Электроника для начинающих [1-е издание]

W = U х I.

U = W/I.

I = W/U.

Для ватт используется сокращенное международное обозначение «W», в русском обозначении «Вт». Совместно с сокращенными обозначениями ватт могут быть использованы различные приставки, такие, например, как «m» для обозначения «милли» — «mW» (в русском обозначении «мВт»), впрочем, точно такие же, как и в случае применения вольтов или ампер (табл. 1.7).

Поскольку электростанции, солнечные батареи и ветряные электростанции генерируют гораздо бóльшие значения мощности, то вы также можете встретить такие обозначения, как «киловатты» (для обозначения используется буква «K» или в русском обозначении «к») и «мегаватты» (для обозначения используется прописная буква «M», чтобы не спутать ее со строчной буквой «м», которая применяется для обозначения милливатт) (табл. 1.8).

Мощность лампочек накаливания выражается в ваттах.

В аналогичных единицах измеряется мощность стереосистемы. Ватт получил свое название в честь Джеймса Ватта, который изобрел паровой двигатель. Кстати, ватты могут быть переведены в лошадиные силы и наоборот.

Расчет мощности

Ранее я уже упоминал, что резисторы изготавливают с различными стандартными значениями мощности — 0,25 Вт, 0,5 Вт, 1 Ватт и т. д. Я советовал, чтобы вы купили резисторы мощностью 0,25 Вт или больше. Откуда я это узнал?

Давайте вернемся назад к цепи со светодиодом. Помните, мы хотели, чтобы на резисторе падало напряжение 3,5 В, а ток был бы равен 20 мА. Какое количество мощности рассеивается на этом резисторе?

Запишите, что вам известно:

U = 3,5 В (падение напряжения на резисторе)

I = 20 мА = 0,02 А (ток, протекающий через резистор)

Мы хотим узнать мощность в ваттах, поэтому используем формулу, где мощность располагается в левой части уравнения:

W = U х I.

Теперь надо подставить значения в эту формулу:

W = 3,5 В х 0,02 А = 0,07 Вт (мощность, которая рассеивается резистором)

Таким образом, мы выяснили, что используемый нами резистор мощностью 0,25 Вт (1/4 ватта) имеет почти 4-кратный запас по сравнению с действительно рассеиваемой им мощностью.

На самом деле здесь мы могли бы использовать резисторы мощностью 0,125 Вт (1/8 ватта), но для будущих экспериментов нам понадобятся резисторы мощностью 0,25 Вт. Поэтому в данном случае применяют именно такие резисторы, поскольку нет никаких ограничений для использования резистора, рассчитанного на мощность бóльшую, чем та, которая в действительности на нем рассеивается.

Эксперимент 5. ДАВАЙТЕ СДЕЛАЕМ БАТАРЕЙКУ

Много лет назад еще до возможности совершения «путешествий» по сайтам в Интернете, обмена файлами или изобретения сотовых телефонов детей строго наказывали, поскольку тогда многие из них часто развлекались, устраивая эксперименты на кухонном столе, например, такие, как изготовление примитивной батарейки путем помещения гвоздя и одноцентовой монетки в лимон. В это трудно поверить, но наверное, это правда!

Это достаточно старый опыт — но я в любом случае хочу проверить его, поскольку каждый, кто хочет ощутить природу электричества, должен знать, насколько легко получить его из предметов, которые нас постоянно окружают в жизни. Кроме того, если вы будете использовать достаточное количество лимонов, то сможете получить такое напряжение, которое даже позволит зажечь светодиод.

Основными компонентами батарейки являются два металлических электрода, погруженных в электролит. Здесь я не буду давать определения используемым терминам (они будут объяснены в следующем разд. «Теория — Природа электричества»).

Сейчас вам нужно уяснить, что лимонный сок у нас будет электролитом, а медь и цинк будут электродами. В одноцентовой монетке содержится достаточное количество меди, особенно если она относительно новая и блестит. Надо понимать, что монета не изготовлена целиком из меди, она имеет только лишь медное покрытие, что в нашем случае вполне достаточно.

