Рубрика: Техника

Для воздуха ε=1
Для сухой бумаги ε=2
Для фарфора ε=4,5
Для конденсаторной керамики ε=10…200

 

 

Два закона Кирхгофа вместе с законом Ома составляют тройку законов, с помощью которых можно определить параметры электрической цепи любой сложности.

Первый закон Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа говорит, что сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю. Существует и другая, аналогичная по смыслу формулировка: сумма значений токов, входящих в узел, равна сумме значений токов, выходящих из узла.

Давайте разберем сказанное более подробно. Узлом называют место соединения трех и более проводников.

Ток, который втекает в узел, обозначается стрелкой, направленной в сторону узла, а выходящий из узла ток – стрелкой, направленной в сторону от узла.

Согласно первому закону Кирхгофа

Условно присвоили знак «+» всем входящим токам, а «-» ‑ все выходящим. Хотя это не принципиально.

1 закон Кирхгофа согласуется с законом сохранения энергии, поскольку электрические заряды не могут накапливаться в узлах, поэтому, поступающие к узлу заряды покидают его.

Убедиться в справедливости 1-го закона Кирхгофа нам поможет простая схема, состоящая из источника питания, напряжением 3 В (две последовательно соединенные батарейки по 1,5 В), три резистора разного номинала: 1 кОм, 2 кОм, 3,2 кОм (можно применять резисторы любых других номиналов). Токи будем измерять мультиметром в местах, обозначенных амперметром.

Если сложить показания трех амперметров с учетом знаков, то, согласно первому закону Кирхгофа, мы должны получить ноль:

I₁ – I₂ – I₃ = 0.

Или показания первого амперметра А1 будет равняться сумме показаний второго А2 и третьего А3 амперметров.

Второй закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа воспринимается начинающими радиолюбителями гораздо сложнее, нежели первый. Однако сейчас вы убедитесь, что он достаточно прост и понятен, если объяснять его нормальными словами, а не заумными терминами.

Упрощенно 2 закон Кирхгофа говорит: сумма ЭДС в замкнутом контуре равна сумме падений напряжений

ΣE = ΣIR

Самый простой случай данного закона разберем на примере батарейки 1,5 В и одного резистора.

Поскольку резистор всего один и одна батарейка, то ЭДС батарейки 1,5 В будет равна падению напряжения на резисторе.

Если мы возьмем два резистора одинакового номинала и подключим к батарейке, то 1,5 В распределятся поровну на резисторах, то есть по 0,75 В.

Если возьмем три резистора снова одинакового номинала, например по 1 кОм, то падение напряжения на них будет по 0,5 В.

Формулой это будет записано следующим образом:

Рассмотрим условно более сложный пример. Добавим в последнюю схему еще один источник питания E2, напряжением 4,5 В.

Обратите внимание, что оба источника соединены последовательно и согласно, то есть плюс одной батарейки соединяется с минусом другой батарейки или наоборот. При таком способе соединения гальванических элементов их электродвижущие силы складываются: E1 + E2 = 1,5 + 4,5 = 6 В, а падение напряжения на каждом сопротивлении составляет по 2 В. Формулой это описывается так:

И последний отличительный вариант, который мы рассмотрим в данной статье, предполагает последовательное встречное соединение гальванических элементов. При таком соединении источников питания из большей ЭДС отнимается значение меньшей ЭДС. Следовательно к резисторам R1…R3 будет приложена разница E1 – E2, то есть 4,5 – 1,5 = 3 В, – по одному вольту на каждый резистор.

Второй закон Кирхгофа работает не зависимо от количества источников питания и нагрузок, а также независимо от места их расположения в контуре схемы. Полезно будет собрать рассмотренные схемы и выполнить соответствующие измерения с помощью мультиметра.

Законы Кирхгофа действуют как для постоянного, так и для переменного тока.

Основное назначение резисторов – ограничивать величину тока и напряжения в электрической цепи с целью обеспечения нормального режима работы остальных электронных компонентов электрической схемы, таких как транзисторы, диоды, светодиоды, микросхемы и т.п.

