. Что требуется от генератора? Во-первых, требуется, чтобы на электродах генератора был избыток электрических зарядов — на одном электроде избыток отрицательных зарядов (такой электрод называют отрицательным или сокращенно «минусом»), на другом электроде — избыток положительных зарядов (это положительный электрод, «плюс»). Во-вторых, по мере того как свободные электроны будут уходить с «минуса» генератора в нагрузку и приходить с нагрузки на «плюс», нужно каким-то образом добавлять электроны в «минус» и убирать их из «плюса». Одним словом, нужно, чтобы в электродах генератора поддерживался избыток электрических зарядов.

Чтобы накопить на электродах генератора избыточные ионы и электроны, чтобы создать на электродах заметный суммарный заряд, нужно поработать. Первый же избыточный электрон (—); который вы втолкнете в отрицательный электрод, будет препятствовать вталкиванию следующего электрона (—): ничего не поделаешь, одноименные заряды отталкиваются. И первый же положительный ион (+), который после удаления электрона (—) появится в положительном электроде, будет препятствовать удалению следующих электронов (—): разноименные заряды, как всегда, притягиваются. Нет, конечно же, избыточные заряды на электродах генератора не появятся сами собой, чтобы накопить их, нужно затратить определенную энергию.

Это в принципе может быть энергия разных сортов (Р-11) — световая, тепловая, энергия атомных излучений, механическая работа. А еще энергия химических реакций (Р-11; Р-12).

Р-11

Р-12

Когда вы отпускаете тетиву лука, выпускаете из него стрелу, то лук, точнее, его только что натянутая тетива отдает свою энергию — распад системы на составные части (лук — стрела) сопровождается выделением энергии, ее уносит стрела. Когда в ведро с водой падает камешек, то появление новой системы (камешек — вода), объединение этих двух только что еще разных объектов, тоже сопровождается выделением энергии, в частности в виде слабого звука, всплеска воды.

Выделением энергии сопровождаются и химические превращения, распад молекул на части или объединение атомных комплексов в более крупные молекулярные системы. Энергия запасена в самой структуре химических веществ, подобно тому как она запасена в натянутой тетиве лука или в поднятом над водой камешке. Химические реакции в генераторе используют эти запасы энергии именно на то, чтобы непрерывно ввозить электроны в отрицательный электрод и вывозить их из положительного. То есть для того, чтобы накапливать электрические заряды на электродах.

Типичный химический генератор — это хорошо всем знакомый гальванический элемент (С-1; Р-12). Он получил свое название по имени итальянского естествоиспытателя Луиджи Гальвани, который около двухсот лет назад обнаружил взаимосвязь между химическими процессами и электрическим током. Устройство всех гальванических элементов одинаково — два электрода, вставленных в электролит, в жидкость, где как раз и происходят основные химические реакции, которые в итоге электризуют электроды. Различаются гальванические элементы самим веществом электродов и электролита и, следовательно, конкретным типом реакций.

В наиболее популярном марганцево-цинковом элементе в качестве отрицательного электрода, «минуса» (—), используется цинк (Zn), в качестве положительного, «плюса» (+) — порошкообразная двуокись марганца (МnО₂), а электролитом служит раствор хлористого аммония (NH₄Cl). Цинковый электрод (—) — это чаще всего стаканчик, в который спрятана вся «начинка» элемента. Двуокись марганца (+) смешана с графитом и соединена с внешним миром через угольный стержень, который часто по ошибке принимают за положительный электрод. Электролит входит в кашеобразную массу, которая соприкасается и с цинком (—), и с двуокисью марганца (+)

Процессы в гальваническом элементе в самом упрощенном виде можно описать так. В результате химических реакций между цинком и электролитом из отрицательного электрода уходят положительные ионы цинка (Zn + атом с двумя недостающими электронами; их отбирает атом хлора, который уходит из NH₄CL и соединяется с Zn), и в электроде остаются избыточные свободные электроны. Так на цинковом электроде образуется значительный отрицательный заряд «минус». Одновременно совсем другие положительные ионы (NH₄ — молекулярный блок с одним недостающим электроном), которые появляются в электролите из-за его самопроизвольного химического распада, отбирают свободные электроны из двуокиси марганца, и у нее появляется значительный положительный заряд, «плюс».