Чтобы найти металлический цинк, вам надо посетить хозяйственный магазин, где нужно спросить кровельные гвозди. Эти гвозди имеют цинковое покрытие, что защищает их от коррозии.

Кроме того, можно воспользоваться небольшими металлическими кронштейнами или крепежными пластинами, которые также обычно покрыты цинком. Они должны иметь несколько приглушенный (матовый) серебряный оттенок. Если они имеют светлое покрытие, близкое к зеркальному, то скорее всего, что это никелевое покрытие.

Разрежьте лимон пополам и выберите на вашем мультиметре такой режим и предел, чтобы он мог измерять постоянное напряжение величиной до 2 В. Затем приложите один измерительный щуп к монете, а второй к кровельному гвоздю (или же какой-либо другой детали, покрытой цинком). Теперь вставьте монету и гвоздь в мякоть лимона так, чтобы они находились на максимально близком расстоянии друг от друга, но все же не касались. Вы должны обнаружить, что ваш тестер покажет напряжение примерно от 0,8 до 1 В.

Вы можете повторить эксперимент с другими предметами и жидкостями, чтобы определить какие из них дают лучший результат. Погружение гвоздя и монеты в лимонный сок, который вы отжали в стеклянный стакан или подставку для яйца, может улучшить эффективность вашей батарейки, хотя вам придется достаточно тяжело при удерживании всех этих предметов в нужном положении. В качестве замены лимонного сока могут использоваться сок грейпфрута и винограда.

Чтобы заставить светиться стандартный светодиод, вам нужно будет получить напряжение величиной около 1 В. Как добиться большего значения электрического напряжения? Конечно же, последовательным подключением батареек. Другими словами, за счет использования большего количества лимонов! (Или же большего количества стаканов и подставок под яйцо с соком.)

Вам также могут пригодиться небольшие куски проводов, чтобы соединить несколько электродов. Здесь можно немного пролистать книгу вперед и обратиться к главе 2, где я описываю, как нужно снимать изоляцию с проводов. На рис. 1.61 (ЦВ-рис. 1.61) и рис. 1.62 показана схема данного эксперимента.

Рис. 1.61. Батарейка, сделанная из трех лимонов. Не очень огорчайтесь, если светодиод вдруг перестал светиться. Лимоны имеют достаточно высокое электрическое сопротивление, поэтому мы не можем подать достаточно существенный ток, особенно через относительно малую площадь поверхности гвоздя и монетки. Тем не менее батарейка из лимона в состоянии генерировать напряжение, которое вы можете измерить с помощью вашего мультиметра

Рис. 1.62. Лимонный сок из бутылок будет «работать» так же хорошо, как и свежевыжатый. Я отрезал нижние части трех бумажных стаканчиков, вставил в них оцинкованные кронштейны и использовал куски толстого медного многожильного провода для изготовления положительных электродов

Если все элементы схемы вы соберете правильно, и убедитесь, что электроды не касаются друг друга, то вы сможете заставить светиться светодиод с помощью двух или трех «лимонных батареек», соединенных последовательно. (Некоторые типы светодиодов отличаются от большинства, обладая достаточно большой чувствительностью к низким значениям тока. Позднее в этой книге я буду говорить о светодиодах, работающих при очень низких значениях тока. Поэтому, если вы хотите улучшить шансы вашей батарейки зажечь светодиод, то вам нужно поискать и купить парочку именно таких светодиодов.)

Насколько же большой ток может быть создан вашей лимонной батарейкой? Установите на вашем мультиметре режим для измерения тока в миллиамперах и подключите его к гвоздю и монете. Я измерил ток величиной порядка 2 мА. Однако я смог получить ток 10 мА, когда вместо монет использовал толстый медный 10-жильный провод, а вместо кровельного гвоздя — большую оцинкованную пластинку для соединения деревянных элементов каркасного дома, которые были опущены в грейпфрутовый сок (см. рис. 1.62). Таким образом, при увеличении поверхности металлического электрода, лучше контактирующего с электролитом, можно получить соответственно и больший ток.

