0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Движение тока в лампе

49. Электрическая цепь — В.И. Лукашик, Сборник задач по физике

1242. Появится ли в медном проводнике ток, если концы его погрузить в одинаковый водный раствор серной кислоты (рис. 297)?
Нет.

1243. Укажите основные составные элементы, входящие в цепь электрического тока.
Источник питания, потребитель, соединительные провода.

1244. Начертите схему электрической цепи, состоящей из гальванического элемента (или аккумулятора), выключателя и электрической лампы.
см. № 1254(a).

1245. Укажите направление тока в проводах, подведенных к лампе, в установке, изображенной на рисунке 298.
Направлением тока во внешней цепи считают направление от «+» к «-» источника питания.

1246. Каково направление тока внутри аккумуляторной батареи, питающей электрическую цепь, изображенную на рисунке 298?
Внутри источника питания за направление тока считают направление от «-» к «+».

1247. Что надо сделать, чтобы изменить направление тока в лампе (см. рис. 298)?
Поменять полюса источника питания.

1248. Рассмотрите электрическую установку, изображенную на рисунке 299. Что в ней является источником тока, а что приемниками электрической энергии? Каково направление тока в проводнике, соединяющем лампу со звонком, когда ключ замкнут?
Источник тока — аккумуляторная батарея; потребители — звонок и лампа. Ток направлен от лампы к звонку.

1249. Для питания фары от источника тока, установленного на велосипеде, к электрической лампе подведен только один провод. Почему нет второго провода?
Вторым проводом является металлический корпус велосипеда.

1250. Рассмотрите схему электрической цепи, изображенную на рисунке 300. Назовите составные части цепи, обозначенные буквами Е, К, Л, 3. Что обозначают стрелки на схеме? Каково истинное направление движения зарядов в цепи?
Л и З – потребители (лампа и звонок); Е- источник питания; К – ключ. Стрелками показано направление тока.

1251. Начертите схему электрической цепи по рисунку 298. Укажите направление тока в соединительных проводниках.

1252. Начертите схему электрической цепи по рисунку 299.

1253. Назовите электрические устройства, изображенные на схеме (рис. 301).
Источник питания, звонок, лампа, два ключа, соединительные провода.

1254. Начертите электрические схемы установок, показанных на рисунке 302.

1255. На рисунке 303 изображена развернутая схема расположения стен комнат, где указаны ввод тока, расположение звонка и кнопок. Сделайте рисунок в тетради и начертите схему прокладки проводов так, чтобы можно было включать звонок из каждой комнаты.

1256. На рисунке 304 изображена схема расположения приборов на стене. Сделайте рисунок в тетради и начертите схему соединения приборов (розетка всегда должна быть под напряжением).

1257. На рисунке 305 изображено расположение приборов в комнате. Начертите схему проводки (выключатель включает только лампу, розетки всегда должны быть под напряжением).

Направление электрического тока

Подключим к пальчиковой батарейке светодиод, и если полярность окажется соблюдена правильно, то он засветится. В каком направлении установится ток? В наше время всем известно, что от плюса к минусу. А внутри батарейки, стало быть, от минуса к плюсу — ток ведь в этой замкнутой электрической цепи постоянный.

За направление тока в цепи принято считать направление движения положительно заряженных частиц, но ведь в металлах то движутся электроны, а они, мы знаем, заряжены отрицательно. Значит в реальности понятие «направление тока» — это условность. Давайте разберемся, почему в то время как электроны текут по цепи от минуса к плюсу, все вокруг говорят, что ток идет от плюса к минусу . Для чего такая несуразность?

Ответ кроется в истории становления электротехники. Когда Франклин разрабатывал свою теорию электричества, он рассматривал его движение подобно движению жидкости, которая как-бы перетекает от одного тела к другому. Где электрической жидкости больше — оттуда она течет в ту сторону, где ее меньше.

Франклин поэтому и назвал тела с избытком электрической жидкости (условно!) положительно электризованными, а тела с недостатком электрической жидкости — отрицательно электризованными. Отсюда и пошло представление о движении электрических зарядов. Положительный заряд перетекает, словно через систему сообщающихся сосудов, от одного заряженного тела к другому.