Главнейшим параметром любого резистора является сопротивление. Именно благодаря наличию сопротивления электронам становится сложнее перемещаться по электрической цепи, в результате чего снижается величина тока. Ввиду этого, сопротивление выполняет не только положительную роль – ограничивает ток, протекающий через другие радиоэлектронные элементы, но также является и паразитным явлением – снижает коэффициент полезного действия всего устройства. К паразитным относятся сопротивления проводов, различных соединений, разъемов и т.п. и его стремятся снизить.

Постоянные резисторы

Постоянные резисторы могут иметь различное конструктивное исполнение, в основном отличающееся внешним видом и размерами. Характерной особенностью постоянных резисторов является постоянное значение сопротивления, которое не предусматривается изменять в процессе эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры.

Подстроечные резисторы

Подстроечные резисторы применяются для тонкой настройки отдельных узлов радиоэлектронной аппаратуры на этапе ее окончательной регулировки перед выдачей в эксплуатацию. Чаще всего подстроечные резисторы не имеют специальной регулировочной рукоятки, а изменение сопротивления выполняется с помощью отвертки, что предотвращает самопроизвольное изменение положения регулировочного узла, а соответственно и сопротивления.

Переменные резисторы

Переменные резисторы применяются для изменения электрических параметров в схеме устройства непосредственно в процессе работы, например для изменения яркости света светодиодных ламп или громкости звука приемника. Часто, вместо «переменный резистор» говорят потенциометр или реостат.

Также к переменным резисторам относятся радиоэлементы, имеющие всего два вывода, а сопротивление их изменяется в зависимости от освещенности или температуры, например фоторезисторы или терморезисторы.
Потенциометры применяются для изменения величины силы тока или напряжения. Регулируемый параметр зависит от схемы включения.

Если переменный либо подстроечный резистор используется в качестве регулятора тока, но его называют реостатом.

Ниже приведены две схемы, в которых реостат применяется для регулировки величины тока, протекающего через светодиод VD. В конечном итоге изменяется яркость свечения светодиода.

Обратите внимание, в первой цепи задействованы все три вывода реостата, а во второй – только два – средний (регулирующий) и один крайний. Обе схемы полностью работоспособны и выполняют возлагаемые на них функции. Однако вторую цепь применять менее предпочтительно, поскольку свободный вывод реостата, как антенна, может «поймать» различные электромагнитные излучения, что повлечет за собой изменение параметров электрической цепи. Особенно не рекомендуется применять такую электрическую цепь в усилительных каскадах, где даже незначительная электромагнитная наводка приведет к непредсказуемой работе аппаратуры. Поэтому берем за основу первую схему.

Изменять величину напряжения потенциометром можно по такой схеме: параллельно источнику питания подключается два крайних вывода; между одним крайним и средним выводами можно плавно регулировать напряжение от 0 до напряжения источника питания. В данном случае, от нуля до 12 В. Потенциометр служит делителем напряжения, которому далее будет уделено внимание более подробно .

Условное графическое обозначение (УГО) резисторов

На чертежах электрических схем в независимости от внешнего вида резистора его обозначают прямоугольником. Прямоугольник подписывается латинской буквой R с цифрой, обозначающей порядковый номер данного элемента на чертеже. Ниже указывается номинальное значение сопротивления.

Мощность рассеивания резистора

Резистор, как и любой другой элемент, обладающий активным сопротивлением, подвержен нагреву при протекании через него тока. Природа нагрева заключается в том, что при движении электроны встречают на своем пути препятствия и ударяются об них. В результате столкновений кинетическая энергия электрона передается препятствиям, что вызывает нагрев последних. Аналогично нагревается гвоздь, когда по нему долго бьют молотком.

Мощность рассеивания нормируемый параметр для любого резистора и если ее не выдерживать, то он перегреется и сгорит.

Мощность рассеивания P линейно зависит от сопротивления R и в квадрате от тока I

P=I²R

Значение допустимой P показывает, какую мощность способен рассеять резистор не перегреваясь выше допустимой температуры в течение длительного времени.