Каково же внутреннее сопротивление вашего лимона? Извлеките медный и цинковый электроды и вставьте измерительные щупы с никелевым покрытием в сок. При измерении сопротивления я получал результат порядка 30 кОм, когда оба щупа находились в тех же местах в лимоне, что и вынутые электроды.

Если же измерительные щупы были вставлены в другие места (на большее расстояние друг от друга), то сопротивление было 40 кОм или даже больше. Меньше ли будет сопротивление, если вы будете проверять сопротивление жидкости в чашке?

Здесь осталось еще два вопроса, которые вы можете исследовать. Насколько долго ваша лимонная батарейка будет в состоянии генерировать электричество? И как вы думаете, почему покрытые цинком электроды становятся бесцветными после некоторого времени их использования?

Электричество генерируется батареей за счет обмена ионами или свободными электронами между металлами. Если же вы хотите узнать больше об этом, то обратитесь к разд. «Теория — Природа электричества».

Внимание!

При измерении тока никогда не подключайте ваш мультиметр между выводами настоящей батареи. Ток будет настолько большим, что вы в лучшем случае можете сжечь предохранитель мультиметра.

Природа электричества

Чтобы понять природу электричества, вы должны начать с таких основ, как изучение строения атомов. Каждый атом состоит из ядра, в центре которого содержатся протоны, имеющие положительный заряд. Каждое ядро окружено электронами, которые имеют отрицательный заряд.

Деление ядра атома требует использования большого количества энергии, но при этом может высвободиться большое количество энергии — как это случается при атомном взрыве. Но для того, чтобы заставить пару электронов покинуть атом (или присоединиться к другому атому), требуется сравнительно небольшое количество энергии. Например, когда цинк вступает в химическую реакцию с кислотой, он освобождает электроны.

Это то, что случается с цинковым электродом в химической батарейке при выполнении эксперимента 5.

Реакция вскоре останавливается, поскольку электроны накапливаются на цинковом электроде. Они отталкивают друг друга, если им некуда двигаться. Вы можете представить их в виде толпы враждебных друг к другу людей, каждый из которых хочет выкинуть другого и отказывается допустить еще кого-нибудь присоединиться к ним, как это показано на рис. 1.63.

Рис. 1.63. Электроны, расположенные на электроде, плохо относятся друг к другу, что заставляет их отталкивать друг друга

Теперь рассмотрим, что происходит, когда провод соединяет цинковый электрод, на котором находится избыток электронов с другим электродом, изготовленным из другого материала, в котором, наоборот, ощущается недостаток электронов. Электроны могут проходить по проводу очень легко, переходя от одного атома к другому, поэтому они покидают цинковый электрод и перемещаются по проводу, движимые сильнейшим желанием оторваться друг от друга (рис. 1.64). Эта совместная движущая сила и создает то, что называется электрическим током.

Рис. 1.64. Как только мы открываем для переполненного электронами цинкового электрода путь к медному электроду, который содержит «дырки» для электронов, совместное отталкивание электронов заставляет их пытаться отделиться друг от друга и добраться до своего нового «дома» как можно быстрее

Теперь популяция электронов на цинковом электроде уменьшается, но реакция цинка с кислотой может продолжаться, заменяя ушедшие электроны новыми, которые мгновенно начинают повторять поведение своих предшественников, отталкивая друг друга при перемещении по проводу. Процесс продолжается до тех пор, пока реакция цинка с кислотой не прекратится. Обычно это происходит из-за того, что создается слой некоторого соединения, как правило это оксид цинка, который не реагирует с кислотой и предотвращает реакцию с цинком, находящимся внутри электрода (Именно поэтому цинковый электрод при извлечении из кислотного электролита выглядит так, как будто он покрыт сажей.)

