Электроника для начинающих [1-е издание]

Рис. 1.22. Представьте внутреннее устройство батарейки в виде двух цилиндрических баков: один из них заполнен водой, а другой пустой. Откройте вентиль соединительной трубки между ними и поток воды будет проходить по ней до тех пор, пока уровни в обеих баках не сравняются. Чем меньшее сопротивление испытывает вода при перетекании, тем мощнее будет поток

Примечание

Когда ваша кожа увлажнена (например, вашим потом), ее электрическое сопротивление уменьшается. Этот принцип используется в детекторе лжи, поскольку когда кто-либо лжет, вследствие стресса у него начинает выступать пот.

Человек, который открыл сопротивление

Георг Симон Ом, изображенный на рис. 1.23, родился в Баварии в 1787 г. И работал в безвестности большую часть своей жизни. Он изучал природу электричества, используя металлическую проволоку, которую сделал для себя сам (вы не смогли бы спуститься в подвал дома для того, чтобы достать моток проволоки в начале 1800-х годов).

Рис. 1.23. Георг Симон Ом после награждения за свою новаторскую работу, большую часть которой он выполнил в относительной безвестности

Несмотря на свои ограниченные ресурсы и недостаточные математические способности, Ом в 1827 г. оказался в состоянии доказать, что электрическое сопротивление проводника, например меди, имеет прямо пропорциональную зависимость от поперечного сечения этого проводника, а ток, который протекает через него, пропорционален напряжению, приложенному к нему при постоянной температуре. Через 14 лет Королевское научное общество Великобритании в Лондоне окончательно признало значение его вклада и удостоило его своей высшей наградой — медалью Копли (Copley Medal). Сегодня это открытие известно, как закон Ома.

Дальнейшие исследования

Присоедините разъем для подключения батарейки (он был показан ранее на рис. 1.8) к 9-вольтовой батарейке типа «Крона». Возьмите два провода, которые присоединены к контактам разъема, и держите их таким образом, чтобы оголенные концы проводов находились всего лишь в нескольких миллиметрах друг от друга. Коснитесь ими вашего языка. Затем увеличьте расстояние между проводами до нескольких дюймов и коснитесь языка снова (рис. 1.24). Заметили разницу?

Используя мультиметр, измерьте электрическое сопротивление вашего языка, на этот раз изменяя расстояние между двумя наконечниками измерительных щупов. Когда электрический ток преодолевает меньшее расстояние, то он встречает на своем пути меньшее сопротивление. В результате сила тока (количество переносимого заряда в единицу времени) возрастает. Вы можете попытаться провести похожий эксперимент с вашей рукой, как это показано на рис. 1.25.

Рис. 1.24. Изменяя опыт определения тока с помощью языка, можно показать, что чем меньше расстояние между проводами источника, тем меньше сопротивление языка и соответственно тем больше электрический ток, что чувствуется по росту болевого ощущения

Рис. 1.25. Смочите вашу кожу перед тем, как пытаться измерить ее сопротивление. Вы должны обнаружить, что сопротивление увеличивается по мере удаления друг от друга концов измерительных щупов. Сопротивление будет возрастать пропорционально этому расстоянию

Попробуйте с помощью мультиметра измерить сопротивление воды. Растворите некоторое количество соли в воде и выполните свой опыт снова. Теперь попытайтесь измерить напряжение в дистиллированной воде (в чистом стакане).

Мир вокруг вас полон материалов, которые проводят электричество с различной степенью сопротивления.

Наведение порядка и повторное использование компонентов

В ходе этого эксперимента ваша батарейка не должна быть повреждена или в значительной степени разряжена. Вы, разумеется, можете использовать ее снова. После выполнения всех опытов не забудьте выключить ваш мультиметр.

Эксперимент 2. ДАВАЙТЕ СОЖЖЕМ БАТАРЕЙКУ!

Чтобы лучше понять, что такое электрическая энергия, вы сделаете то, что в большинстве книг рекомендуется не делать. Вы закоротите батарейку. Закоротить это значит непосредственно, накоротко, соединить два вывода источника напряжения.

Короткие замыкания

Короткие замыкания могут быть очень опасными! Не следует замыкать накоротко контакты сетевой розетки в вашем доме! Это приведет к громкому хлопку, яркой вспышке, а провод или инструмент, который вы использовали бы для этой цели, будут расплавлены и разлетающиеся частицы расплавленного металла могут стать причиной ожога или повреждения глаз.

Если вы закоротили автомобильный аккумулятор, то сила тока будет настолько большой, что батарея может даже взорваться, выплеснув на вас кислоту (рис. 1.26).

Литиевые батарейки тоже опасны в этом смысле. Никогда не следует закорачивать литиевую батарейку! Это может привести к возникновению пожара и обжечь вас (рис. 1.27).

Для этого эксперимента следует использовать только щелочную батарейку, причем только одну и типа АА (рис. 1.28). Вам следует надеть защитные очки на тот случай, если у вас окажется неисправная батарейка.

Рис. 1.26. Всякий, кто ронял разводной ключ на оголенные клеммы аккумуляторной батареи автомобиля, скажет вам, что короткое замыкание может быть даже очень мощным при «всего лишь» 12 В

Рис. 1.27. Низкое внутреннее сопротивление литиевой батарейки (которая часто используется в ноутбуках) при замыкании приводит к достижению максимального значения тока с непредсказуемыми результатами. Никогда не теряйте бдительности вблизи литиевых батареек

Рис. 1.28. Закорачивание щелочной батарейки может быть безопасным, если вы будете точно следовать приведенным далее указаниям. Даже в этом случае батарейка может стать слишком горячей, что касание к ней может вызвать неприятные ощущения. Обращаю ваше внимание на то, что в эксперименте не следует использовать аккумуляторы любого типа!