Когда гальванический элемент никуда не подключен, то на его электродах накапливается некоторое количество избыточных зарядов и после этого химические реакции в основном прекращаются. Потому что химическая реакция может вталкивать на электрод заряды лишь до тех пор, пока у нее хватит сил, чтобы преодолеть отталкивающее действие таких же зарядов, уже скопившихся на электроде. Но как только к химическому генератору будет подключена нагрузка и в цепи начнется ток, то есть в ней начнется движение электронов от цинка (—) к двуокиси марганца (+), то тут же химические реакции заработают, убирая с одного электрода положительные ионы, а с другого свободные электроны. Одновременно внутри генератора будут пополняться запасы «отбирателей», зарядов (Сl и NH₄), причем именно за счет химических реакций (распад NH₄Cl). «Отбиратели» будут двигаться каждый к «своему» электроду и соединяться каждый со «своим» зарядом (Сl — с ионом цинка, NH₄ — с электроном). И до тех пор, пока эти реакции будут идти, до тех пор, пока хватит химического сырья, наш генератор будет работать, будет происходить электризация электродов и они будут создавать ток во внешней цепи, в нагрузке.

А когда запасы сырья кончатся или появятся какие-либо другие помехи для химических реакций, то эти реакции прекратятся и генератор перестанет быть генератором. Важная характеристика химического источника тока — его емкость (Р-13; С-1), она говорит о том, как долго этот источник может создавать ток той или иной величины.

Р-13

Понять эту характеристику будет нетрудно после того, как мы познакомимся с единицами измерения тока (Т-30).

Если вы разберете негодный гальванический элемент, то увидите в нем частично разрушенный цинковый стакан — часть цинка уже израсходовалась, ушла в электролит в виде положительных ионов. Это одна из причин того, что элемент вышел из строя, разрядился. В этом отношении аккумуляторы выгодно отличаются от гальванических элементов — разрядившийся аккумулятор можно вновь зарядить, накачать его энергией от другого источника. При этом восстановится состав электродов и электролита, аккумулятор вновь сможет создавать ток в нагрузке (Р-12;6).

Р-12;6

Главная, пожалуй, характеристика химических источников тока, как, впрочем, и всех других электрических генераторов, говорит о том, насколько интенсивно на электродах происходит накопление избыточных зарядов. Чем больше силы, которые производят электризацию электродов (трение, химические реакции, тепло, свет), тем больше суммарный заряд, который на этих электродах накопится. Тем, следовательно, сильней будут выталкиваться свободные электроны с «минуса» в нагрузку, тем сильней они будут втягиваться из нагрузки в «плюс». И тем, значит, энергичней будет движение электронов в нагрузке, электрический ток.

Эта характеристика, этот показатель уровня электризации, называется электродвижущей силой генератора, и именно с нее мы начинаем знакомство с конкретными характеристиками электрической цепи.

Т-28. Электродвижущая сила (э.д.с.), ток и сопротивление — важнейшие характеристики электрической цепи. Важнейшие характеристики грузового автомобиля: грузоподъемность, размеры кузова, мощность двигателя, максимальная скорость, расход горючего, стоимость… Важнейшие характеристики водяной мельницы: высота подъема воды (высота, с которой вода падает на мельничное колесо); расход воды (количество воды, которое падает на колесо в единицу времени, например в секунду); скорость вращения жерновов; рабочая поверхность жерновов; трение в подшипниках водяного колеса, в подшипниках жерновов и другие потери энергии; производительность— количество зерна, перемалываемого в час…

Важнейшие характеристики электрической цепи (Р-14) — электродвижущая сила генератора, сила тока в цепи, сопротивление нагрузки, общее сопротивление цепи…

Р-14

В названиях двух первых характеристик встречается слово «сила», однако в обоих случаях оно скорее литературное украшение, чем точный физический термин. В физике «сила» — совершенно определенное, точное понятие, она может быть точно измерена, выражена точными цифрами. В повседневной речи слово «сила», хотя и имеет всегда один и тот же общий смысл, однако употребляется в самых разных конкретных значениях, часто не имеющих ничего общего с «силой», как ее понимают физики. Вспомните выражения — «сильный дождь», «знание — сила», «вооруженные силы», «сильный ученик». В названии «электродвижущая сила» слово «сила» тоже введено как бы для образа. Сама же электродвижущая сила — сокращенно э. д. с. — показывает совсем не силу, а работу, которую может выполнить генератор, перемещая заряды по электрической цепи.

Перечисляя важнейшие характеристики водяной мельницы, мы назвали высоту подъема воды. Это действительно важнейшая характеристика, она говорит о том, насколько работоспособна поднятая плотиной вода: чем с большей высоты падает вода на мельничное колесо, тем лучше она работает. Ясно, что получение полезной работы — главная цель сооружения мельничной плотины, подъема воды на высоту. А значит, вместо характеристики «высота подъема воды» вполне можно было бы ввести другую характеристику «вододвижущая сила» или, точнее, «работоспособность одного литра воды», которая сразу давала бы конечный результат, показывала бы, какую работу может выполнить каждый литр воды, падающий с плотины на мельничное колесо. Мы же не стали пользоваться этой удобной «работоспособностью» и выбрали «высоту подъема» только потому, что эта характеристика, по-видимому, более удобна для строителей мельничных плотин.