Это описание применимо к «первичной батарее», и означает, что она готова к генерированию электрического тока, как только соединение ее выводов дает возможность перемещаться электронам от одного электрода к другому. То количество электричества, которое может генерировать первичная батарея, определяется скоростью, с которой в результате химической реакции освобождаются электроды. Когда металл электродов полностью прореагирует, батарея не может больше продолжать генерировать электричество и выходит из строя. Ее невозможно будет легко перезарядить, поскольку химические реакции не так-то легко заставить идти в обратном направлении, а сами электроды могут покрыться слоем окисла.

В аккумуляторных батареях, которые также известны как батареи с возможностью подзарядки, электроды и электролит подобраны более разумно, что позволяет проводить реакцию в обратном направлении.

Наведение порядка и повторное использование компонентов

Металлические детали, которые вы поместили в лимон или лимонный сок, могут потерять свой цвет, но оставаться пригодными для повторного использования. Захотите ли вы съесть этот лимон после, зависит только от вас.

Положительный и отрицательный

Если электричество это поток электронов, которые имеют отрицательный заряд, то почему люди говорят, что электрический ток течет от положительного вывода батарейки к отрицательному?

Ответ лежит в фундаментальном заблуждении, которое сформировалось в процессе изучения электричества. По различным причинам Бенджамин Франклин пытался понять природу электрического тока, изучая такое явление, как молния во время грозы. Он считал, что наблюдает «поток электрической жидкости», которая течет от положительного полюса к отрицательному.

Франклин предложил эту концепцию в 1747 году.

Фактически Франклин сделал неудачную попытку объяснения, которое оставалось неисправленным до тех пор, пока физик Дж. Дж. Томсон не объявил о своем открытии электрона в 1897 году, т. е. на 150 лет позже. Электрический ток на самом деле течет из области с большим количеством отрицательного заряда в некоторую другую область, которая «менее отрицательна» — что означает, что она «более положительна». Другими словами, электрический ток это поток отрицательно заряженных частиц. В батарее этот поток начинается на отрицательном выводе и течет к положительному.

Вы можете подумать, что когда этот факт был установлен, то все стали опровергать идею Франклина, что поток электрических зарядов течет от положительного вывода к отрицательному. Но когда электрон двигается по проволоке, вы можете продолжать думать, что эквивалентный положительный заряд перемещается в противоположном направлении. Когда же электроны покидают свое «место жительства», они забирают с собой небольшой отрицательный заряд; поэтому оставшееся место становится более положительным. Когда же электрон достигает своего места назначения, его отрицательный заряд делает его несколько менее положительным. Должно случиться что-то очень существенное, чтобы предположение о движении положительных частиц в обратном направлении изменилось.

Более того, все математическое описание поведения электрических зарядов справедливо, если его применять, используя представление о потоке положительных частиц.

Отдавая дань традиции и удобствам, мы все еще оставляем действующей ошибочную концепцию Бена Франклина о потоке положительных частиц к отрицательному полюсу, поскольку на самом деле никакой разницы нет. В графических условных обозначениях, которые используются для обозначения диодов и транзисторов, вы все еще найдете стрелки, которые показывают каким образом эти компоненты должны быть установлены — и все эти стрелки указывают направление от положительного к отрицательному полюсу, даже если это и не соответствует тому, как на самом деле функционируют эти устройства! Бен Франклин возможно был бы удивлен, если бы узнал, что хотя молнии представляют собой потоки отрицательного заряда в облаках, которые разряжаются для нейтрализации на положительном заряде земли, некоторые виды молний на самом деле представляют собой потоки электронов от отрицательно заряженной поверхности земли к положительно заряженным облакам. Это действительно так: и те кого «ударяет молнией» могут пострадать именно от испускания электронов, как это показано на рис. 1.65, а не от их получения.

Рис. 1.65. При некоторых погодных условиях поток электронов во время молнии может пройти с поверхности земли через ваши ноги, верхнюю часть головы и далее в облака. Бенджамин Франклин был бы этому очень удивлен