Шаг за шагом. Транзисторы

Сворень Рудольф Анатольевич

Следующий этап наших поисков можно было бы назвать «приручением» батареи. Не думая пока ни о каком усилении, нам нужно научиться отбирать от батареи Б энергию не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока. Образно говоря, нужно научиться сминать наш кусок глины, научиться менять его форму, чтобы в дальнейшем можно было создать из него большую скульптуру.

Каким образом можно менять идущий от батареи Б постоянный электрический ток? Мы не зря повторяли закон Ома — именно он и подсказывает ответ на этот вопрос. Поскольку ток зависит от напряжения и сопротивления и поскольку напряжение, которое дает батарея, практически не меняется, то нам остается только одно — менять сопротивление R_вых.

Менять

это сопротивление можно разными способами (рис. 6).

Рис. 6. Изменяя сопротивление в цепи батареи, можно отбирать от нее энергию не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока, «рисуя» таким образом сигнал нужной формы.

Проще всего, конечно, включить в качестве R_вых обычный реостат и, двигая его ручку, «рисовать» ток с нужной формой графика. Можно вместо резистора ввести в цепь сосуд с каким-нибудь жидким проводником и управлять сопротивлением, а значит, и током, меняя химический состав жидкости. Можно включить в цепь устройства, которые меняют свое сопротивление под действием тепла, света, радиоактивных излучений, растяжения или сжатия.

Представителем этого последнего типа устройств является хорошо всем знакомый угольный микрофон. В упрощенном варианте — это коробочка с угольным порошком, который под действием звуковых волн сжимается то сильнее, то слабее. Чем сильней сжат порошок в коробочке, тем лучше контакт между отдельными его крупинками, тем меньше общее электрическое сопротивление порошка. Вот почему под действием звуковых волн сопротивление угольного микрофона меняется, послушно следуя за всеми изменениями звукового давления. В результате график изменения сопротивления, а значит, и график изменения тока (все тот же закон Ома!) полностью повторяет, копирует график звука. Батарея, в цепь которой включен микрофон, отдает энергию уже не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока, в виде сложного электрического сигнала.

Итак, нам кое-что уже известно о загадочном скульпторе. По крайней мере, мы знаем, как работают его руки, как они меняют форму глиняной глыбы. Мы знаем — для того чтобы создать из постоянного тока сложный электрический сигнал, нужно менять сопротивление цепи. Но как сделать, чтобы сопротивление R_вых менялось по команде слабого, усиливаемого сигнала, подобно тому как сопротивление микрофона меняется по команде звуковых колебаний? Решение этой задачи осложняется тем, что на изменение сопротивления R_вых мы можем расходовать ничтожную мощность. Затрачивая доли ватта, усиливаемый сигнал должен менять сопротивление в такой степени, чтобы электрическая мощность, выделяемая на R_вых менялась на единицы, а то и на десятки ватт. Возможно ли это в принципе? Не противоречит ли законам природы?

Внимательно посмотрев вокруг, вы увидите, как в некоторых случаях небольшие затраты энергии приводят к огромным энергетическим всплескам. Вы увидите, как в результате сложившейся обстановки, сложной взаимосвязи явлений или, наконец, благодаря искусственно созданным условиям «слабый» может управлять «сильным». Вот несколько примеров (рис. 7).

Рис. 7. Существует много различных процессов, в которых, затрачивая небольшую энергию, можно управлять большими энергетическими потоками.

Давайте столкнем с горы лежащую на самом краю массивную каменную глыбу. Разогнавшись во время падения, она совершит работу (разумеется, не в житейском, а в физическом смысле слова), которая во много раз превысит затраты труда на сталкивание этой глыбы. Другой пример. Представьте себе взрывника, который легким нажатием на кнопку сносит огромную, весом в тысячи тонн, гору, вставшую на пути строителей дороги. И еще пример. С легкостью вращая водопроводный кран, вы управляете довольно сильным потоком воды и создаете своего рода мощную копию слабого механического сигнала, исходящего от вашей руки.

Мы не будем сейчас говорить об общих свойствах и закономерностях систем, в которых какое-либо слабое воздействие управляет большой энергией. Нам предстоит решить более важную для дела задачу: самим создать такую систему, создать управляющее устройство, которое позволит менять сопротивления R_вых с помощью слабого сигнала, протекающего в цепи R_вх.

В качестве первого шага сделаем некое формальное, не раскрывающее существа дела изображение такого управляющего устройства (рис. 8).

Рис. 8. В отличие от трансформатора, усилитель должен повышать мощность сигнала, а не только один ток или одно напряжение.

Пока еще это «черный ящик» — неизвестный прибор, в котором встречаются друг с другом резисторы R_вх и R_вых. Электрическую цепь нашего «черного ящика», куда включен R_вх назовем входной цепью, а цепь, куда включен R_вых,— выходной цепью. Такие названия вполне оправданы. В «черный ящик» со стороны условного генератора «Слабый сигнал» должен войти этот слабый сигнал, а со стороны мощного источника энергии — батареи Б — должен выйти мощный, усиленный сигнал. Отсюда и ясно, где нужно вешать табличку «Вход», а где «Выход».

Давайте представим себе, что наш управляющий прибор, наш «черный ящик» уже работает. Что мы знаем о нем и что должны узнать?

Мы знаем, что в цепи R_вх действует слабый сигнал, что он каким-то образом меняет величину R_вых и в результате в цепи этого сопротивления появляется усиленный сигнал. Теперь нужно выяснить, что скрывается за словами «каким-то образом». Нужно найти такой физический процесс, который позволил бы слабому входному сигналу в нужной степени менять величину выходного сопротивления.

Итак, дальнейший маршрут ясен. Путешествие продолжается. Сейчас нам предстоит «по пути» заглянуть в мир молекул и атомов.

ВЕЛИКОЛЕПНАЯ ЧЕТВЕРКА

Мы часто представляем себе атом как некую, разумеется, чрезвычайно маленькую, планетарную систему. В центре ее находится ядро — сравнительно тяжелый шар с положительными электрическими зарядами. Вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, вращаются шарики-электроны. Картина эта наглядна, ее легко себе представить, но, конечно же, такая планетарная модель весьма примитивна. Она, по-видимому, не больше похожа на настоящий атом, чем вылепленная из пластилина фигурка на настоящего, живого человека.