У любого электрического генератора одна задача — создавать ток в цепи, но о том, насколько успешно он готов справиться с этой задачей, могли бы рассказать разные характеристики генератора. Скажем, концентрация избыточных зарядов на его электродах: чем больше эта концентрация, тем энергичней заряды движутся по цепи; сила электрического поля, которое эти электроды создают; энергия, которую получает каждый единичный заряд— каждый электрон при его выталкивании из «минуса» и втягивании в «плюс». Или, что, по сути дела, то же самое, работа, которую каждый электрон может совершить, двигаясь по цепи. (Это очень похоже на работоспособность литра падающей воды.) Вот эта последняя характеристика и признана наиболее удобной, она очень точно показывает, насколько хорошо генератор может справляться с главными своими обязанностями: выполнять работу, двигая заряды по электрической цепи. И именно эта характеристика — работоспособность генератора, точнее работоспособность зарядов, которые он двигает по цепи, — и называется электродвижущей силой генератора или сокращенно э.д.с.

Теперь о токе.

Чтобы иметь точное представление о величине тока в каком-нибудь участке электрической цепи, этот участок мысленно перегораживают, устраивают в нем своего рода пограничный контрольный пункт. А затем подсчитывают, сколько свободных электронов или ионов проходит через эту воображаемую границу за единицу времени, скажем за секунду. И чем больше зарядов пройдет через «перегородку», тем, значит, интенсивнее движение зарядов, тем больше величина тока, больше (сильнее) ток. Чуть забегая вперед, отметим, что величина тока зависит от э.д.с. генератора — чем большую энергию может передать генератор свободным зарядам, тем быстрее они будут двигаться и тем большее количество зарядов включится в электрический ток. Тем сильнее этот ток.

Сопротивление, или, как еще говорят, электрическое сопротивление, — характеристика и всей цепи в целом, и отдельных ее участков. Сопротивление — итоговая характеристика, в которой учтено множество различных сложных процессов. Таких, например, как уход электронов с внешних орбит некоторых атомов, или собственные тепловые колебания атомов и молекул, или еще сложность атомов, из которых состоит вещество, наличие в этом веществе каких-либо примесей. Просуммировав все эти факторы, характеристика «сопротивление» говорит о том, насколько легко генератору создавать ток в данном участке электрической цепи. Даже не вдаваясь в подробности, можно представить себе, что ток создается тем легче, чем легче внешние электроны покидают атом и чем больше этой свободной рабочей силы блуждает в межатомном пространстве. И еще ток создается тем легче, чем меньше размеры атома и чем дальше атомы расположены один от другого — в этом случае электрону легче двигаться в межатомном пространстве.

Сопротивление, как говорит сам смысл этого слова, показывает, насколько данный участок цепи или вся цепь в целом сопротивляются созданию электрического тока. И чем меньше сопротивление какого-либо проводника, тем легче генератору создавать в нем ток, тем больше будет этот ток при прочих равных условиях.

Не кажется ли вам, что в нашем рассказе об электрической цепи слишком часто используются слова там, где должны быть цифры? Мы говорим «много», «мало», «сильный», «слабый», «больше», «меньше», вместо того, чтобы точно сказать, сколько, на сколько, во сколько раз. Слова помогают понять суть дела, понять, как говорится, качественную сторону. Это очень важно, но не всегда достаточно. Можно понимать всю важность щедрого приема гостей, но нельзя прийти в магазин и сказать: «Продайте мне, пожалуйста, много печенья и очень много конфет». Вместо этих слов нужно назвать точные цифры — 2 и 8 или 2 и 3 — и добавить к ним единицы измерения — «килограммов».

Если в своем путешествии в мир электротехники и электроники вы ставите перед собой практические задачи, скажем изучение конкретных электронных приборов, знакомство с конкретными электронными установками или даже самостоятельное изготовление некоторых из них, то вам необходимо сделать следующий шаг — от общих представлений об электрическом заряде, токе, э.д.с., сопротивлении перейти к их количественной оценке.

Т-29. Единица длины — метр, массы — килограмм, силы — ньютон, работы — джоуль, мощности — ватт. Если длину измерять в метрах, время в секундах, а скорость в километрах в час, то всякий раз, вычисляя скорость по известным пути и времени или путь по известным времени и скорости, придется производить утомительный пересчет, перевод километров в метры или часов в секунды. Особенно неудобны такие пересчеты, когда сталкиваются вместе в одной задаче много разных характеристик, например: мощность, сила, расстояние, скорость, время, работа, энергия.

Чтобы избежать лишних пересчетов, переводов одних единиц в другие (было время, когда приходилось переводить футы в метры, метры в мили, мили в сантиметры, сантиметры в дюймы, дюймы в аршины, аршины в морские мили, килограммометры в дюймофунты, дюймофунты в тонно-мили — запутаешься!), созданы системы единиц, в рамках каждой такой системы самые разные единицы связаны предельно простыми соотношениями.