Вам понадобятся:

• батарейка типа АА напряжением 1,5 В;

• держатель для одной батарейки;

• предохранитель на 3 А;

• защитные очки (для этой цели подойдут обычные очки или солнечные);

•зажимы типа «крокодил».

Порядок действий

Возьмите щелочную батарейку. Обращаю внимание, что в эксперименте не следует использовать какой-либо аккумулятор!

Вставьте батарейку в держатель для одной батарейки с двумя тонкими изолированными проводами, отходящими от него, как это показано на рис. 1.28. В данном случае не следует применять держатель какого-либо другого типа.

Используя зажим типа «крокодил», соедините очищенные от изоляции концы проводов так, как показано на рис. 1.28. При этом не возникнет искры, поскольку вы используете только низковольтную батарейку с напряжением 1,5 В. Подождите одну минуту, и вы обнаружите, что провода разогрелись. Подождите еще минуту, и батарейка тоже станет горячей.

Тепло создается за счет электрического тока, проходящего по проводам и через электролит (проводящую жидкость) внутри батарейки. Если вы когда-либо пользовались ручным насосом для накачивания воздуха в шины велосипеда, то вы должны знать, что насос при этом разогревается. Электричество во многом ведет себя аналогичным образом. Вы можете представить электрический ток в виде совокупности частиц (электронов), которые делают провод горячим в процессе того, как они «проталкиваются» через провод. Эта аналогия неидеальна, но она достаточно точно соответствует нашим задачам.

Химические реакции внутри батарейки создают некоторое «электрическое давление». Разумеется, правильным наименованием для этого давления будет слово напряжение, которое измеряется в вольтах в честь Алессандро Вольта, одного из первооткрывателей электричества.

Вернемся к «водяной» аналогии. Высота уровня воды в баке пропорциональна давлению воды, и ее можно сравнить с электрическим напряжением (рис. 1.29).

Но вольты это всего лишь половина истории. Когда поток электронов проходит через провод, то его называют током и меряют в амперах — это название введено в честь еще одного первооткрывателя электричества Андре-Мари Ампера. Этот поток обычно называют силой тока. Это тот самый ток (поток зарядов в единицу времени, выраженный в амперах), который приводит к тому, что происходит выделение тепла.

Рис. 1.29. Представим напряжение давлением, а электрический ток в амперах — потоком воды

Почему ваш язык не разогревается?

Когда вы языком касались контактов 9-вольтовой батарейки, то чувствовали некоторое покалывание, но ощутимого тепла не возникало. Когда вы закоротили батарейку, то происходит выделение какого-то количества тепла даже при использовании пониженного напряжения. Как вы можете это объяснить?

Электрическое сопротивление вашего языка достаточно высоко, что уменьшает поток электронов. Сопротивление провода, напротив, очень низкое, поэтому, как только провода подключаются к выводам батарейки, ток, проходящий по ним, будет существенно больше, что и приводит к выделению тепла. Если все остальные факторы остаются постоянными:

• Меньшее сопротивление приводит к протеканию большего тока (рис. 1.30).

Рис. 1.30. Чем больше результирующее значение сопротивления, тем меньше поток — но если вы увеличиваете давление, то вы можете преодолеть сопротивление и создать больший по величине поток

• Тепло, создаваемое электрическим током, пропорционально количеству электричества (заряду), который перетек.

Далее приведены некоторые основные положения:

• Сила тока (поток электричества в секунду) измеряется в амперах.

• Напряжение, которое приводит к созданию тока, измеряется в вольтах.

• Сопротивление току измеряется в омах.

• Большее сопротивление ограничивает ток.

• Более высокое напряжение приводит к преодолению сопротивления и повышению силы тока.

Если вам хочется знать точное значение электрического тока между выводами батарейки, когда вы закорачиваете ее, то это относится к числу вопросов, на которые дать ответ достаточно трудно.

Если же вы для измерения попытаетесь использовать мультиметр, то вы будете нести ответственность за перегорание предохранителя внутри этого прибора. Но при этом вы можете использовать имеющийся у вас автомобильный предохранитель на 3 А, который не жалко и сжечь, поскольку он достаточно дешевый.

Однако сначала надо тщательно проверить предохранитель, используя хотя бы увеличительное стекло, если конечно оно у вас есть. При этом вы должны увидеть тонкую S-образную проволоку в прозрачном окошке в центре предохранителя. Эта буква «S» является тонкой металлической проволокой, которая может легко расплавиться при токе, превышающем номинальное значение предохранителя.

Извлеките из держателя батарейку, которую вы немногим ранее закорачивали. Она теперь не пригодна ни для чего, и должна быть утилизирована, если это возможно. Установите свежую батарейку в держатель и подсоедините предохранитель так, как это показано на рис. 1.31, а затем понаблюдайте за ним. Вы должны в центре предохранителя заметить перегорание проволочки в форме буквы «S», где металл будет расплавлен почти мгновенно. На рис. 1.32 показан предохранитель до его подключения, а на рис. 1.33 — перегоревший. Это объясняет то, каким образом работает предохранитель: он расплавятся, чтобы защитить остальную цепь. Этот небольшой разрыв в центре предохранителя прекращает протекание электрического тока.

Рис. 1.31. Когда вы присоедините оба провода к предохранителю, то маленький проволочный его элемент в форме буквы «S» будет почти мгновенно расплавлен

Рис. 1.32. Целый автомобильный предохранитель номиналом 3 А до проведения опыта