Как правило, чем выше P, тем большие размеры имеет резистор, чтобы отвести и рассеять больше тепла.

На чертежах электрических схем этот параметр наносится в виде определенных меток.

Классы точности и номиналы резисторов

Ни один радиоэлектронный элемент невозможно выполнить со сто процентным соблюдением требуемых характеристик, так как точность связана с рядом параметров и технологических процессов, которым присуща погрешность, в основном связана с точностью производственного оборудования. Поэтому любая деталь или отдельный элемент имеют отклонение от заданных размеров или характеристик. Причем, чем меньший разброс характеристик, тем точнее производственное оборудование и выше конечная стоимость изделия. Поэтому далеко не всегда оправдано применение изделий с минимальными отклонениями характеристик. В связи с этим введены классы точности. В радиолюбительской практике наибольшее применение находят резисторы трех классов точности: I, II и III. Последним временем резисторы второго и третьего классов точности встречаются довольно редко, но мы их рассмотрим в качестве примера.

К I-му классу относится допуск отклонения сопротивления от номинального значения ±5%, II –му – ±10%, III –му – ±20%. Например, при номинальном значении сопротивления 100 Ом резистора I класса, допустимое отклонение может находиться в диапазоне 95…105 Ом; для II-го – 90…110 Ом; для III -го – 80…120 Ом.
Резисторы более высокого класса точности, с допуском 1% и менее, относятся к прецизионным. Они имеют более высокую стоимость, поэтому их применение оправдано только в измерительной и высокоточной технике.

Все стандартные значения сопротивлений I…III классов точности приведены выше в таблице, значения из которой могут умножаться на 0,1; 1, 10, 100, 1000 и т.д. Например, резисторы I-го класса изготавливаются со значениями 1,3; 13; 130; 1300; 13000; 130000 Ом и т.п.

В зависимости от класса точности, номинальные значения выпускаемых промышленностью резисторов строго стандартизированы. Например, если потребуется сопротивление 17 Ом I-го класса, то вы его не найдете, поскольку данный номинал не изготавливается в соответствующем классе точности. Вместо него следует выбрать ближайший номинал – 16 Ом или 18 Ом.

Маркировка резисторов

Маркировка резисторов служит для визуального восприятия ряда параметров, характерных для данных электронных элементов. Среди прочих параметров следует выделить три основных: номинальное значение сопротивления, класс точности и мощность рассеивания. Именно на эти параметры в первую очередь обращают внимание при выборе рассматриваемых радиоэлементов.

На протяжении долгих лет существовало много типов маркировки, однако постепенно, по мере развития технологических процессов, пару типов маркировки вытеснили все остальные.

На корпусах советских резисторов, которые все еще широко используются, наносится маркировка в виде цифр и букв. Латинские буквы «E» и «R», стоящие рядом с цифрами или только цифры, обозначают сопротивление в омах, например 21; 21E, 21R – 21 Ом. Буквы «k» и «M» означают соответственно килоомы и мегаомы. Например, если буква стоит перед цифрами или посреди них, то она одновременно служит десятичной точкой: 68к – 68 кОм; 6к8 – 6,8 кОм; к68 – 0,68 кОм.

Цветовая маркировка резисторов

Для большинства радиоэлектронных элементов сейчас применяется цветовая маркировка. Такой подход является вполне рациональный, поскольку цветные метки проще рассмотреть, чем цифры и буквы, поэтому хорошо распознаются даже на самых мелких корпусах.

Цветная маркировка резисторов наносится на корпус в виде четырех или пяти цветных колец или полос. В первом случае (4 полосы) первые две полосы обозначают мантису, а во втором (5 полос) – мантису обозначают три полосы. Третье или соответственно 4-е кольцо указывают множитель. Четвертое или пятое – допустимое отклонение в процентах от номинального сопротивления.