Для практических целей чаще всего употребляется система СИ — система интернациональная, или иначе система МКСА — метр-килограмм-секунда-ампер (Р-15).

Р-15

Единица длины в этой системе метр. Его получили так: измерили длину меридиана, который проходит через Париж, разделили ее на 40 миллионов равных частей и объявили: «Отныне отрезок, равный одной сорокамиллионной парижского меридиана, будет служить единицей при измерении длины и называться метром». Конечно, метром пользоваться не всегда удобно — очень громоздкие цифры получаются, если измерять в метрах расстояние до Солнца или размеры атома. Поэтому было введено последовательное десятикратное уменьшение и увеличение метра в 10, 100, 1000 и большее число раз. Из метра легко были получены более мелкие единички с приставками: деци — десятая часть, санти — сотая часть, милли — тысячная и т. д. И более крупные единицы с приставками кило — в тысячу раз больше, мега — в миллион раз больше и т. д. Эти приставки позволяют легко получить единицы более крупные и более мелкие, в зависимости от того, что в данном случае удобней (С-2).

Единица длины помогла получить и единицу массы — килограмм — это масса литра обычной воды при температуре 4° Цельсия. А из единицы массы получилась и единица силы для системы СИ — это ньютон, сила, с которой притягивается к Земле масса в 102 грамма — (цифра эта появилась из соотношения: 1 килограмм∙силы = 9,8 ньютона; число 9,8 берет свое начало от земного ускорения 9,8 метр/секунда²).

Ньютон — единица непривычная, долгие годы единица силы, или, что более понятно, единица веса (вес — это есть сила, с которой данное тело притягивается к Земле), была крупнее и называлась так же, как и единица массы, — килограмм. Просто единицей веса выбрали вес литра воды и дали этой единице такое же название, какое было у единицы массы (исторически все, может быть, и было иначе, но по существу — именно так). Это очень неудобно: одинаково называть две совершенно разные единицы, определяя две совершенно разные характеристики. Приходилось каждый раз к слову «килограмм» давать пояснения, к чему он относится — к массе или к весу. Так и говорили: «килограмм массы» или «килограмм силы». В системе СИ такой путаницы быть не может, здесь для силы (веса) есть своя собственная единица. А если вам придется переводить килограммы веса в ньютоны, то нетрудно запомнить, что килограмм — это примерно 10 ньютонов, а ньютон — примерно 100 граммов веса.

Промелькнувшая чуть раньше единица времени секунда получена как 1/86637 часть суток, то есть времени одного оборота Земли вокруг своей оси. Разумеется, в наше время, когда секунды, метры, килограммы нужно отмерять с очень высокой точностью, пользуются и чрезвычайно точными эталонами времени, длины, массы и всех других физических величин. Эталоны эти часто берут из мира атомов, отсчитывая, например, время по очень стабильному «маятнику» — электромагнитным колебаниям, возникающим, в частности, при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Единица работы в системе СИ — джоуль. Это работа, которую производит сила в 1 ньютон на пути в 1 метр, то есть, например, работа, которую нужно выполнить, чтобы поднять на высоту в 1 метр полстакана воды (без учета веса стакана). Легко получается в системе СИ и единица мощности. Напомним, мощность — это работа, которая выполняется за единицу времени, например за секунду. Мощность — характеристика очень важная как для поставщиков, так и для потребителей энергии. Конечно, и общий объем работы очень важен, но иногда нужно еще знать, насколько интенсивно ведутся работы, сколько чего делается за определенное время, например за час или за секунду.

Когда мы говорим, что какой-то генератор может выполнить работу в 1 джоуль, то этого еще недостаточно, чтобы представить себе такой генератор. За сколько времени он наработает этот джоуль? Если за секунду — неплохо. Если за сотую долю секунды — еще лучше, это значит, что генератор работает энергичнее, быстрее выполняет данный объем работ. А если работа в 1 джоуль будет выполнена за месяц, то, значит, генератор работает чрезвычайно слабо, вяло.

То же самое и в отношении потребителей энергии. Если, например, известно, что в электрической лампочке ток выполняет работу в 1000 джоулей, то вы не сможете представить себе яркость лампочки, пока не узнаете, за сколько времени выполняется эта работа. Если за секунду — хорошо, такая лампочка светит очень ярко, ее эквивалент — тысяча свечей. Если работа в 1000 джоулей растянута на минуту, то лампочка светит достаточно тускло. Ну а если лампочка только за час выполняет работу в 1000 джоулей, превращая электрическую энергию в свет, то светит такая лампочка, скорее всего, как одинокий тлеющий уголек.

В системе СИ единица мощности — ватт. Это работа в 1 джоуль, выполненная за 1 секунду. Если генератор нарабатывает 1 джоуль за 2 секунды, то мощность этого генератора уже меньше — всего 0,5 ватта. А если работа в 1 джоуль выполняется за 0,1 секунды, то, значит, генератор работает энергичней, его мощность 10 ватт.