Позже французский исследователь Шарль Дюфе в своих экспериментах с электризацией натиранием установил, что заряжаются не только натираемые тела, но и натирающие, причем при контакте заряды обеих тел нейтрализуется. Получалось, что есть на самом деле два отдельных вида электрического заряда, которые при взаимодействии друг друга нейтрализуют. Эту теорию двух электричеств развил современник Франклина Роберт Симмер, который на себе убедился в том, что в теории Франклина что-то не до конца правильно.

Шотландский физик Роберт Симмер носил по две пары чулок: утепленные шерстяные и сверху еще вторые шелковые. Когда он снимал с ноги оба чулка сразу, а затем выдергивал один чулок из другого, то наблюдал такую картину: шерстяной и шелковый чулки раздуваются, принимая как бы форму его ноги и резко слипаются друг с другом. При этом чулки из одинакового материла, как шерстяные и шелковые, отталкивались друг от друга.

Если же Симмер держал в одной руке два шелковых, а в другой — два шерстяных чулка, то когда он сближал руки, отталкивание чулков из одинакового материала и притяжение чулков из разного материала приводило к интересному взаимодействию между ними: разнородные чулки словно набрасывались друг на друга и сплетались в клубок.

Наблюдения за поведением собственных чулков привели Роберта Симмера к выводу, что в каждом теле имеется не одна, а две электрические жидкости – положительная и отрицательная, которые содержатся в теле в одинаковых количествах.

При натирании двух тел какая-то из них может перейти из одного тела в другое, тогда в одном теле окажется избыток одной из жидкостей, а в другом – ее недостаток. Оба тела станут наэлектризованными противоположными по знаку электричествами.

Тем не менее, электростатические явления успешно можно было объяснить как при помощи гипотезы Франклина, так и при помощи гипотезы двух электричеств Симмера. Эти теории некоторое время конкурировали между собой.

Читать еще:  Являет ют ся ли источником электрического тока настольная лампа

Когда же в 1779 году Алессандро Вольта создал свой вольтов столб, после чего был исследован электролиз, ученые пришли к однозначному выводу, что действительно в растворах и жидкостях движутся два противоположных потока носителей заряда — положительные и отрицательные. Дуалистическая теория электрического тока, хотя и не была понятна всем, все же восторжествовала.

Наконец, в 1820 году, выступая перед Парижской академией наук, Ампер предлагает выбрать в качестве основного направления тока одно из направлений движения заряда. Ему было удобно сделать так, поскольку Ампер исследовал взаимодействия токов между собой и токов с магнитами. И чтобы каждый раз во время сообщения не упоминать, что в двух направлениях по одному проводнику движутся два потока противоположного заряда.

Ампер предложил просто принять за направление тока направление движения положительного электричества, и все время говорить о направлении тока, имея ввиду движение положительного заряда . С тех пор предложенное Ампером положение о направлении тока принято повсеместно, и используется до сих пор.

Когда Максвелл разрабатывал свою теорию электромагнетизма, и решил применять правило правого винта для удобства определения направления вектора магнитной индукции, он также придерживался этого положения: направление тока — это направление движения положительного заряда.

Фарадей в свою очередь отмечал, что направление тока условно, это просто удобное средство для ученых, чтобы однозначно определять направление тока. Ленц, вводя свое Правило Ленца (смотрите — Основные законы электротехники), также оперировал термином «направление тока», имея ввиду движение положительного электричества. Это просто удобно.

И даже после того как Томсон в 1897 году открыл электрон, условность направления тока все равно сохранилась. Даже если в проводнике или в вакууме реально движутся только электроны, все равно за направление тока принимается противоположное направление — от плюса к минусу.

Спустя уже более века с момента открытия электрона, несмотря на представления еще Фарадея об ионах, даже с появлением электронных ламп и транзисторов, хотя и появились трудности в описаниях, все равно привычное положение дел сохраняется. Так просто удобнее оперировать с токами, ориентироваться в их магнитных полях, и никаких реальных трудностей это, похоже, ни у кого не вызывает.

Электрический ток

Что надо сделать, чтобы в проводнике, скажем, в нити накала электри­ческой лампы, заставить двигаться в одном направлении — упорядоченно — обилие свободных электронов? Следует создать в нем электрическое поле, подключив проводник, например, к гальваническому элементу.