По моему мнению и личному опыту, гораздо удобней, проще и практичней измерять сопротивление мультиметром. Здесь наименьшая вероятность допустить ошибку, поскольку цвета колец не всегда четко различимы. Например, красный цвет можно принять за оранжевый и наоборот. Однако, выполняя измерения, следует избегать касания пальцами щупов мультиметра и выводов резистора. В противном случае тело человека зашунтирует резистор, и результаты измерений будут заниженные.

Маркировка SMD резисторов

Характерной особенностью SMD резисторов по сравнению с выводными аналогами являются минимальные габариты при сохранении необходимых характеристик.

В SMD компонентах отсутствуют гибкие выводы, вместо них имеются контактные площадки, посредством которых производится пайка SMD детали на аналогичные поверхности, предусмотренные на печатной плате. По этой причине SMD компоненты называют компонентами для поверхностного монтажа.

Благодаря смене традиционного корпуса на SMD упростился процесс автоматизации изготовления печатных плат, что позволило значительно снизить затраты время на изготовление электронного изделия, его массы и габаритов.

Маркировка SMD резисторов чаще всего состоит из трех цифр. Первые две указывают мантису ,а третья – множитель или количество нулей, следующих после двух предыдущих цифр. Например, маркировка 681 означает 68×101 = 680 Ом, то есть после числа 68 нужно прибавить один ноль.

Если все три цифры – нули, то это перемычка, сопротивление такого SMD резистора близкое к нулю.

Соединение резисторов разными способами позволяет получить необходимую величину сопротивления и мощности рассеивания одного эквивалентного резистора. Всего существует три способы соединения резисторов – последовательное, параллельное и смешанное.

Последовательное соединение резисторов

Последовательное соединение резисторов предполагает использование двух и более радиоэлектронных элемента. Конец предыдущего элемента соединяется с началом последующего и так далее. При последовательном соединении сопротивления и мощности рассеивания всех резисторов складываются.
Рассмотрим следующий пример. Соединим последовательно четыре резистора, каждый имеет R = 1 кОм и мощность рассеивания P = 0,25 Вт.

Rобщ = R1 + R2 + R3 + R4 = 1кОм + 1кОм + 1кОм + 1кОм = 4 кОм.

Pобщ = P1 + P2 + P3 + P4 = 0,25 Вт + 0,25 Вт + 0,25 Вт + 0,25 Вт = 1 Вт.

Таким образом, получается один эквивалентный или общий резистор, имеющий следующие параметры:
Rобщ = 4 кОм; Pобщи = 1 Вт.

В последовательной цепи электрической ток протекает одной и той же величины, поэтому электроны на протяжении всего пути неизбежно наталкиваются на все препятствия в виде сопротивлений. С каждым препятствием уменьшается число свободных зарядов, что приводит к снижению силы электрического тока(??).

Параллельное соединение резисторов

При параллельном соединении резисторов увеличивается количество путей для перемещения свободных зарядов, то есть электронов, из одного участка пути к другому. Поэтому при параллельном соединении резисторов их суммарное (общее, эквивалентное) сопротивление всегда ниже наименьшего сопротивления из всех резисторов.

Величина, обратная сопротивлению называется проводимостью. Проводимость измеряется в сименсах [См] и обозначается большей латинской буквой G.

G = 1/R = 1/Ом = 1 См

Поэтому при выполнении различных подсчетов в электрических цепях, имеющих параллельное соединение, пользуются проводимостью.

Если сопротивления всех параллельно соединенных резисторов равны, то для определения общего Rобщ достаточно R одного из них разделить на их общее количество:

Если R1 = R2 = R3 = R4 = R, то

Rобщ = R/4.

Например, каждый из четырех резисторов имеет R = 10 кОм, тогда

Rобщ = 10 кОм/4 = 2,5 кОм.

Смешанное соединение резисторов

Смешанное соединение резисторов представляет собой комбинации последовательных и параллельных соединений. В принципе любую даже самую сложную электрическую цепь, состоящую из источников питания, конденсаторов, диодов, транзисторов и других радиоэлектронных элементов в конкретный момент времени можно заменить резисторами и источниками напряжения, параметры которых изменяются с каждым последующим моментом времени. Для примера изобразим схему, имеющую несколько соединений.