Как видите, большую группу важных единиц мы получили, начав с метра, с единицы длины. Другую группу мы сейчас получим, начав с единицы электрического заряда.

Т-30. Единица электрического заряда — кулон, величины тока — ампер, электродвижущей силы — вольт, сопротивления — ом. С метром дело было просто — отмерил меридиан, разделил на 40 миллионов, и метр готов. А где взять единицу электрических свойств, электрического заряда? Как практически получить такой единичный заряд? Или, по крайней мере, как его представить себе?

Единицу электрического заряда лучше всего взять в атоме. Там находятся частицы, у которых имеются самые маленькие порции электрических свойств, причем электрические свойства этих частиц, их электрический заряд, всегда одинаковы, всегда стабильны. Вы, конечно, вспомнили: это протон, частица с минимальным положительным зарядом, и электрон, частица с точно таким же по величине, но уже отрицательным зарядом (Т-17).

Заряд электрона (или, что количественно то же самое, заряд протона) — очень удобная единица заряда. Но очень маленькая. Пользоваться ею на практике было бы так же неудобно, как, скажем, измерять в миллиметрах расстояние между планетами. Поэтому единица заряда выбрана значительно более крупная — единицей признан электрический заряд, равный суммарному заряду 6 280 000 000 000 000 000 электронов (сокращенная запись — 6,28∙10¹⁸). Эта единица, вобравшая в себя около 6 миллиардов миллиардов зарядов электрона, получила название кулон.

Имея единицу заряда, легко ввести и другие недостающие нам электрические единицы. Единица силы тока (величины тока, тока) — ампер — получается так: если через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит суммарный электрический заряд в 1 кулон, то ток в таком проводнике равен 1 амперу. Теперь представим себе, что движение электронов проходит более вяло, и в результате за секунду через сечение проводника проходит уже не кулон, а полкулона, то есть не 6, а 3 миллиарда миллиардов электронов (или, что то же самое, 6 миллиардов миллиардов электронов проходит за 2 секунды). В этом случае ток в цепи — 0,5 ампера.

Здесь уместно вспомнить, что в некоторых проводниках под действием электрических сил движутся и создают ток не только свободные электроны, но еще и свободные положительные ионы (Р-6). Причем если электроны двигаются от выталкивающего их «минуса» к притягивающему их «плюсу», то положительные ионы идут в противоположном направлении: «плюс» их выталкивает, «минус», наоборот, притягивает. Как же в этом случае определяется величина тока? Какие учитываются заряды?

На первый взгляд может показаться, что в счет нужно принимать разность между положительными и отрицательными зарядами. Потому что одни идут туда, другие — обратно, и какое движение преобладает, то в итоге и создает ток.

Такая арифметика, однако же, несправедлива, а значит, и неверна. Потому что, независимо от того, в какую сторону идут заряды и какие это заряды — электроны или положительные ионы, — они всегда работают. И те и другие, к примеру, в процессе своего движения ударяют по атомам, вырабатывают тепло, свет. Поэтому, определяя ток в цепи, где движутся разные типы зарядов, нужно учитывать общее их количество, учитывать не разность, а сумму. Если по проводнику за 1 секунду в одну сторону прошло 6 миллиардов миллиардов электронов (1 кулон) и за то же время в другую сторону прошло столько же положительных однозарядных ионов (атомов с одним потерянным электроном, то есть одним лишним «плюсом»), то ток составляет 2 ампера. Потому что всего через поперечное сечение проводника за 1 секунду прошел заряд в 2 кулона.

Следующая на очереди — единица электродвижущей силы, вольт. Чтобы лучше понять, что она означает, можно в порядке шутки ввести аналогичную единицу, которая позволит оценить работоспособность мельничной плотины. Будем считать, что если литр воды, падая с этой плотины, может выполнять работу в 1 джоуль, то ее вододвижущая сила, то есть сокращенно ВДС плотины, составляет 1 мельник. А если тот же литр воды, падая вниз, наработает 5 джоулей, то ВДС плотины будет уже в 5 раз больше — 5 мельников. На эту характеристику, на ВДС, очень похожа наша электродвижущая сила — работа, которую может выполнить генератор, перемещая по цепи определенный электрический заряд (Т-28). Единица э.д. с: 1 вольт — это такая электродвижущая сила, при которой каждый кулон, пройдя по цепи, совершит работу в 1 джоуль.

У батарейки для карманного фонаря, например, э.д.с. — около 4 вольт, а значит, каждый кулон зарядов, которые эта батарейка протолкнет по цепи, может выполнить работу в 4 джоуля. Вспомните, что одного джоуля достаточно, чтобы поднять полстакана воды на метровую высоту. Но вот для тепловых работ 4 джоуля — величина очень небольшая: чтобы вскипятить полстакана воды, нужно 10–20 тысяч джоулей.

