Transcription
Всем привет! Продолжаю наши занятия по основам электроники для начинающих. И в этом видео мы рассмотрим еще одну очень важную и полезную теорию, а точнее нюанс, который связан с электрическим током. Разобравшись в этом нюансе, в дальнейшем будет значительно проще понять процессы, протекающие в электрических цепях, а соответственно, гораздо легче и интереснее будет изучать электронику, электротехнику и все, что связано с протеканием электрического тока.
Речь идет о скорости протекания электрического тока. Если кому-то задать вопрос, как быстро протекает электрический ток, ответ будет очевиден: ток протекает очень быстро, поскольку практический опыт показывает, что при включении выключателя свет зажигается практически мгновенно. Это действительно так. Скорость распространения тока приблизительно 300 тысяч километров в секунду, то есть равна практически скорости света. Например, если расположить какой-то абстрактный источник питания в одном месте и через триста тысяч километров расположить лампочку, то при замыкании выключателя лампочка засветится ровно через одну секунду. Или вот такой пример: если источник питания расположили в Москве, а лампочку расположить во Владивостоке, через девять тысяч километров, то при замыкании выключателя в Москве свет во Владивостоке засветится ровно через шесть сотых секунды.
Но здесь скрывается один очень важный и тонкий нюанс. Как мы знаем из предыдущих видео, которые настоятельно рекомендую прежде посмотреть, что электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под действием внешнего электрического поля, приложенного к соответствующим зарядам. Если рассматривать конкретно проводник металлический, то в нем единственными носителями заряда являются электроны. Поэтому под действием внешнего электрического поля начинают перемещаться электроны, и таким образом формируется электрический ток. Но скорость отдельно взятого электрона очень низкая, порядка нескольких миллиметров за секунду. Но тем не менее, мы видим, что в целом скорость электрического тока довольно высокая – 300 тысяч километров за секунду.
Здесь на первый взгляд могут показаться две противоречивых теории: ведь ток распространяется очень быстро, а движение носителей зарядов очень низко. Как же на самом деле происходит протекание электрического тока? Для того чтобы в этом разобраться, необходимо прежде четко разделять два понятия. Первое понятие – это скорость движения носителей заряда, а второе понятие, очень важное, – это скорость изменения электрического поля. Что же, теперь нам осталось разобраться в этих двух отдельно взятых процессах, которые в сумме и формируют протекание электрического тока.
Для этого нам понадобится упрощенная электрическая цепь, состоящая из источника питания (батарейки), выключателя (К) и лампы накаливания (Л). Данную цепь для большего понимания процессов я изобразил в виде такого рисунка. Здесь в одном, как бы, резервуаре скуплены отрицательные заряды – электроны, а здесь – положительные, что соответствует плюсу источника питания и минусу источника питания. Электроны перемещаются по проводнику. Данная, как бы, магистраль обозначает проводник, то есть провод. Дальше провод сужается в одном месте, что обозначается нитью лампы накаливания Л, и далее электроны попадают отрицательно заряженная пластинка, положительно заряженная пластинка. Также сюда установлен ключ К – такая заслонка, которая будет подниматься вверх или вниз. В начальный момент у нас заслонка закрыта, и электроны находятся на своих местах. В проводнике концентрация электронов гораздо меньше, чем в источнике питания. Данных резервуарах.
При замыкании ключа К, вот что соответствует поднятию заслонки здесь вверх, создаются условия для протекания электрического тока. При этом электроны из отрицательного электрода по пути через заслонку, а здесь через контакты ключа и лампу накаливания, начнут перемещаться к положительному электроду. Здесь у нас минус, а здесь плюс. А дальше начинается самое интересное. Когда заслонка поднята, либо ключ замкнут, в области проводника, прилегающей к минусу источника питания, увеличивается количество их же концентрация электронов, которые поступают непосредственно с данного резервуара, то есть с отрицательно заряженной пластинки. В результате такого перераспределения электронов в проводнике произойдет изменение электрического поля в соседних участках проводника. То есть, как только мы подняли заслонку, или как только мы замкнули ключ, количество электронов увеличилось, а соответственно, изменилось в данном участке проводника и электрическое поле. Это изменение электрического поля заставит перемещаться электроны соседних участках проводника, в результате чего изменится электрическое поле в соседнем участке проводника. Такое изменение электрического поля заставит перемещаться следующие электроны, расположенные в следующем участке электрической цепи, и вновь произойдет изменение электрического поля, которое снова заставит перемещаться следующие электроны, находящиеся в ближайшем участке цепи, либо близлежайшие области проводника. И когда движение электронов под действием изменения электрического поля начнет происходить в волоске лампы накаливания, и вот здесь оно проявится в виде накаливания волоска самой лампы, в результате чего мы увидим, как лампа светится.
Таким образом, начавшееся в одном месте движение зарядов через изменение электрического поля распространяется по всей цепи. Один за другим все более удаленные носители зарядов вовлекаются в это движение, и эта передача движения, либо же действия от одних зарядов к другим, происходит со скоростью 300 000 километров в секунду, то есть практически со скоростью света. Поэтому то скорость, которую мы для краткости называем скоростью электрического тока, – эта скорость распространения вдоль проводника изменений электрического поля, а не скорость движения носителей заряда, в данном случае электронов.
Давайте теперь подытожим и рассмотрим еще один пример. И так, скорость движения носителей заряда, то есть электронов, очень низкая по сравнению со скоростью распространения изменения электрического поля вдоль проводника. Именно за счет того, что вдоль проводника очень быстро распространяется изменение электрического поля со скоростью света, происходит то, что электроны на дальнем участке цепи начинают практически мгновенно перемещаться.
Для примера рассмотрим еще одну аналогию. У нас есть какой-то резервуар с водой и шланг, скажем, длинный метров 10, на конце которого кран. Шланг, естественно, изначально заполнен до крана водой. Когда мы открываем кран, под действием давления, а точнее, за счет разности давлений (здесь давление будет выше, а здесь, естественно, давление будет ниже), вода начнет практически мгновенно вытекать из крана. Но заметьте, будут вытекать не вот эти капельки воды, которые здесь расположены в начале шланга, а те, которые находятся в конце шланга, но под действием давления происходит перемещение капелек воды, находящихся на конце шланга.
Теперь второй пример. Тот же самый резервуар с водой, но кран установлен практически поблизости возле резервуара. Как только мы откроем этот кран, естественно, вода здесь не потечет, почему? Потому что шланг пустой, здесь нет воды. И теперь необходимо выждать некоторое время, пока вот эти капельки воды, вот эта вода дойдет сюда до конца шланга, и затем польется. Так вот, проводник представляет собой аналогию шланга, заполненного водой постоянно, а напряжение – это разность давлений в атмосфере здесь и давлением, создаваемым насосом. Если здесь установить где-то насос, либо просто за счет давления воды в резервуаре.
И еще один последний пример, чтобы различать разницу между скоростью движения носителей заряда и скоростью распространения изменения электрического поля. Для этого нам понадобятся коробки со спичками, либо домино. В данном случае коробки со спичками представляют собой электроны, а изменение электрического поля – это сила, приложенная к одному коробку. Таким образом, начавшееся в одном месте изменение электрического поля вызовет изменения электрического поля во всей цепи, то есть всех электронов. Это равносильно тому, что мы толкнем один коробок, либо же один электрон, и все коробки войдут во взаимодействие. Вот так.
А на этом все. Подписывайтесь на канал. У кого есть желание изучать микроконтроллеры с нуля, подписывайтесь также на мой второй канал "Микроконтроллеры с нуля". Пока!