По отклонению стрелки и определяют величину тока: чем больше ток, тем больше нагревается нить, тем больше поворачивается стрелка.

Вольтметр. Итак, мы знаем, как можно устроить прибор, измеряющий ток. Но как измерить напряжение? Воспользуемся законом Ома. Ведь ток, протекающий в данной цепи, определяется величиной напряжения. Поэтому, если известно, сопротивление прибора и известен ток, протекающий через него, мы сразу можем определить и величин} напряжения, приложенного к прибору.

Пусть, например, мы имеем миллиамперметр 1 с внутренним сопротивлением 750 ом.

Пусть после включения прибора между двумя какими-либо точками цепи стрелка прибора показывает, что через него проходит ток 20 ма (0,02 а). Значит, напряжение между этими точками равно:

750 ом-0,02 а= 15 в.

Особенности вольтметра и амперметра. Казалось бы, амперметры и вольтметры могут взаимно заменять друг друга. Но в большинстве случаев это не так: обычно вольтметры шмеют настолько большое сопротивление, что последовательное включение вольтметра равносильно разрыву цепи; напротив, амперметры имеют настолько малое сопротивление, что включение амперметра прямо на сеть (а не последовательно с потребителем) равносильно короткому замыканию.

Необходимость того, чтобы вольтметры обладали большим сопротивлением, а амперметры - малым, вытекает из самого характера включения этих приборов в сеть (рис. 2-14).

Вольтметр, включенный параллельно с потребителем, должен потреблять возможно малый ток, а амперметр, включенный последовательно с потребителем, должен брать на свою долю возможно малое напряжение. Это значит, что сопротивление амперметра должно быть возможно малым, а сопротивление вольтметра должно быть возможно большим.

Пример. Амперметр обладает сопротивлением 0,05 ом и включен последовательно с группой ламп, потребляющих ток !0 а при напряжении 120 в.

1 Миллиамперметром называется прибор для измерения малых токов-миллиамперов. 1 ма = 0,001 а

Вольтметр включен параллельно с лампами и обладает сопротивлением 2 ООО ом.

Требуется найти напряжение, ток и мощность, потребляемые вольтметром и амперметром.

Решение. Напряжение на зажимах амперметра равно по закону Ома:

10 а-0,05 ом = 0,5 в.

Мощность, потребляемая амперметром, следовательно, равна

0,5 е -10 а = 5 вт.

Ток, проходящий через вольтметр, равен по тому же закону

120 в 2 000 ом =006 а'

и мощность, потребляемая вольтметром,

0,06а-120 в 7,2 вт.

Из рассмотренных свойств амперметра и вольтметра понятно, почему во всех рассмотренных примерах электрических цепей мы не учитывали сопротивления амперметров и токов, ответвляющихся в вольтметры.

2-15. НАПРАВЛЕНИЕ ТОКА И ЕГО ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

По тепловому действию тока можно определить его величину. Но ток определяется не только величиной, а еще и направлением. О направлении тока можно судить по его механическому взаимодействию с магнитами (см. следующую главу) или по химическому действию тока.

Если ток протекает по металлическому проводниковому контуру, то как бы ни был велик ток и как бы долго он ни протекал, никаких изменений в составе металла не происходит. Но возьмем концы проводов, идущих от генератора, и присоединим их к медным пластинам, опущенным в стеклянный сосуд с раствором медного купороса (рис. 2-29). Раствор медного купороса - проводник, поэтому в нашем случае будет существовать замкнутая Цепь.

Протекание тока в такой цепи теперь будет связано с определенными химическими явлениями: на одной из пластин, опущенных в раствор купороса, начнет осаждаться Медь, напротив, другая пластина будет разъедаться, и медь с нее будет переходить в раствор.

Таким образом, медь как бы переносится током с од-Чой пластины на другую. Направление, в котором происхо-

ди1 перенос металла в растворе, условно принимается за положительное направление тока.

Переменим местами концы проводов, присоединенных к пластинам. Что при этом произойдет?

Та пластина, на которой раньше осаждалась медь, теперь будет разъедаться, а на пластине, которая разъедалась, теперь будет осаждаться медь. Значит, ток между

С этой пластаны медь переходит 8раствор

Генератор

внешняя часть цепи

liaomou пластине из рас-тЗора осаждается медь

Рис. 2-29. Ток в растворе медного купороса.