Единица сопротивления — ом — тоже произвольная величина. Сама характеристика «сопротивление» говорит о том, легко или трудно генератору создавать ток в данном проводнике (Т-8). Если под действием э.д.с. 1 вольт в проводнике идет ток в 1 ампер, то сопротивление такого проводника принимается за единицу сопротивления — 1 ом. Если при той же э.д.с. ток меньше, значит, сопротивление больше одного ома, если ток больше, значит, сопротивление меньше ома. Например, если при э.д.с. 1 вольт ток в проводнике 10 ампер, то значит, сопротивление проводника в десять раз меньше единичного, то есть составляет 0,1 ома. А если при э.д.с. 1 вольт ток всего 0,001 ампера, то сопротивление 1000 ом или в 1 килоом.

Все названные единицы имеют сокращенные обозначения: метр — м, килограмм — кг, секунда — с (иногда пишут сек), ньютон — Н, джоуль — Дж, ватт — Вт, кулон — К, вольт — В, ампер — А, ом — Ом.

Обратите внимание: названия единиц, которые произошли от собственных имен, при сокращении пишутся с большой буквы. Это дань уважения людям, чьи имена присвоены этим единицам измерения.

* * *

10. Единица электрического заряда — кулон. Это суммарный заряд 6 280 000 000 000 000 000 электронов или протонов (Т-30).

11. Величина тока (сила тока) говорит о том, насколько интенсивно движутся заряды. Единица тока — ампер: за секунду через «контрольный пункт» проходит кулон зарядов (Т-30).

Глава 4 Конституция электрической цепи

Т-31. Закон Ома: чем больше э. д. с, тем больше ток, чем больше сопротивление, тем меньше ток. То, о чем рассказано в этой главе, есть нечто очень важное, а может быть, даже самое важное на вашем пути в электронику. Вам сейчас предстоит познакомиться с основными законами электрических цепей, и прежде всего с законом Ома. Выучить и пересказать законы электрических цепей несложно. Но этого мало — вам нужно понять и прочувствовать все описанные этими законами взаимозависимости и взаимные влияния электрических величин. Вчитываясь в объяснения и всматриваясь в рисунки, вы должны при каждом удобном случае спрашивать себя: «А почему именно так?» — и отвечать себе на все эти «почему?» обстоятельно и точно. Если вы преодолеете эту главу, если поймете существо законов электрических цепей и привыкнете к ним, то можете смело считать, что путь в электронику для вас открыт.

Торжественные слова «закон Кулона», или «Третий закон Ньютона», или «закон Ома для участка цепи» мы часто воспринимаем так, будто бы Кулон, Ньютон и Ом придумали какие-то законы, которым теперь подчиняется природа и которые поэтому нужно учить и знать на экзаменах. В действительности же дело обстоит совсем не так. И вообще в выражении «закон природы» смысл слова «закон» не имеет ничего общего с его привычным, житейским смыслом.

Когда мы говорим «закон», то имеем в виду определенные правила, которые придумали сами люди для того, чтобы упростить и упорядочить какие-то свои отношения. Законы природы никто не придумывает, люди только записывают их под диктовку реальности. Законом природы принято называть подмеченную человеком некоторую общую, одинаковую черту в какой-то группе явлений, некоторые правила, которые действуют в природе только потому, что все в ней устроено именно так, а не иначе. Если бросать с высокой башни камень, медный подсвечник и кусок мыла, то эти разные предметы, падая на землю, будут постепенно ускорять свое движение, причем одинаково — каждую секунду их скорость будет увеличиваться на 9,8 м/с. Одинаковое ускорение всех падающих предметов может быть подтверждено в любых других подобных экспериментах, и именно такую одинаковость, разумеется, после того, как она замечена и точно описана, можно называть законом природы.

Закон Ома не относится к числу фундаментальных законов природы. Он рассказывает о довольно узком круге явлений в достаточно скромной системе — в электрической цепи. Рассказывает о том, как электрический ток в этой цепи зависит от действия генератора (э.д.с.) и от свойств самой цепи (сопротивление). Зависимости эти, утверждает закон Ома, очень просты: ток прямо пропорционален электродвижущей силе генератора и обратно пропорционален сопротивлению цепи (Р-16).

Р-16

То, что ток должен возрастать с увеличением э.д.с., в принципе понятно, и то, что он должен уменьшаться с ростом сопротивления, тоже не вызывает сомнений. Но заметьте, закон Ома не просто устанавливает характер зависимости, ее качественную сторону, не просто утверждает, что с ростом э.д.с. ток растет, а с ростом сопротивления уменьшается. Немецкий физик Георг Ом полтора столетия назад подметил и описал точную количественную связь между э.д.с., током и сопротивлением. Он подметил, что во сколько раз возрастает э.д.с., во столько же раз возрастает ток; во сколько раз возрастает сопротивление, во столько же раз ток уменьшается. Никаких общих соображений, точно и определенно — «во сколько раз… во столько же раз…». В этой точной количественной связи — главный смысл закона Ома и его важное практическое значение.

