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

Что вам понадобится

• Батарея типа АА на 1,5 В (2 шт.)

• Держатель для батареи (1 шт.)

• Плавкий предохранитель на 3 А (2 шт.)

• Защитные очки (подойдут обычные или солнцезащитные очки)

• Тестовые провода с зажимами типа «крокодил» на концах (2 шт.)

Рис. 1.28. Никогда не шутите с литиевыми аккумуляторами

Получение тепла с помощью электричества

Внимание!

Экспериментируйте только со щелочной батареей.

Не используйте перезаряжаемый аккумулятор!

Вставьте батарею в держатель, с подсоединенными двумя тонкими проводами (см. рис. 1.9). Скрутите вместе неизолированные концы проводов, как показано на рис. 1.29. Вначале может показаться, что ничего не происходит. Но подождите минуту и вы обнаружите, что провода нагреются. А еще через минуту вся батарея также станет горячей.

Тепло вырабатывается электрическим током, протекающим через провода и электролит (проводящую жидкость) внутри батареи. Если вы когда-либо пользовались ручным насосом для нагнетания воздуха в велосипедную шину, то знаете, что насос нагревается. Электричество ведет себя подобным же образом. Можно представить, что электричество состоит из частиц (электронов), которые проходя через провод, нагревают его. Это не идеальная аналогия, но она подходит для наших целей.

Откуда берутся электроны? Их высвобождают химические реакции, происходящие внутри батареи, в результате создается электрическое «давление». Правильное название для такого давления – напряжение, которое измеряется в вольтах, названных в честь Алессандро Вольта, еще одного первопроходца в исследованиях электричества.

Рис. 1.29. Замыкание щелочной батареи может быть безопасным, если вы точно следуете указаниям

Вернемся к нашей аналогии с водой: высота уровня жидкости в емкости пропорциональна давлению воды, это же верно и для напряжения. Рисунок 1.30 может помочь вам это наглядно представить.

Но напряжение – это еще не все. Когда электроны проходят по проводу, величина их потока за определенный период времени называется силой тока, она измеряется в амперах, названных в честь еще одного первооткрывателя, Андре-Мари Ампера. Этот поток электронов носит название электрического тока. Эксперимент можно схематично описать так: электрический ток – сила тока – выделяется тепло. По аналогии можно сформулировать два правила:

• рассматривайте напряжение, как давление;

• рассматривайте силу тока, как скорость потока электронов.

Рис. 1.30. Давление в источнике воды аналогично напряжению в источнике электричества

Почему ваш язык не стал горячим?

Когда вы касались языком 9-вольтовой батареи, то чувствовали пощипывание, но не ощущали тепла. Когда вы замкнули 1,5-вольтовую батарею, то получили заметное количество тепла, хотя напряжение было гораздо меньше. Как это объяснить?

Ваш мультиметр показал, что электрическое сопротивление языка очень велико. Это высокое сопротивление уменьшает поток электронов.

Сопротивление провода очень низкое, и поэтому когда провода подключены к полюсам батареи, то через них проходит больший ток, чем через ваш язык, и выделяется больше тепла. Если все другие факторы оставить постоянными, то:

• чем меньше сопротивление, тем больше электрический ток;

• тепло, производимое электричеством, пропорционально количеству электрического тока, которое протекает через проводник за определенный период времени. (Это соотношение перестает быть верным, если сопротивление провода изменяется при нагревании.)

Сформулируем еще несколько принципов.

• Электрический поток за секунду измеряется в амперах, эта единица часто сокращается до буквы А.

• Электрическое напряжение, которое приводит к появлению данного потока, измеряется в вольтах.

• Сопротивление электрическому потоку измеряется в омах.

• Более высокое сопротивление уменьшает силу тока.

• Повышенное напряжение способно преодолеть сопротивление и увеличить силу тока.

Взаимосвязь между напряжением, сопротивлением и силой тока (давлением, сопротивлением и потоком) показана на рис. 1.31.

Рис. 1.31. Сопротивление препятствует давлению и уменьшает поток как воды, так и электричества

Единицы измерения напряжения

Вольт – это международная единица измерения, обозначаемая прописной буквой В или V. В США и в некоторых странах Европы переменное напряжение в бытовой электросети составляет 110, 115 или 120 В, в других странах напряжение в электрической сети может быть 220, 230 или 240 В. Полупроводниковые компоненты обычно работают от источника постоянного напряжения в диапазоне от 5 вплоть до 20 В, хотя современные элементы для поверхностного монтажа могут функционировать при напряжении менее 2 В. Некоторые компоненты, такие как микрофон, выдают напряжение, измеряемое в милливольтах (сокращенно мВ, один милливольт – это одна тысячная вольта). Когда электричество передается на большие расстояния, то оно измеряется в киловольтах, сокращенно кВ. В некоторых исключительно протяженных силовых линиях используются мегавольты. Пересчет единиц напряжения приведен в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Единицы измерения силы тока

Ампер – это международная единица измерения силы тока, обозначаемая прописной буквой А. Бытовые электроприборы могут потреблять ток в несколько ампер, а типичные автоматические выключатели в США рассчитаны на 20 А. Электронные компоненты часто потребляют ток порядка миллиамперов (сокращенно мА, один миллиампер – это одна тысячная ампера). Такие устройства, как жидкокристаллические дисплеи, могут потреблять микроамперы, сокращенно мкА (или μА), один микроампер – это одна тысячная миллиампера. Перерасчет единиц силы тока приведен в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Как пережечь предохранитель

Какое в точности количество тока протекло по проводам держателя батареи, когда вы ее замкнули? Смогли бы мы его измерить?

Это не так просто. Если вы попытаетесь измерить большой ток мультиметром, то можете сжечь его внутренний предохранитель. Поэтому отложите мультиметр в сторону. Возьмем 3-амперный предохранитель, которым можно пожертвовать, поскольку он стоит недорого.

Вначале проверьте предохранитель с помощью увеличительного стекла, если оно у вас есть. В автомобильном предохранителе в прозрачном окошке по центру вы можете увидеть небольшую деталь в виде буквы S, изготовленную из легкоплавкого металла. В стеклянных патронных предохранителях это тонкий кусочек проволоки, который служит для той же цели (см. рис. 1.12 и 1.13).

Рис. 1.32. Как закоротить автомобильный предохранитель

Рис. 1.33. Как прикрепить щупы к маленькому патронному предохранителю

Вытащите 1,5-вольтовую батарею из держателя. Она теперь пришла в абсолютную негодность, и при возможности ее необходимо отправить на переработку. Разъедините два провода, которые скручены вместе, а затем соедините держатель для батареи и предохранитель проводниками, как показано на рис. 1.32 или 1.33. Вставьте новую батарею в держатель и наблюдайте за предохранителем. Разрыв должен произойти в центре вставки предохранителя, в месте расплавления металла. Сказанное иллюстрируют рис. 1.34 и 1.35.

Некоторые 3-амперные предохранители перегорают быстрее, чем другие, хотя и