Общее (эквивалентное) сопротивление находится методом «сворачивания» схемы. Сначала определяется общее сопротивление одного отдельного соединения, затем последующего и так далее.

Делитель напряжения на резисторах

Рассмотрим, как рассчитать практически любой делитель напряжения на резисторах. Преимущественное большинство радиоэлектронных элементов и микросхем питаются относительно низким напряжением – 3…5 В. А многие блоки питания выдают U = 9 В, 12 В или 24 В. Поэтому для надежной и стабильной работы различных электронных элементов необходимо снижать величину напряжения до приемлемого уровня. В противном случае может наступить пробой радиоэлектронных элементов. Особенно следует уделять внимание микросхемам – наиболее чувствительным элементам к повышенному напряжению.

Существуют много способов, как снизить напряжение. Выбор того или другого способа зависит от конкретной задачи, что в целом определяет эффективность всего устройства. Мы рассмотрим самый простой способ – делитель напряжения на резисторах, который, тем не менее, довольно часто применяется на практике, но исключительно в маломощных цепях, что поясняется далее.

Расчет делителя напряжения на резисторах

Чтобы сделать и рассчитать простейший делитель напряжения достаточно соединить последовательно два резистора и подключить их источнику питания. Такая схема очень распространенная и применяется более чем в 90 % случаев.

Вход схемы имеет два вывода, а выход – три. При одинаковых значения сопротивлений R₁ и R₂ выходные напряжения U_вых1 и U_вых2 также равны и по величине вдвое меньше входного U_вх. Причем выходное U можно сниматься с любого из резисторов – R₁ или R₂. Если сопротивления не равны, то выходное U будет на резисторе большего номинала.

Точное соотношение U_вых1 к U_вых2 рассчитаем, обратившись к закону Ома. Резисторы вместе с источником питания образуют последовательную цепь, поэтому величина электрического тока, протекающего через R₁ и R₂ определяется отношением напряжения источника питания U_вх к сумме сопротивлений:

Следует обратить внимание, чем больше сумма сопротивлений, тем меньший ток I при том же значении U_вх.

Далее, согласно закону Ома, подставив значение тока, находим U_вых1 и U_вых2:

Путем подстановки в две последние формулы значение из самой первой формулы, находим значение выходного U в зависимости от входного и сопротивлений двух резисторов:

Применяя  делитель напряжения на резисторах, необходимо понимать и помнить следующее:

1. Коэффициент полезного действия такой схемы довольно низкий, поскольку только часть мощности источника питания поступает к нагрузке, а остальная мощность преобразуется в тепло, выделяемое на резисторах. Чем больше понижается напряжение, тем меньше мощности от источника питания поступит к нагрузке.
2. Так как нагрузка подключается параллельно к одному из резисторов делителя, то есть шунтирует его, то общее сопротивление цепи снижается и происходит перераспределение падений напряжений. Поэтому сопротивление нагрузки должно быть гораздо больше сопротивления резистора делителя. В противном случае схема будет работать нестабильно с отклонением от заданных параметров.
3. Распределение U между R₁ и R₂ определяется исключительно их относительными значениями, а не абсолютными величинами. В данном случае неважно, будут ли R₁ и R₂ иметь значение 2 кОм и 1 кОм или 200 кОм и 100 кОм. Однако при более низких значениях сопротивлений можно получить большую мощность на нагрузке, но следует помнить, что и больше мощности преобразуется в тепло, то есть израсходуется невозвратно впустую.

Также иногда находят применение и более сложные делители напряжений, состоящие из нескольких последовательно соединенных резисторов.

Делитель напряжения на переменном резисторе

Схему делителя напряжения на переменном резисторе называют схемой потенциометра. Вращая рукоятку громкости музыкального центра или автомагнитолы, вы таким действием плавно изменяете напряжение, подаваемое на усилитель модности звуковой частоты.

При перемещении (вращении) ручки переменного резистора сверху вниз по чертежу происходит плавное изменение U от значения источника питания до нуля.