Медь переносится с положительной пластины на отрицательную.

Рис. 2-30. Во внешней части цепи ток идет от положительного зажима генератора (+) к отрицательному (-). Во внутренней части цепи, г. е. в самом генераторе, ток идет от (-) к (-(-) Замкнутую цепь ток обтекает в одном направлении (показанном стрелками).

пластинами изменил направление, а это в свою очередь

значит, что ток в проводах, соединенных с генератором, так же как и ток в самом генераторе, сохранил прежнее направление. Этому нетрудно найти естественное объяснение: генератор продолжает работать так же, как он работал раньше, и, следовательно, стремится посылать ток в прежнем направлении.

Для того чтобы знать, в каком направлении генератор будет посылать ток, его зажимы обозначаются знаками + (плюс) и - (минус) и называются соответственно положительным и отрицательным.

Знаком + обозначают зажим, из которого ток выходит во внешнюю часть цепи, знаком - обозначают тот зажим, через который ток возвращается в генератор (рис. 2-30).

Во внешней цепи ток идет от положительного ( + ) зажима к отрицательному (-) зажиму. Внутри генератора ток идет от - зажима к + зажиму.

Химические явления, подобные только что показанным, наблюдаются не только в растворе медного купороса. При 70

протекании тока через растворы шелочей и кислот, через раствор азотнокислого серебра и т. п. также наблюдаются различные химические превращения

При этом химический процесс на одной и другой сторонах металлической цепи, замкнутой через электролит, всегда бывает различным. Это делает понятной необходимость различать направление тока. Однако различать направление тока надо и для то-ГО, чтобы знать, как будут Семенович Якоби

происходить его магнитные r (isoi-1874 гг.). действия (гл. 3).

Кроме того, существуют нелинейные элементы, окалывающие различное сопротив ление току в зависимости от его направления (§ 2-17).

Электрохимические явления имеют большое значение в промышленности.

Первым применением электрохимии было получение медных отпечатков (медных форм) по способу, открытому в России в середине прошлого века инженером, акад. Б. С. Якоби.

Переменный ток. На практике чаще всего применяются генераторы, дающие переменный ток, т. е. ток, все время изменяющий направление, - ток течет то в одну, то в другую сторону (в обычных сетях переменного тока он меняет свое направление 100 раз в секунду) 2. Если электролитическую цепь питать переменным током, химические изменения в ней будут незаметны.

Если, например, взять опять тот же раствор медного купороса и присоединить его к источнику переменного тока, ток в электролите будет протекать и будет выделять медь то на одной, то на другой пластине, причем на противоположной пластине в это же время будет происходить переход меди в раствор.

1 Все виды проводящих веществ, протекание тока через которые связано с химическими превращениями, называют электролитами. s Переменному току посвящена шестая глава этой книги.

То ничтожное количество меди, которое успеет выделиться за одну сотую долю секунды, в следующий промежуток времени вновь будет переходить в раствор.

Тепловое действие не зависит от направления тока, поэтому переменный ток может спокойно применяться для ламп накаливания, электрических печей и т. п.

Тепловые вольтметр и амперметр одинаково пригодны для измерения постоянного (по направлению) и переменного тока.

2-16. АККУМУЛЯТОРЫ И ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Остановимся еще на кратком описании того, как нужно понимать работу аккумуляторных батарей. Что значит: аккумулятор разрядился ? Что происходит при его зарядке?

Химические процессы происходят с выделением энергии или с поглощением энергии. Начнем с одного примера из химии. Водород1, сгорая, т. е. соединяясь с кислородом2 выделяет громадное количество тепла. Хорошо известна высокая температура водородного пламени, применяемого для сварки и резания металлов.

В результате соединения водорода с кислородом образуется водяной пар. Охлаждаясь, этот пар становится водой. Вода-одно из соединений водорода с кислородом - под влиянием определенных воздействий может быть снова разложена на водород и кислород. Однако для такого разложения нужно затратить определенную энергию.

Таким образом, сгорание водорода сопровождалось бурным выделением энергии. Напротив, разложение воды будет сопровождаться поглощением энергии. Эта энергия вновь будет выделена при сжигании полученного водорода. Правда, при разложении воды придется перерасходовать енергию на побочные явления, не связанные непосредственно с разложением воды.