Устройство простейшего гальванического элемента, являющегося хими­ческим источником тока, показано на рис. 9. Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых электродами, которые поме­щены в электролит — раствор соли или кислоты, например серной. В ре­зультате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает от­рицательный заряд, а на медном, наоборот, — недостаток электронов, и он приоб­ретает положительный заряд. Между электродами-полюсами такого источника тока появляется электрическое поле, создаваемое разноименными электрическими зарядами; между электродами действует электродвижущая сила (сокра­щенно э.д.е.), или напряжение — физическая величина, характеризующая количественную разность электрических зарядов. О разнице между э. д. с. и на­пряжением я расскажу тебе в пятой беседе.

Ты знаешь, что полюсы источника тока обозначают знаками плюс и минус. Их ты видел, например, возле Жестяных выводов батареи, предназначенной для питания лампы накаливания карманного электрического фонаря. Между прочим, эта батарея также состоит из гальванических элементов, только не жидкостных, как элемент, показанный на рис. 9, а сухих. Там их три. Не­сколько элементов, соединенных между собой в единый источник тока, и назы­вают батареей.

Запомни: отрицательный полюс элемента или батареи принято обозначать короткой линией, положительный — удлиненной линией, а электрическую лампу накаливания — кружком с перпендикулярными линиями внутри (рис. 9).

Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого элект­роны, как по мостику, переки­нутому через овраг, будут дви­гаться туда, где их недоста­ток, — от отрицательного полю­са через проводник к положи­тельному полюсу источника элек­трической энергии. Это и есть упорядоченное движение элект­ронов в проводнике, элект­рический ток. Ток течет че­рез проводник потому, что в по­лучившейся цепи (положитель­ный полюс элемента, проводни­ки, отрицательный полюс эле­мента, электролит) есть электро­движущая сила, электрическое напряжение.

Такую простейшую электри­ческую цепь можно разделить на два основных участка: внеш­ний и внутренний. К внеш­нему участку цепи относится все, что подключается к полюсам ис­точника тока (на рис. 9 — лампа накаливания и соединительные проводники), а к внутреннему участку — та часть цепи, которая заключена внутри самого источника тока.

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

Можно сообщить разноименные заряды двум изолированным друг от друга телам, например шарикам, подвешенным на шелковых нитках. Шарики будут притягиваться друг к другу, но тока между ними не будет, так как их раз­деляет диэлектрик — воздух.

Достоверно установлено, что электроны в проводнике движутся от отрица­тельного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), од­нако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т. е. в направлении, обратном движению электронов. Ты можешь спросить: почему бы сейчас не нарушить эту традицию? Дело в том, что это потребовало бы переработки всех учебников, всей технической литературы, имеющей прямое или косвенное отношение к электротехнике и радиотехнике. Условное направление тока, кроме того, положено учетными в основу ряда сущест­вующих правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создает, если твердо помнить, что направление тока противоположно направлению движения электро­нов.

Пока элемент или батарея действует, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным. Его можно изобразить графически, как показано на рис. 10. Точка перекрещения осей обозначена нулем 0 и является исходной для графи­ческого изображения времени и величины тока в цепи.

Читать еще:  Выключатель с блоком защиты галогенных ламп

О чем может рассказать этот график? Сначала (отрезок времени 0а) тока в цепи нет (ток равен нулю), так как к источнику тока не был под ключей внешний участок цепи. Ток появился, когда цепь замкнули (точка а). Он быстро возрос до некоторого значения (точка б) и не изменялся до тех пор, пока цепь была замкнута (точка в).

Рис. 10. Графическое изображение постоянного тока.

Когда цепь разомкнули, ток быстро умень­шился и исчез совсем (точка г). Если электрическую цепь снова замкнуть, в ней опять появится ток. Так примерно выглядит график тока, текущего через лампу карманного электрического фонаря, когда его включают на короткие промежутки времени.

На рис. 9 через соединительные проводники и нить накала лампы элект­роны движутся слева направо — от минуса к плюсу. Но если полюсы элемента поменять местами, электроны во внешнем участке цепи потекут справа налево, так как теперь минус окажется на правом участке цепи, а плюс — на левом. Изме­нится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным.

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

Запомни: б сетях электрического освещения течет переменный ток, а не постоянный, как в электрическом карманном фонаре. Его вырабатывают машины, называемые генераторами переменного тока. Знаки электрических зарядов на полюсах генератора непрерывно меняются, но не скачком, как в нашем примере, а плавно. Заряд того полюса генератора, который в некоторый момент времени был положительным, начинает убывать и через долю секунды становится отрицательным; отрицательный заряд сначала возрастает, потом начинает убывать, пока снова не окажется положительным, и т. д. Одновременно меняется знак заряда и другого полюса. При этом напряжение и ток в элект­рической цепи также периодически изменяются.

