Усилители
Практическая польза от всех активных компонентов заключается в их способности к усилению. Управляется ли рассматриваемое устройство напряжением или током, требуемое количество энергии управляющего сигнала, как правило, гораздо меньше количества энергии, доступного в управляемом токе. Другими словами, активный прибор не только позволяет электроэнергии управлять электроэнергией; он позволяет малому количеству электроэнергии управлять большим количеством электроэнергии.
Из-за этого неравенства между управляющей и управляемой мощностями, активные приборы могут быть использованы для управления большим количеством энергии (управляемой) с помощью малого количества энергии (управляющей). Такое поведение известно как усиление.
Согласно одному из фундаментальных правил физики энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Говоря формально, это правило известно как закон сохранения энергии, и на сегодняшний день никаких исключений к нему обнаружено не было. Если закон верен, и подавляющая масса экспериментальных данных свидетельствует об этом, то невозможно создать устройство, способное взять малое количество энергии и волшебным образом превратить его в большое количество энергии. Максимальная эффективность всех машин, включая электрические и электронные схемы, ограничивается пределом в 100%. В лучшем случае, мощность на выходе равна мощности на входе, как показано на рисунке ниже.
\[Эффективность = \frac{P_{вход}}{P_{выход}}\]Как правило, машины не в состоянии даже увидеть этот предел, теряя часть их входной энергии в виде тепла, которое излучается в окружающее пространство и, следовательно, не является частью потока выходной энергии (рисунок ниже).
\[Эффективность = \frac{P_{вход}}{P_{выход}} < 1 = меньше \, 100%\]Многие люди безуспешно пытались спроектировать и построить машины, у которых выходная мощность больше потребляемой. Если бы им удалось, то вечный двигатель доказал бы, что закон сохранения энергии – это вовсе не закон, а за этим последовала бы технологическая революция, какой мир никогда не видел, потому что вечный двигатель сможет запитать сам себя с помощью петли и генерировать избыточную энергию на «свободу» (рисунок ниже).
\[Эффективность = \frac{P_{вход}}{P_{выход}} > 1 = больше \, 100%\]
Несмотря на многочисленные попытки и множество недобросовестных заявлений о «свободной энергии» или сверхединичных машинах, ни один из них не прошел простой тест по приведению себя в действие своей же собственной выходной энергией и выдаче сэкономленной энергии.
Однако существует класс машин известных как усилители, которые способны принимать маломощные сигналы и выдавать сигналы гораздо большей мощности. Ключ к пониманию, как усилители могут существовать, не нарушая закон сохранения энергии, лежит в поведении активных приборов.
Поскольку активные приборы имеют возможность управлять большим количеством электрической энергии с помощью малого количества электрической энергии, они могут быть расположены в схеме так, чтобы повторять форму мощности входного сигнала в большем количестве мощности, подаваемом от внешнего источника мощности. Результатом является устройство, которое волшебным образом увеличивает мощность небольшого электрического сигнала (обычно сигнал переменного тока) в сигнал аналогичной формы с большей амплитудой. Закон сохранения энергии не нарушен, так как дополнительная мощность подается от внешнего источника, обычно батарея постоянного тока или эквивалент. Усилитель ни создает, ни разрушает энергию, а лишь придает ей желаемую форму (смотрите рисунок ниже).
Другими словами, токоуправляющее поведение активных приборов используется, чтобы придать энергии постоянного тока от внешнего источника питания форму входного сигнала, формируя выходной сигнала похожей формы, отличающийся (в большую сторону) величиной мощности. Транзистор или другой активный прибор в усилителе лишь формирует большую копию колебаний входного сигнала из «сырой» энергии постоянного тока, поставляемой батареей или другим источником питания.
Усилители, как и все машины, ограничены в эффективности максимумом в 100 процентов. Как правило, электронные усилители гораздо менее эффективны из-за рассеивания значительного количества энергии в виде отработанного тепла. Поскольку эффективность усилителя всегда не превышает 100 процентов, он никогда не может быть произведен так, чтобы функционировать в качестве "вечного двигателя".