Примеров такого рода химических процессов, поглощающих или выделяющих энергию, можно привести очень много. Одним из таких процессов являются и те изменения, которые происходят по действием тока, протекающего через аккумуляторную батарею.

1 Бесцветный газ, применявшийся, между прочим, для заполнения аэростатов и дирижаблей, так как он легче воздуха.

2 Одна из составных частей воздуха, необходимая нам в процессе дыхания. Горение дров, угля светильного газа и т. п. представляет собой не что иное, как процесс их соединения с кислородом,

Разрядка и зарядка аккумуляторов. Аккумулятор посылает ток в определенном направлении. Если включить его в замкнутую цепь, то в ней будет протекать ток, в этой цепи будет происходить выделение энергии (например,нагревание проводов в соответствии с законом Ленца - Джоуля). В самом аккумуляторе при этом будет происходить химический процесс, подобный как бы горению (например, соединению водорода с кислородом),

Аккумулятор сможет давать ток до тех пор, пока в нем не израсходуется запасенная химическая энергия, пока он не разрядится. Пока аккумулятор питает электрическую цепь, ток внутри аккумулятора направлен от -зажима к + зажиму.

Для того чтобы заставить ток протекать через аккумулятор в противоположном направлении, он должен быть присоединен к зарядному генератору. Когда ток будет идти в противоположном направлении, внутри аккумулятора будет происходить другой химический процесс, связанный уже с поглощением, а не с выделением энергии (в этом случае мы имеем явление, подобное разложению воды на ее составные части).

На основании всего сказанного можно ответить на вопрос, что значит аккумулятор разрядился?

Это значит, что энергия, запасенная в нем в форме определенных химических соединений, в значительной мере израсходовалась.

При зарядке аккумуляторов, напротив, происходят химические процессы (образование определенных соединений), поглощающие энергию, которая потом может быть получена обратно (при распаде образовавшихся соединений). Однако и в этом случае энергия, полученная при зарядке аккумулятора, будет неминуемо больше той, которую аккумулятор отдает, работая генератором: при зарядке аккумуляторов заметная часть энергии расходуется непроизводительно.

Гальванические элементы. Гальванические элементы или гальванические батареи (т. е. ряд последовательно или параллельно соединенных элементов) отличаются от аккумуляторов тем, что израсходованная ими энергия не может быть снова сообщена им посредством пропускания через них тока в обратном направлении. После того как энергия гальванических элементов израсходована, после их сгорания , они уже приходят в негодность.

Обозначение электрохимических генераторов. Гальванические элементы и аккумуляторы обозначаются на электрических схемах, как это показано на рис. 2-35.

2-17. НАПРАВЛЕНИЕ ТОКА И ВЫПРЯМЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Исключительно широкое применение на практике получили устройства, имеющие нелинейную характеристику (§ 2-10), обладающие такой особенностью: они хорошо проводят ток в одном направлении и плохо проводят ток в другом направлении.

Рис. 2-31. На рисунке изображен рубильник, служащий для перемены направления тока у потребителя.

Проследите внимательно за направлением тока при левом и правом положениях

рубильника.

Знаками -f- и - показаны концы проводов, идущих от генератора. Знаками / и 2 обозначены провода, идущие к потребителю. При левом положении рубильника ток от плюса (+) идет по ближнему концу рубильника и по черному' проводу

к проводу, обозначенному цифрой 2. Пройдя по внешней части цепи, ток возвращается через провод J, проходит через полосатый провод и по дальнему ножу рубильника возвращается к зажиму (-).

При правом положении рубильника направление тока во внешней цепи изменится (проверьте это самостоятельно).

Электрическую характеристику таких устройств можно получить по ранее применявшейся схеме (рис. 2-22), дополненной рубильником, предназначенным для перемены направления тока: в зависимости от положения рубильника (рис. 2-31), соединяющего генератор постоянного тока с внешней цепью, ток во внешней цепи должен изменять направление. 74

На рис. 2-32 показана схема для измерений, а на оис. 2-33 представлена диаграмма, построенная на основании опытных данных.

Источник регулируемого напряжения

Рис. 2-32. Схема для определения зависимости тока от напряжения в меднозакисном выпрямителе.

Цепь присоединяется к источнику, напряжение которого можно легко регулировать. Перекидной рубильник предназначен для изменения направления тока и напряжения во внешней части цепи.

Обратим внимание на то, что при одном направлении включения генератора напряжению 1 в соответствует ток 3,5 а, а при другом направлении такому же напряжению (1 в) соответствует ток, меньший 0,05 а.

В последнем случае ток протекает в противоположном направлении.

Пример. Подсчитайте сопротивление меднозакисного выпрямителя при разных направлениях тока и при напряжении 1 е.

Из приведенных цифровых данных находим, что для одного направления (проводящего или, точнее, хорошо проводящего) сопротивление

U 1 в

Г1 = ~=ЗТ5~ = 0286 0М-

Для другого направления (непроводящего или, точнее, плохо проводящего) сопротивление больше, чем

и

1 в

0,05 а'

20 ом.

Рассмотренный пример элемента цепи, чувствительного к направлению тока,

Рис. 2-33. Электрическая характеристика меднозакисного выпрямителя.

По горизонтальной оси вправо отложены значения тока для одного напоав-ления (каждое деление соответствует 1 а). По той же оси влево отложены значения тока противоположного направления (каждое деление теперь соответствует 0,05 а). По вертикальной оси отложено напряжение вверх при одном положении рубильника, вниз - при другом положении Одно деление в вертикальной оси соогве i ствует 0,25 е.

лишний раз показывает важность в определении направ ления тока и в правильном определении зажимов + и - источника.

Выпрямляющее действие. Практическое назначение та ких устройств, как рассмотренный меднозакисный элемент, заключается в возможности выпрямления переменного тока: ток, посылаемый генератором в одном направлении, пропускается, а ток, посылаемый в другом направлении, задерживается.

Подобные выпрямители применяются для зарядки аккумуляторов от сети переменного тока и для многих других технических устройств.

2-18. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

Пусть две ветви включены параллельно, как это показано на рис. 2-34. Ток в каждой из них можно найти по закону Ома, если известны их сопротивления и напряже-

+1г Рис. 2-34. Два парал-

Г

лельно включенных сопротивления.

в неразветвленном участке цепи протекает ток.равшй сумме токов в параллельных ветвях

ние, к которому они приключены. Что же касается общего тока, т. е. тока в неразветвленном участке цепи, то он равен сумме токов.

Значит, общий ток можно вычислить так:

- . напряжение , напряжение общий ток----Ч-----

первое сопротивление второе сопротивление

или, пользуясь буквенными обозначениями:

Обращаем внимание на то, что напряжение U для обеих ветвей (при параллельном соединении) одинаково.

Подобным же способом можно вычислить общий ток и в том случае, когда имеется не две, а три и большее число параллельных ветвей.

Пример I. Две параллельные ветви с сопротивлениями / i=20 о- и г2=50 ом присоединены к напряжению 300 в. Найти общий ток (ток в неразветвленном участке цепи).

Решение. Общий ток

U , U 300 в , 300 в

1 =----= о7Г77- + £7т-=15 а + б а = 21 а.

гг гг 20 ом 50 ол г

В тех случаях, когда имеется несколько параллельных ветвей и когда нужно найти общий ток, удобно пользоваться понятием проводимости.

Проводимостью называют величину, обратную сопротивлению:

проводимость----.

г сопротивление

Проводимость обычно обозначается латинской буквой g:

8 = - .

Единицей проводимости служит величина, обратная ому; ее обозначают 1/ом.

Если сопротивление какого-нибудь участка цепи равно 100 ом, то его проводимость равна 0,01 l/ом; если сопротивление равно 7г ом, то проводимость равна:

1 - = 2 1

7а ОМ ОМ

Из сказанного видно, что вместо деления напряжения на сопротивление можно умножить его на проводимость. Поэтому

ток = напряжение Хпроводимость.

В случае двух параллельных ветвей мы можем теперь так выразить общий ток:

ток = напряжениеХпроводимость первой ветви + +напряжениеХпроводимость второй ветви.

Но тот же результат мы получим, если умножим напряжение (одинаковое для обеих ветвей) на сумму проводи-мостей:

ток = напряжение X (проводимость первой + проводимость второй ветви).

Все сказанное о двух ветвях относится и к случаю большего числа параллельных ветвей:

общий ток равен приложенному напряжению, умноженному на сумму проводимостей всех параллельных ветвей.