РАДІОЛЮБНИК, №6, 1924 рік
Бесіда VII. Ланцюг постійного струму
Пора братися за катодну лампу. Для того, щоб вміти з нею поводитися і зрозуміти її дію, нам необхідно отримати деякі попередні відомості. Для живлення катодних ламп використовують електричні елементи або акумулятори.
Ланцюг постійного струму
Електричний елемент є одним із найпростіших джерел постійного струму. На рис. 1 (ліворуч) зображено найпростіший елемент: дві пластинки цинкова (a) і мідна (b) занурені в посудину, наповнену розведеною сірчаною кислотою.
Мал. 1. Ліворуч - електричний елемент. Справа - амперметр вимірює струм в ланцюзі елемента. Внизу - схеми того ж
Завдяки хімічним явищам, що відбуваються в такому елементі, в ньому розвивається особливаелектрорушійна сила, яка підтримує в цинковій пластинці (a) деякий надлишок електронів, а в мідній — певний недолік. називаєтьсянегативним полюсомелемента, а мідна -позитивним полюсом. Внизу, ліворуч на рис. 1 показано, як умовно зображується елемент на схематичних кресленнях: товста, коротка риса означає негативний полюс елемента, а тонка і довга - позитивний полюс.
Якщо приєднаємо до полюсів кінці дроту, то в ньому виникне електричний струм: гнані електрорушійною силою електрони потечуть по дроту від негативного полюса (a) до позитивного (b). Але електрорушійна сила елемента безперервно перекачує електрони, що прийшли по дроту до плюсу (b) через рідину, назад до полюса (a). Тому рух струму буде безперервним: електрони здійснюють кругообіг, від (a) по дроту до (b), а звідси через рідинуназад до (a1)).
Рух електронів по дроту багато в чому нагадує перебіг води трубою. Чи багато води може пропустити через себе така труба, чи іншими словами: від чого залежить кількість води, яка за секунду протікає через переріз такої труби? Зрозуміло, що це залежить: по-перше, від того напору (сили), який жене воду, по-друге, — від самої труби: так, наприклад, через вузьку або засмічену трубу протікатиме менше води, ніж через широку.
Подібне питання можна поставити і щодо ел. струму: чи багато електронів за кожну секунду протікатиме через перетин дроту? Як і у випадку води, це залежить від двох причин:
По-перше: від електрорушійної сили елемента, яка прикладена до кінців дроту (або, як інакше кажуть, віднапругиаборізниці потенціалів), прикладеної до проводу2): чим вона більша — тим більше електронів вона переганятиме кожну секунду.
По-друге, від самого дроту, від йогоопіру. Різні дроти чинять різний опір проходженню електр. струму. При тому самому елементі через товстий провід потече більше електронів, ніж через тонкий, тому що опір останнього більше першого. Зі збільшенням довжини дроту збільшується та його опір. Опір дроту залежить від його матеріалу. Найкращим провідником є срібло та мідь.
Кількість електронів, яке в 1 секунду протікає через поперечний переріз дроту, називається, як ми вже знаємо, силою струму . Отже, сила струму, що тече по дроту, залежить від 1) прикладеного до дроту напруги (електрорух. сили) і 2) від опору дроту.
Існують прилади -амперметри, за допомогою яких можна вимірятисилу струму у дроті. Подібно до того, як довжина вимірюється в метрах або аршинах, вага вимірюється в фунтах або кілограмах, так і сила струму вимірюється у відповідних одиницях - вамперах. Якщо через перетин провідника кожну секунду протікає 6 мільярдів мільярдів (тобто шість із вісімнадцятьма нулями) електронів, то кажуть, що сила струму у проводі дорівнює 1 амперу.
Шлях, яким рухається електричний струм, називаєтьсяланцюгомелектричного струму. Рис 1 (праворуч) зображує ланцюг, що складається з елемента, ел. лампочки R і амперметра А. Електрорушійна сила елемента жене струм, який від негативного полюсаaпроходить через тонку нитку лампочки R, звідси через амперметр до позитивного полюса (b) . При протіканні струму через амперметр його стрілка відхиляється і зупиняється на деякій цифрі, яка і вказує нам, якої сили струм проходить по нашому ланцюзі.
Мал. 2. Послідовне включення двох опорів
Обірвемо десь проводи нашого ланцюга (розімкнемо ланцюг); побачимо при цьому, що стрілка амперметра повернеться у своє нормальне становище: струм у ланцюзі нашому припинився. Отже,постійний струм може існувати тільки в замкнутому ланцюзі.
Послідовне та паралельне з'єднання опорів
Звернемося тепер до мал. 2a. Тут у ланцюг елемента включені 2 лампи R1 і R2послідовно(одна за одною). Якби ми такий ланцюг склали, ми побачили б, що стрілка амперметра відхилилася слабше, ніж у разі рис. 1; амперметр показав би, що з двох послідовно включених лампах струм у ланцюга слабше, ніж у разі рис. 1. Пояснюється це тим, що нитка кожної лампи має деякий опір; дві однакові лампи, з'єднані послідовно, надаютьопір проходженню струму вдвічі більший, ніж одна лампа. А ми знаємо, що зі збільшенням опору зменшується сила струму.
Мал. 3. Паралельне включення двох опорів
На рис. 3 ми маємо в ланцюзі 2 лампи R1 та R2, з'єднані паралельно один одному. На відміну від попереднього випадку, де той самий струм послідовно протікав через нитки обох ламп, - тут струм, що йде від негативного полюса по сполучному провідникуac, розгалужується в точціc; далі він йде 2-а "ручками", з яких один проходить по верхній гілки через лампу R1 і амперметр А1; а інший через лампу R2; у точціdобидва "ручки" знову зливаються і через амперметр повертаються до позитивного полюса. Амперметр А1 вимірює струм, що проходить через лампу R1, а амперметр А2 - загальний струм, що дається елементом, що дорівнює сумі струмів обох гілок. Кожна з ламп бере від елемента такий самий струм, як і у випадку рис.1. (якщо тільки напруга елемента та опір кожної лампи взяті такими ж, як у зазначеному випадку), тому загальний струм (показ амперметра А2), що дається елементом, вдвічі більший, ніж у випадку рис. 1.
Припаралельномуз'єднанні кількох опорів загальний опір ланцюга зменшується і отже струм збільшується.
На схематичних кресленнях опір зображується зигзагоподібною лінією (див. схеми на рис. 1, 2, 3).
Хоча з'єднувальні дроти і амперметри теж мають деякий опір, але в наших випадках воно настільки мало, що ми вважаємо весь опір ланцюга приєднаного до елемента, зосередженим в R. Опір вимірюється в особливих одиницях -омах.
З'єднання кількох елементів називаєтьсябатареєю. На рис. 4 ми маємо батарею з 3 елементів, з'єднанихпослідовно, тобто. так, що позитивний полюс одного елемента приєднано до негативного полюса наступного елемента. При такому поєднанні кількох елементів їх електрорушійні сили складаються і загальна ел. дв. сила батареї дорівнює їх сумі. А оскільки зі збільшенням ел. дв. сили (напруги) збільшується сила струму в ланцюзі, то ясно, що у разі рис. 4 через ту ж лампу піде більший струм, ніж у разі рис. 1.
Мал. 4. Батарея з трьох послідовно з'єднаних елементів. Вольтметр вимірює напругу батареї
Електрорушійна сила (напруга) вимірюється в спеціальних одиницях - ввольтах. Електрорушійна сила одного елемента зазвичай дорівнює 1-2 вольтам (залежно від типу). Для вимірювання електрорушійної сили (напруги) служить вимірювальний прилад, званий вольтметром. На рис. 4. вольтметр V вимірює напругу батареї. Зверніть увагу, що вольтметр включається не так, як амперметр. Останній треба "врубати" у ланцюг, включити його послідовно з ланцюгом так, щоб струм ланцюга проходив через нього; вольтметр же приєднуєтьсяпаралельнодо того ланцюга, напруга на кінцях якого бажано виміряти. Приєднуючи до цих кінців затискачі вольтметра, ми вимірюємо, яка напруга додана до них.
Мал. 5. Схема батареї з багатьох послідовно з'єднаних елементів.
На рис. 6 дана батарея, що складається з 3-х елементів з'єднанихпаралельно. При такому з'єднанні загальна електрорушійна сила батареї залишається такою самою, як і в одного елемента. Але така батарея може нешкідливо собі давати значний струм.
Мал. 6. Паралельне з'єднання елементів
На рис. 4 і 6 (внизу) показано, як схематично зображується послідів. та паралельне з'єднанняелементів. Мал. 5 схематично зображує батарею багатьох послідовно з'єднаних елементів.
Електричний струм, проходячи крізь провідник, нагріває його. При цьому струмі більше тепла виділяється в тій ділянці ланцюга, який має великий опір. При досить великій силі струму нитка лампи розжарюється струмом до свічення, тоді як з'єднувальні провідники, що мають невеликий опір, нагріваються майже непомітно.
1)Не можна безпосередньо(без включення проміжного опору, напр., лампи)з'єднувати провідником між собою полюси елемента або батареї: через незначний опір такого ланцюга хлине настільки великий струм, що елемент може зіпсуватися (коротке замикання).
2)Не можна приєднувати затискачі нитки лампи до батареї, що дає велику (високу) напругу: занадто велика напруга пожене через нитку струм настільки сильний, що він можеперепалити нитку лампи.
3) Зазвичай у приймачах для розжарення катодної лампи потрібен струм силою приблизно 0,4-0,8 ампера. При тому опорі, яким володіє нитка лампи, такий струм може бути отриманий від батареї 4-6 вольт. Для встановлення потрібної нам сили струму (ступеня напруження нитки) послідовно з ниткою включаютьреостат- прилад, опір якого можна змінювати. Зазвичай він складається з голого дроту, що має великий опір (напр., з манганіну, нікеліну та ін); за допомогою двигуна (або контактного перемикача) можна включати в ланцюг ту чи іншу частину всього дроту і таким чином встановити в ланцюзі той чи інший опір. При включенні катодної лампи спочатку встановлюють движок так, що в ланцюг виявляється включеною вся довжина дроту реостата (усе його опір). Потім пересуванням движкапоступово зменшують опір ланцюга (виводять опір реостата) до тих пір, поки сила струму, що поступово збільшується при цьому, не досягне такої величини при якій нитка отримує необхідне напруження.
4) Для живлення ланцюга анода катодної лампи (див. стор 92) необхідна ще батарея напругою приблизно 80 вольт. Випадковий дотик затискачів нитки до полюсів цієї батареї може бути смертельним для лампи (нитка перегорить). Втім, щоб уникнути такої випадковості, ніжки біля лампи розташовані несиметрично, що лампа може бути вставлена в гнізда тільки в одному певному положенні, при якому неможливий дотик нитки до батареї високої напруги.
5) Для живлення нитки розжарювання застосовують зазвичай замість гальванічних елементів акумулятори.
Найпростіший акумулятор складається з двох свинцевих пластин, занурених у розведену сірчану кислоту. На відміну від елемента, акумулятор вимагає попередньої зарядки; щоб давати струм, необхідно попередньо протягом деякого часу пропускати через нього струм від стороннього джерела постійного струму (напр., від динамо-машини). Після кількох годин роботи він потребує нової зарядки. Акумулятори дорогі і незручні, тому для любителя величезну перевагу становлять "темні" лампи ("мікро"), при роботі з якими можна обійтися з елементами.
1) У більшості старих підручників під "напрямком" струму розуміють напрям, зворотний руху електронів. Ми ж вважаємо за напрямок струму той напрямок, у якому рухаються електрони. Сутність справи від цього змінюється.
2) Між поняттям "електрорушійна сила" та "напруга" існує різниця, на розгляд якої ми зараз вдаватися не будемо.