В звуковой технике главным образом применяются переменные резисторы с логарифмической зависимостью, поскольку слуховой аппарат человек воспринимает звуки с данной зависимостью. Для регулирования уровня звука одновременно по двум каналам используют сдвоенные переменные резисторы.

В качестве делителя напряжения находят применение переменные резисторы, имеющие следующие зависимости сопротивления от угла поворота ручки: логарифмическую, линейную и экспоненциальную. Конкретный тип зависимости применяется для решения отдельной задачи.

На пути электрического тока располагают нагрузку, на которой происходит выполнение полезной работы.

Соединенный проводами с натертыми палочками светодиод светится очень короткий промежуток времени, поскольку свободные отрицательные заряды мгновенно переместятся из области их избытка в область нехватки и наступит равновесие.

Генератор

Электрический ток  и условия его протекания

Теперь мы можем сделать первые важнейшие предварительные выводы и обозначить условия протекания электрического тока.

1. Первое. Для образования электрического тока путь движения зарядов должен быть замкнут.
2. Второе. Для поддержания электрического тока необходимо, чтобы вначале пути пополнялся запас зарядов, а в конце путь они отбирались, освобождая места для вновь пришедших зарядов.
3. Третье. Чтобы заряды выполняли полезную работу, следует на их пути расположить, например нить лампы накаливания, светодиод или обмотку двигателя, которые в общем случае принято называть нагрузкой или потребителем.

В общем, простейшая электрическая цепь состоит из генератора, нагрузки и проводов, соединяющих генератор с нагрузкой.

Электродвижущая сила ЭДС

Главной задачей любого источника питания является образование и поддерживание на выводах, называемых электродами, постоянное значение разноименных зарядов. Чем большее число зарядов, тем сильнее они стремятся притянуться друг к другу и поэтому интенсивней перемещаются по электрической цепи. А сила, которая заставляет двигать электроны по цепи, называется электродвижущая сила или сокращенно ЭДС. Электродвижущая сила измеряется в вольтах [В].

Сила электрического тока

Если мысленно разрезать провод, соединяющий генератор с нагрузкой и установить счетчик, то мы получим расход электронов за единицу времени, – это есть сила тока.

С ростом электродвижущей силы генератора электроны интенсивнее проходят по цепи, а сила тока возрастает.

Поскольку известен заряд электрона и их суммарное количество, прошедшее через поперечное сечение проводника за единицу времени, то можно количественно определить силу тока.

Заряд одного электрона имеет очень малую величину, а в электрическом токе их участвует огромное число. Поэтому за единицу электрического заряда приняли 628∙10¹⁶, то есть 6280000000000000000 зарядов электрона. Такая величина электрического заряда получила название кулон, сокращенно [Кл].

Единица измерения силы тока называется ампер [А]. Сила тока равна одному амперу, когда через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит суммарный электрический заряд, величиной в один кулон.

1 А = 1 Кл/1 сек

I = Q/t

Если за одну секунду по проводнику проходит в два раза больше электронов, то I  равна 2 ампера.

В проводнике, выполненном из металла, например меди или алюминия, образуются множество свободных эле-нов. Они легко покидают атомы кристаллической решетки металла и свободно перемещаются в межатомном пространстве. Однако гуляют они не долго, поскольку мгновенно притягивается другим положительно заряженным атомом, который потерял аналогичный электрон. Поэтому по умолчанию ток через проводник не протекает. Кроме того свободные электроны не имеют упорядоченного движения, а хаотически перемещаются в межатомном пространстве. Такое, не имеющее четкого направления, перемещение называют Броуновским движением. С ростом температуры интенсивность движения увеличивается.

Чтобы протекал I нужно на одном конце проводника создать недостачу электронов, а на втором их избыток, то есть подключить разноименные полюса источника питания. Тогда электрическое поле источника питания создаст такую электродвижущую силу, которая заставит электроны в проводнике перемещаться в строго одном направлении. Поэтому электрическим током называют упорядоченное движение зарядов под действием внешнего электрического поля. Такая возможность электронов перемещаться в заданном направлении, преодолев хаотическое движение, появляется за счет сообщения им дополнительной энергии от электрического поля источника ЭДС.