Графически переменный ток изображают в виде волнистой линии — сину­соиды, показанной на рис. 11. Здесь вверх по вертикальной оси отложено одно направление тока, условно названное мною «туда», а вниз — другое направле­ние тока, обратное первому: «обратно».

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

Рис. 11, Графическое изображение переменного тока.

При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электриче­скими колебаниями: Одним полным, или законченным, колебанием тока принято считать упорядоченное движение электронов в проводнике, соответству­ющее участку графика от а до д или от в до ж на рис. 11. Время, в те­чение которого происходит одно полное колебание, называют периодом, время половины колебания — полупериодом, а наибольшее значение тока во время каждого полупериода — амплитудой (рис. 11).

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи специального устрой­ства — трансформатора — можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить — преобразовать в постоянный ток. Эти свойства переменного тока широко исполь­зуют в электро- и радиотехнике.

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

Движение тока в лампе

Явление термоэлектронной эмиссии и обусловленный им электронный ток через вакуум лежат в основе устройства очень большого числа разнообразных электронных приборов, нашедших себе чрезвычайно важные применения в технике и в быту. Мы остановимся только на двух наиболее важных типах этих приборов: электронной лампе (радиолампе) и электроннолучевой трубке.

Устройство простейшей электронной лампы показано на рис. 176. В ней имеется раскаленная вольфрамовая нить 1, являющаяся источником электронов (катод), и металлический цилиндр 2 (анод), окружающий катод. Оба электрода помещены в стеклянный или металлический баллон 3, воздух из которого тщательно откачан. Такая двухэлектродная лампа называется вакуумным диодом.

Рис. 176. а) Двухэлектродная лампа (диод): 1 – катод (накаленная нить), 2 – анод (цилиндр), 3 – стеклянный баллон. б) Условное изображение диода

Если мы включим эту лампу в цепь батареи или другого источника тока так, чтобы анод ее был соединен с положительным полюсом источника, а катод – с отрицательным (рис. 177,а), и накалим катод при помощи вспомогательного источника (батареи накала Бн), то испаряющиеся из нити электроны будут лететь к аноду, и через цепь пойдет ток. Если же мы переключим провода так, чтобы минус источника был соединен с анодом лампы, а плюс – с ее катодом (рис. 177,б), то испаряющиеся из катода электроны будут отбрасываться полем обратно на катод, и тока в цепи не будет. Таким образом, диод обладает тем свойством, что он пропускает ток в одном направлении и не пропускает его в обратном направлении. Такого рода устройства, пропускающие ток только в одном направлении, называются электрическими вентилями. Они широко применяются для выпрямления переменного тока, т. е. для превращения его в постоянный ток (§ 166). Вакуумные диоды, специально приспособленные для этой цели, называются в технике кенотронами.

Читать еще:  Выключатель с подсветкой мигает лампа дневного света

Рис. 177. а) Ток проходит через диод, когда анод соединен с положительным полюсом батареи Ба, а катод – с отрицательным. б) Ток не проходит через диод, когда его анод соединен с отрицательным полюсом батареи, а катод – с положительным. Бн – батарея накала нити

Электронные лампы более сложного типа, нашедшие себе широкое применение в радиотехнике, автоматике и ряде других отраслей техники, содержат, помимо накаленного катода (источника электронов) и собирающего эти электроны анода, еще третий дополнительный электрод в виде сетки, помещаемой между катодом и анодом. Обычно сетка бывает с очень крупными ячейками; например, ее делают в виде редкой спирали (рис. 178).

Рис. 178. а) Трехэлектродная лампа: 1 – катод (накаленная нить), 2 – анод (цилиндр), 3 – сетка (редкая спираль). б) Условное изображение триода

Основная идея, на которой основано применение таких ламп, заключается в следующем. Включим лампу в цепь батареи Ба, как показано на рис. 179, и будем накаливать катод с помощью вспомогательной батареи Бн (батареи накала). Включенный в цепь измерительный прибор покажет, что в цепи идет анодный ток . Подключим теперь к катоду лампы и сетке еще одну батарею Бс, напряжение которой можем произвольно менять, и будем с ее помощью изменять разность потенциалов между катодом и сеткой. Мы увидим, что при этом изменяется и сила анодного тока. Таким образом, мы получаем возможность управлять током в анодной цепи лампы, изменяя разность потенциалов между ее катодом и сеткой. В этом и заключается важнейшая особенность электронных ламп.