Т-32. Формулы — короткий и удобный способ записи влияния одних величин на другие. Все, о чем говорит закон Ома, можно записать в виде короткого алгебраического выражения, так называемой формулы. Для этого прежде всего введем условные обозначения — э.д.с. обозначим буквой Е, ток — буквой I и сопротивление буквой R. Краткая алгебраическая запись, формула закона Ома, приведена на рисунке Р-16;4.

Р-16;4

Из формулы видно, что ток I зависит от двух величин: от электродвижущей силы Е и сопротивления R. В этой зависимости Е находится в числителе дроби, и, значит, с увеличением Е ток I возрастает. Так записывается прямая зависимость тока I от э.д.с. Е. Величина R стоит в знаменателе, а значит, с увеличением R ток I уменьшается.

Как видите, зависимость, для записи которой словами понадобилась чуть ли не сотня букв, на языке математики записана всего тремя буквами.

Формула не только очень короткий, лаконичный способ записи различных зависимостей, но еще и удобный способ. Удобство его, во-первых, состоит в том, что, одним взглядом окинув формулу, часто можно сразу же почувствовать, какая величина от какой зависит. И как зависит. Если какая-либо величина в числителе, она работает на увеличение результата (как Е в формуле закона Ома), если в знаменателе, работает на уменьшение (как R в этой же формуле). Извинившись перед читателями, хорошо знающими алгебру, мы сейчас напомним некоторые типичные зависимости одних величин от других. Это микроотступление в математику очень пригодится нам в дальнейшем.

На рисунке Р-17 приведено несколько возможных зависимостей между тремя величинами, обозначенными буквами A, В и С.

Р-17

Зависимость 1 —точная копия закона Ома: А возрастает с увеличением В и падает с увеличением С. В зависимости 2 все наоборот: величина С уже старается увеличить величину А, а величина В старается ее уменьшить. Зависимость 3 говорит о том, что А совершенно одинаково зависит от В и С, причем с увеличением любой из них А тоже увеличивается. В зависимости 4 обе величины В и С тоже одинаково влияют на А, но, в отличие от предыдущего примера, обе они стоят в знаменателе, и поэтому с ростом В и С величина А уменьшается.

В формуле 5 величина А равна сумме В и С; увеличьте любую из них, и А возрастет, правда, не так резко, как в зависимости 3.

А вот в зависимость 6 величина С входит со знаком «минус», и чем она больше по абсолютной величине, тем меньше А.

Во все предыдущие формулы В и С входили в первой степени, в следующую формулу 7 одна из них входит во второй степени, в квадрате. Это значит, что А особо сильно зависит от В: увеличьте В в 2 раза, и А увеличится в 4 раза, увеличьте в в 10 раз, и А возрастет в 100 раз.

Зависимость 8 уже не квадратичная, а кубическая: В входит в нее в третьей степени и еще сильнее влияет на А: если В возрастает в 2 раза, то А увеличивается в 8 раз, если В растет в 10 раз, то А — в 1000 раз.

Зависимость 9 тоже квадратичная, но В находится в знаменателе и со всей своей силой старается уменьшить А.

В формуле 10 влияние величины, попавшей под знак корня, резко уменьшается: величина В влияет на А значительно слабее, чем в формуле 3: если увеличить В в 4 раза, то в зависимости 3 величина А возрастет в те же 4 раза, в зависимости 10 — всего в 2 раза.

Мы лишь несколькими словами коснулись нескольких простейших математических зависимостей. Но даже наши простейшие примеры демонстрируют одно из удобств математического языка, показывают, как много важной информации можно легко и быстро извлечь из записей, сделанных в виде формул.

Другое удобство математического языка заключается в том, что, используя известные способы преобразования алгебраических выражений, можно из одной зависимости получить другую, в каком-то отношении более удобную. Причем делается это быстро и, можно сказать, просто, механически, без рассуждений о том, какие конкретные величины обозначены той или иной буквой. И во всех случаях, если делать преобразования правильно и исходная формула верна, новая формула тоже будет правильной.

Разные способы преобразования математических зависимостей глубоко и в большом объеме в течение нескольких лет изучаются в школе, в курсе алгебры. Мы же приведем одно простое правило, которое в некоторых случаях может оказаться полезным для того, чтобы преобразовать какую-нибудь формулу и получить из нее другую, более удобную. Правило это можно изложить так: «Если из формулы, которая показывает, как величина а зависит от величины b, с, d, е и так далее, вам нужно получить другую формулу, которая показывала бы, как от всех этих величин зависит, например, величина Ь, то нужно одновременно с обеими частями формулы производить любые полезные, по вашему мнению, операции до тех пор, пока величина b не будет отделена от всех других величин и не останется в одиночестве». Слова «одновременно с обеими частями формулы» выделены потому, что это важнейшее условие, нарушение которого может привести к совершенно неверному результату.