Направление электрического тока

Направление электрического тока принято считать от плюса к минусу генератора или источника питания, и принимается, что он протекает в металлических проводниках. Однако I образуется не только в проводниках, но и в газах и жидкостях. Атомы металлов связаны в прочную кристаллическую решетку, поэтому свободно перемещаться могут только свободные электроны; ионы остаться неподвижными. Атомы газов и жидкостей могут свободно перемещаться, поскольку не имеют прочных связей. Следовательно, носителями зарядов служат ионы и электроны.

Поэтому при определении силы тока I в газах и жидкостях, необходимо учитывать сумму положительных и отрицательных зарядов, прошедших через площадь поперечного сечения за единицу времени. Например, в металлическом проводнике I = 1 А, если через проводник за одну секунду проходят 6,28¹⁸ электронов (1 Кл).

Один ампер в газе или жидкости могут образовать 3,14¹⁸ эл-нов (0,5 Кл) и столько же положительных ионов (еще 0,5 Кл). Если заряд иона вдвое превышает заряд электрона, то  потребуется в два раза меньше ионов для создания одного ампера.

Направление электрического тока в проводниках

Исторически сложилось так, что направление протекание электрического тока принято от «плюса» к «минусу», то есть от положительного к отрицательному электроду источника питания. На самом деле, если рассматривать металлический проводник, то электроны, являющиеся единственными носителями заряда, движутся от отрицательного электрода к положительном. Следовательно действительное направления тока противоположно принятому.

Направление электрического тока в газах и жидкостях

В газах и жидкостях электрический ток может протекать от плюса к минусу, согласно традиционному представлению, поскольку в них может преобладать количество положительных ионов. Направление не стали изменять на «правильное», поскольку оно слишком плотно вошло в обиход.

Электризация

По умолчанию атом электрически нейтрален: положительный и отрицательный заряды равны и компенсируют другу друга. Но как только хотя-бы один электрон покинет свое место в атоме, то суммарный положительный электрический заряд протонов превысит отрицательный заряд всех оставшихся электронов, и такой атом в целом будет иметь свойства положительного заряда и будет называться положительный ион.

Если атом получил дополнительный электрон, то в нем будет преобладать отрицательный заряд. В этом случае атом станет называться  отрицательный ион.

Следует заметить, что не только атом будет иметь положительный или отрицательный заряд, но и молекула, а соответственно и вещество, которое содержит данный атом.

Процесс получения дополнительного электрона или, наоборот потеря электрона, называется электризация. Если какое-либо тело имеет избыток или нехватку электронов, т.е. явно выраженный заряд какого либо знака, то говорят, что тело наэлектризовано.

Опытным путем установлено, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Подобный опыт можно повторить следующим очень известным образом: подвесить на нити два металлических шарика, которые изначально имеют нейтральный заряд. Далее придать одному шарику положительный заряд, а второму отрицательный. В результате шарики притянутся друг к другу. Если двум шарикам сообщить заряд одного знака, то они будут отталкиваться.

Опыт с натиранием шерстью пластмассовой палочки. Если взять пластмассовую палочку и потереть ее об одежду, содержащую в своем составе шерсть, а затем, при поднесении натертой палочки к мелким кусочкам бумаги под действием электрических сил кусочки бумаги притянутся к палочке. При натирании пластмассы за счет сил трения, электронам, находящимся в атомах шерсти сообщается некоторая энергия, под действие которой они покидают свои атомы и занимают место на орбитах атомов пластмассы. В результате этого пластмассовая палочка приобретает отрицательный заряд за счет избытка электронов, поступивших из шерсти.

При натирании стеклянной палочки шелком, все происходит наоборот. Электроны поверхностного слоя стекла покидают палочку. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд за счет перевеса суммарного заряда протонов.

Таким образом, изменение количества электронов в верхних слоях рассматриваемых материалов во время их трения, называют электризация трением.