Рис. 179. Напряжение между катодом и сеткой изменяет силу анодного тока

Кривая, изображающая зависимость анодного тока лампы от ее сеточного напряжения , носит название вольтамперной характеристики лампы. Типичная характеристика трехэлектродной лампы показана на рис. 180. Как видно из этого рисунка, когда сетка находится при положительном потенциале по отношению к катоду, т. е. соединена с положительным полюсом батареи, то увеличение сеточного напряжения приводит к увеличению анодного тока до тех пор, пока этот ток не достигнет насыщения. Если же мы сделаем сетку отрицательной по отношению к катоду, то при увеличении абсолютного значения сеточного напряжения анодный ток будет падать, пока при некотором отрицательном потенциале на сетке лампа не окажется запертой, т. е. ток в анодной цепи не обратится в нуль.

Рис. 180. Вольтамперная характеристика трехэлектродной лампы

Нетрудно понять причину этих явлений. Когда сетка заряжена положительно относительно катода, она притягивает к себе электроны из облака объемного заряда вблизи катода; при этом значительная часть электронов пролетает между витками сетки и попадает на анод, усиливая анодный ток. Таким образом, способствуя рассасыванию объемного заряда, положительно заряженная сетка увеличивает анодный ток. Наоборот, отрицательно заряженная сетка уменьшает анодный ток, потому что отбрасывает назад электроны, т. е. увеличивает объемный заряд вблизи катода. Так как сетка расположена гораздо ближе к катоду, чем анод, то уже малые изменения разности потенциалов между ней и катодом очень сильно отражаются на объемном заряде и сильно влияют на силу анодного тока. В обычных электронных лампах изменение сеточного напряжения на 1 В меняет анодный ток на несколько миллиампер. Для того чтобы достичь такого же изменения тока путем изменения анодного напряжения, это напряжение нужно было бы изменить гораздо больше – на несколько десятков вольт.

Одним из важнейших применений электронных ламп является применение их в качестве усилителей слабых токов и напряжений. Поясним на простом примере, как это осуществляется. Представим себе, что между сеткой и катодом лампы включен резистор с очень большим сопротивлением , скажем 1 МОм (рис. 181). Проходящий через это сопротивление очень слабый ток , скажем 1 мкА, создаст на этом сопротивлении по закону Ома напряжение . В нашем примере это напряжение равно 1 В. Но при таком изменении сеточного напряжения анодный ток меняется на 2-3 мА. Стало быть, изменение тока через сеточное сопротивление на 1 мкА вызывает изменение анодного тока, в несколько тысяч раз большее. Мы усиливаем, таким образом, первоначальный очень слабый ток в несколько тысяч раз, доставляя необходимую энергию за счет анодной батареи.

Рис. 181. Схема включения трехэлектродной лампы как усилителя тока и напряжения

Если в анодную цепь мы включим некоторое «нагрузочное» сопротивление , скажем 10 кОм, то изменение анодного тока на 2-3 мА вызовет приращение напряжения на этом сопротивлении 20-30 В. Иными словами, изменение сеточного напряжения на 1 В изменяет напряжение между точками и «нагрузочного» сопротивления на 20-30 В. Мы осуществили таким образом усиление первоначального очень малого напряжения.

Лампы с тремя электродами – катодом, анодом и сеткой, – подобные изображенной на рис. 178, носят название триодов. В современной технике широко применяются и более сложные лампы с двумя, тремя и большим числом сеток. Промышленность выпускает в настоящее время для разных целей много десятков типов ламп самых разных размеров, начиная от так называемых «пальчиковых» ламп толщиной с мизинец и длиной несколько сантиметров и кончая лампами выше человеческого роста. В малых лампах, употребляющихся, например, в радиоприемниках, анодный ток равен нескольким миллиамперам, в мощных лампах он достигает многих десятков ампер.

106.1. Почему катод электронной лампы быстро разрушается, если лампа плохо откачана и в ней есть небольшое количество газа?

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector