Книга Электроника для начинающих (2-е издание) - Чарльз Платт

нравится возвращаться к аналогиям с использованием воды, которые десятилетиями приводились в руководствах по электротехнике.

На рис. 1.30 я изобразил, как интенсивность, с которой вытекает вода из отверстия в емкости, можно сравнить с силой тока, в то время как уровень воды в сосуде создает давление, сравнимое с напряжением, а размер отверстия соответствует сопротивлению.

Как же представить по аналогии мощность в ваттах? Предположим, вы поместили небольшое водяное колесо там, где его достигает поток из отверстия, как показано на рис. 1.64. К этому водяному колесу можно прикрепить какой-либо механизм. Теперь поток совершает некоторую работу. (Вспомните, что мощность в ваттах является мерой скорости, с которой совершена работа.)

Рис. 1.64. Если колесо извлекает энергию из потока воды, поток выполняет какую-то работу, которая может быть измерена в ваттах за определенный период времени

Рис. 1.65. Чтобы продолжить функционирование системы, вы должны возвращать работу в нее

Возможно, это выглядит, как будто вы получаете что-то даром, извлекая работу от течения воды без возврата энергии в систему. Учтите, однако, что уровень воды в сосуде снижается. Как только я добавил помощников, перетаскивающих выливающуюся воду обратно в емкость, стало очевидным, что необходимо затратить некоторую энергию, чтобы получить работу на выходе (рис. 1.65).

Аналогично, может казаться, что батарея производит энергию, не получая ничего взамен, но химические реакции внутри нее превращают чистый металл в другие соединения, и получаемая нами энергия обусловлена этим изменением состояния. Если это аккумулятор, мы должны «втолкнуть» энергию обратно в процессе зарядки, чтобы обратить химические реакции.

Вернемся к емкости с водой и предположим, что мы не можем получить энергию в количестве, достаточном для вращения колеса. Первый способ – поднять уровень воды, чтобы создать большую силу, как на рис. 1.66.

Рис. 1.66. При большем давлении воды величина доступной работы увеличится

Это было бы подобно последовательному соединению двух батарей, плюса с минусом (как с лимонами, в лимонной батарее). Две последовательные батареи удвоят напряжение, как показано на рис. 1.67. Поскольку сопротивление цепи остается прежним, более высокое напряжение будет создавать большую силу тока, потому что сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению.

Снова вернемся к аналогии с сосудом. Что если мы захотим, чтобы колесо работало в два раза дольше, а емкость сосуда уже исчерпана? Может быть, нужно поставить второй сосуд и объединить их выходные отверстия в одно. Аналогично, если вы подключите две батареи параллельно, вы получите то же самое напряжение, но батареи прослужат в два раза дольше. Как альтернатива, две батареи способны выдать больший ток, чем одна (рис. 1.68).

Рис. 1.67. Две последовательные батареи обеспечивают удвоение напряжения, при условии, что они обе полностью заряжены

Рис. 1.68. Параллельные батареи питают ту же нагрузку, что и раньше, но в два раза дольше. Кроме того, они могут выдать в два раза больший ток за тот же период времени, что и одна батарея

Подведем итог:

• Две последовательно соединенные батареи обеспечивают удвоение напряжения.

• Две параллельные батареи могут обеспечить ту же силу тока, что и одна, но в два раза дольше, или же удвоенную силу тока за то же время.

Но довольно теории. В следующей главе мы продолжим эксперименты, которые будут построены на основных знаниях об электричестве, чтобы постепенно привести вас к созданию забавных и полезных устройств.

Завершение эксперимента и уборка рабочего места

Металлические изделия, которые вы погружали в лимоны или в лимонный сок, могут изменить цвет, но по-прежнему пригодны к использованию. Помните о том, что ионы цинка могли остаться в лимонах, поэтому не стоит употреблять их в пищу.

Глава 2

Управление электрическим током

Эта глава книги содержит эксперименты с 6 по 11, и в них исследуется на первый взгляд простая тема – управление электрическим током, под которым я понимаю не только коммутацию вручную, но и изменение тока в одной цепи с помощью управляющего сигнала из другой цепи. Это очень важный принцип, и ни одно цифровое устройство не может без него существовать.

Сегодня переключение в электронных устройствах осуществляют главным образом транзисторы. Впоследствии я детально их опишу, но сначала продемонстрирую принципы переключения на базе реле, работу которых легче понять, потому что можно увидеть, что происходит внутри. А начнем мы с обычных переключателей, на примере которых познакомимся с наиболее важными закономерностями при коммутации в электрических схемах. Поэтому последовательность изложения будет такая: переключатели – реле – транзисторы.

В этой главе я также расскажу о емкости, потому что это для электрических цепей такое же основное понятие, как и сопротивление.

Что потребуется для экспериментов второй главы

Как и ранее, прежде чем купить инструменты и оборудование, откройте главу 6 и посмотрите там список покупок в разделе «Приобретаемые инструменты и оборудование». Если вы хотите купить готовый набор компонентов и расходных материалов, смотрите раздел «Наборы». Если вы предпочитаете самостоятельно покупать компоненты и расходные материалы в интернет-магазинах, смотрите раздел «Компоненты».

Миниатюрные отвертки

На рис. 2.1 показан набор отверток производства компании Stanley (артикул 66-052). Отвертки, которые, возможно, уже есть у вас дома, могут оказаться слишком крупными для большинства маленьких винтов в компонентах.

Можно купить и более дешевый набор отверток, который очень похож на тот, что на рис. 2.1, но качество стали будет, разумеется, ниже, чем у продукции известных марок.

Рис. 2.1. Миниатюрные отвертки с прямыми и крестообразными шлицами. Расстояние между белыми линиями сетки равно 2,5 см

Небольшие плоскогубцы

Размер плоскогубцев, которые вам понадобятся – не более 13 см (от одного конца до другого), Они незаменимы для формовки провода или для захвата небольших деталей, которые неудобно брать пальцами. Не думаю, что в данном случае вам необходимо тратить деньги на фирменные инструменты, поэтому вы спокойно можете покупать более дешевые, например такие, как на рис. 2.2. У них подпружиненные ручки, что некоторым не очень нравится, но вы можете вытащить пружины, если у вас есть еще одни плоскогубцы.

Рис. 2.2. Подходящие плоскогубцы должны быть не длиннее 13 см

Удлиненные плоскогубцы

Это необязательный инструмент. Они похожи на небольшие плоскогубцы, но имеют очень тонкие остроконечные губки. Такие плоскогубцы удобны для захвата плотно установленных