Т-33. Из закона Ома можно получить две удобные расчетные формулы: для вычисления э.д.с. и сопротивления цепи. На Р-17;11 приведены примеры применения нашего «самодельного» правила для преобразования формул. Пользуясь этим же правилом, можно из формулы закона Ома (Р-16. Р-17;12) получить две новые формулы (Р-17;13 и Р-17;14). Первая получается, если в формуле закона Ома обе части умножить на R, вторая— если обе части одновременно умножить на R и разделить на I. Обе эти формулы получены нами с помощью математических фокусов и физического смысла не имеют, их нельзя читать так, как первую, основную формулу закона Ома: «Ток в цепи зависит от…» и так далее. Действительно, было смешно прочитать вторую формулу так: «Электродвижущая сила зависит от сопротивления цепи…» Электродвижущая сила — это есть характеристика генератора, и от сопротивления цепи она никак не зависит. Но несмотря на все это, полученные нами из закона Ома две новые формулы очень полезны. Это расчетные формулы, которые позволяют при необходимости подсчитать неизвестную э.д.с. Е по известным I и R или подсчитать неизвестное сопротивление R по известным Е и I.

Т-34. Принципиальная схема — чертеж, на котором условными обозначениями показаны элементы электрической цепи и их соединения. До сих пор мы считали, что электрическая цепь состоит всего из двух элементов — из генератора и нагрузки. Но чаще всего такого не бывает. Хотя бы потому, что нагрузка несколько удалена от генератора и в цепи появляется еще один элемент — соединительные провода. По этим проводам электроны идут на работу и с работы (Р-18) и, естественно, теряют в проводах некоторую часть своей энергии. Иными словами, соединительные провода обладают некоторым сопротивлением, которое входит в общее сопротивление цепи и которое иногда необходимо учитывать.

Р-18

Кроме того, некоторым сопротивлением обладает и сам генератор: внутри генератора, между его электродами, тоже идет ток, тоже движутся заряды. Они, как обычно, сталкиваются с атомами среды и, как обычно, теряют какую-то часть энергии. Так что если рисовать полную схему даже самой простой цепи, то в нее нужно включить несколько новых элементов, в которых отражалось бы сопротивление проводов и внутреннее сопротивление генератора.

Можно нарисовать упрощенный чертеж электрической цепи, не вдаваясь в то, как устроен тот или иной элемент, а лишь показав условными знаками, что есть в цепи такие-то элементы и соединены они таким-то образом. Такой чертеж называется принципиальной схемой. Условные обозначения, принятые при составлении принципиальных схем, показаны на К-3 и К-4. Элемент, обладающий электрическим сопротивлением, независимо от того, что это за элемент (лампочка, электроплитка, кусок провода), в некоторых случаях на принципиальной схеме изображают в виде небольшого прямоугольника и обозначают латинской буквой R (от слова resistans — сопротивление). Этим как бы хотят сказать: «В данном случае для нас важно, что этот элемент оказывает сопротивление току. И ничего больше». В схеме простейшей электрической цепи Р-18 должно быть пять таких элементов: R_a— элемент, отображающий нагрузку, R_пр1, R_пр2 и R_пр3 — сопротивление кусков провода, R_внутр — внутреннее сопротивление генератора. Если почему-либо сопротивление проводов учитывать не нужно, то элементы R_пр не рисуют (Р-18;3).

Но во всех случаях прямые линии, соединяющие на схеме один элемент с другим, принято считать идеальными проводниками, не имеющими никакого сопротивления.

Р-18;3

Т-35. Резистор — элемент электрической цепи, основное назначение которого оказывать сопротивление току. Представьте себе такую ситуацию: нужно уменьшить ток в цепи, а генератор при этом трогать нельзя. Что делать? Решение подсказывает закон Ома: нужно увеличить сопротивление цепи, ввести в нее дополнительный трудный участок. Есть детали, основное назначение которых именно в том, чтобы оказывать сопротивление току, они называются резисторами. Сопротивление таких деталей строго дозировано, и почти всегда прямо на самой детали написано, чему оно равно.

Резисторы делятся на две большие группы — проволочные и непроволочные (К-3;1,2). Чем длиннее и чем тоньше провод, которым намотан резистор, тем больше его сопротивление (Р-19).

Р-19

А еще сопротивление зависит от так называемого удельного сопротивления (сопротивление куска провода длиной 1 м и диаметром 1 мм или сопротивление кубика с ребром 1 см), которое характеризует свойство материала (С-3). ...