Здесь следует заметить, что вследствие трения лишь очень мизерная часть атомов отдает свои электроны. Даже если сказать, что одна миллиардная часть атомов остается без электронов на внешней орбите, то это все еще будет слишком большим преувеличением, поэтому массы наэлектризованных тел остаются практически неизменными.

Также нужно заметить, что в результате электризации электроны ни откуда не возникают и никуда не деваются, а лишь переходят с атомов одного тела к атомам другого тела.

В нашем опыте мы использовали стекло, пластмассу, шерсть, шелк. По этим материалам очень плохо перемещаются электроны, поэтому они относятся к хорошим диэлектрикам – материалам, которые в отличие от проводников, имеют очень плохую проводимость.

В диэлектриках заряд остается на месте его возникновения и не может перейти по поверхности через все тело на другие, соприкасающиеся с ним предметы. Поэтому, когда мы натираем шерстью пластмассовую палочку, то образовавшиеся свободные заряды остаются на своих местах: электроны, покинув шерсть находят новые места на поверхности пластмассовой палочки.

Электризация металла

Если мы возьмем хорошо проводящий материал, например кусок металла, то при натирании его о диэлектрик, образовавшийся на поверхности металла заряд, мгновенно уйдет в землю через наше тело и другие предметы. Поскольку в отличии от рассматриваемых диэлектриков наше тело обладает относительно хорошей проводимостью и по нему сравнительно легко перемещаются заряды.

Опыт электризации трением не получится оценить и в том случае, когда мы возьмём два металлических предмета даже с хорошо изолированными рукоятками. При взаимном трении металл об металл, как и в предыдущих опытах возникнут свободные электроны. Однако вследствие наличия неизбежной шероховатости поверхностей не получится одновременно по всей поверхности отделить оба металлические предмета, и в последней точке соприкосновения двух поверхностей электроны перетекут через так называемый «мостик» пока их количество снова не станет таким же, как и до натирания.

Итак, при натирании рассмотренных предметов, некоторые электроны получают избыточную энергию и покидают атомы одного тело, которое становится положительно заряженным и занимают места на орбитах атомов другого вещества, которое приобретает свойства отрицательного заряда. При этом заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а разных знаков – притягиваются. Силы, порождаемые зарядами, называются электрическими. А сам факт наличия электрических зарядов и их взаимодействие называют электричество.

В рассмотренных примерах получают так называемое статическое электричество.

Электрическая сила

Что же происходит с кусочками бумаги? Почему они притягиваются к заряженной пластмассовой палочке?

Сущность физического процесса здесь заключается в следующем. При поднесении заряженного тела к незаряженному телу под действием электрических сил происходит перемещение электронов к одному из краев тела. И этот край тела ввиду избытка электронов становится отрицательно заряженным, а противоположный край соответственно положительно заряженным. Средняя часть тела будет нейтрально заряженной. Таким образом, заряды смещаются по краям данного тела.

Ближе к поднесенному заряженному телу будут стремиться заряды противоположного знака. Например, если палочка заряжена положительно, то к ней притянется бумага, той поверхностью, на которой скопились отрицательные заряды. И наоборот.

Такое воздействие заряженным телом на другие тела, находящиеся на расстоянии, называют индуцированным воздействием.

Перемещение зарядов в проводниках при воздействии на него заряженным телом, происходит под воздействием силы электрического поля, свойства которого мы рассмотрим отдельно.

Здесь же мы еще заметим, что сила, с которой притягиваются либо отталкиваются тела, определяется величиной заряда, расстоянием между телами и средой, в которой находятся заряженные тела. Эта зависимость была установлена известным ученым Кулоном, и получила название закон Кулона.

Подытожим выше сказанное. Что такое электричество? Электричество – это наличие и взаимодействие зарядов разного знака. В дальнейшем вы увидим, что заряды образуются не только путем электризации трением, но и другими способами, например под действием протекания химических реакций. Именно так появляются электричество в батарейке, которую правильно называть гальванический элемент.