O električnem toku, napetosti in moči iz sovjetske otroške knjige: preprosto in jasno

V Sovjetski zvezi, ki je dosegla zelo resne uspehe v razvoju znanosti in tehnologije, je radioamatersko gibanje postalo zelo razširjeno. Več tisoč mladih državljanov je študiralo radijsko tehniko pod vodstvom inštruktorjev v radijskih krožkih in radijskih klubih, ki imajo posebno tehnično literaturo, orodja in instrumente. Mnogi od njih so v prihodnosti postali kvalificirani inženirji, oblikovalci, znanstveniki.

Za takšna radijska vezja je bila izdana poljudnoznanstvena literatura, v kateri so bila razložena različna vprašanja fizike, mehanike, elektrotehnike in elektronike v preprostem jeziku z velikim številom ilustracij.

Eden od primerov takšnih knjig je knjiga Česlova Klimčevskega »Abeceda radioamaterja«, ki jo je izdala založba »Svyazizdat« leta 1962. Prvi del knjige se imenuje »Elektrotehnika«, drugi del »Radio Inženiring", tretji je "Praktični nasveti". , četrti razdelek - "Namestimo sami".

Samo knjigo lahko prenesete tukaj: Radioamaterska abeceda (divja)

Tovrstna knjiga v šestdesetih letih prejšnjega stoletja ni sodila med visoko specializirano literaturo.Izhajali so v nakladah več deset tisoč izvodov in so bili namenjeni množičnemu bralcu.

Radio Raz je bil tako popolnoma uveljavljen v vsakdanjem življenju ljudi, da je takrat veljalo, da ne moreš biti omejen le z vrtenjem gumbov Nika. In vsak izobražen človek bi moral študirati radio, da bi razumel, kako poteka radijski prenos in radijski sprejem, da bi se seznanil z osnovnimi električnimi in magnetnimi pojavi, ki so ključni za teorijo radijske tehnike. Prav tako se je treba na splošno seznaniti s sistemi in zasnovo sprejemnih naprav.

Poglejmo skupaj in presodimo, kako so takrat znali kompleksne stvari pojasniti s preprostimi slikami.

Začetni radioamater našega časa:

O električnem toku

Vse snovi na svetu in s tem vsi predmeti okoli nas, gore, morja, zrak, rastline, živali, ljudje, so sestavljeni iz neizmerno majhnih delcev, molekul, slednje pa iz atomov. Kos železa, kapljica vode, nepomembna količina kisika so kopičenje milijard atomov, ene vrste v železu, druge v vodi ali kisiku.

Če pogledate gozd od daleč, je videti kot temen trak, ki je sestavljen iz enega kosa (primerjajte ga na primer s kosom železa). Ko se približajo robu gozda, se vidijo posamezna drevesa (v kosu železa — atomi železa). Gozd sestavljajo drevesa; podobno je snov (kot je železo) sestavljena iz atomov.

V iglastem gozdu so drevesa drugačna kot v listavcih; prav tako so molekule vsakega kemičnega elementa sestavljene iz atomov, ki se razlikujejo od molekul drugih kemičnih elementov. Torej se atomi železa razlikujejo od, na primer, atomov kisika.

Ko se približamo še bližje drevesom, vidimo, da je vsako od njih sestavljeno iz debla in listov. Na enak način so atomi snovi sestavljeni iz t.i Jedro (deblo) in elektroni (listi).

Deblo je težko in jedro je težko; predstavlja pozitivni električni naboj (+) atoma. Listi so lahki in elektroni so lahki; na atomu tvorijo negativni električni naboj (-).

Različna drevesa imajo debla z različnim številom vej in število listov ni enako.Prav tako je atom, odvisno od kemijskega elementa, ki ga predstavlja, sestavljen (v najpreprostejši obliki) iz jedra (debla) z več pozitivnimi naboji — tako imenovani protoni (veje) in številni negativni naboji - elektroni (listi).

V gozdu, na tleh med drevesi, se kopiči veliko odpadlega listja. Veter te liste dvigne s tal in krožijo med drevesi. Torej je v snovi (na primer kovini) med posameznimi atomi določena količina prostih elektronov, ki ne pripadajo nobenemu od atomov; ti elektroni se naključno premikajo med atomi.

Če žice, ki prihajajo iz električne baterije, povežete s koncem kosa kovine (na primer jeklene kljuke): povežite en konec s plusom baterije - prinesite tako imenovani pozitivni električni potencial (+) nanjo, drugi konec pa na minus baterije - prinesite negativni električni potencial (-), potem se bodo prosti elektroni (negativni naboji) začeli premikati med atomi znotraj kovine in hiteli na pozitivno stran baterije.

To je razloženo z naslednjo lastnostjo električnih nabojev: nasprotni naboji, to je pozitivni in negativni naboji se privlačijo; podobni naboji, torej pozitivni ali negativni, se nasprotno odbijajo.

Prosti elektroni (negativni naboji) v kovini se privlačijo na pozitivno nabit (+) pol akumulatorja (vir toka) in se zato v kovini ne gibljejo več naključno, ampak na plus strani vira toka.

Kot že vemo, je elektron električni naboj. Veliko število elektronov, ki se gibljejo v eno smer znotraj kovine, sestavljajo tok elektronov, tj. električni naboji. Ti električni naboji (elektroni), ki se premikajo v kovini, tvorijo električni tok.

Kot smo že omenili, se elektroni premikajo po žicah od minusa do plusa. Vendar smo se strinjali, da menimo, da tok teče v nasprotni smeri: od plusa do minusa, to je, kot da se po žicah ne premikajo negativni, ampak pozitivni naboji (takšni pozitivni naboji bi pritegnili minus tokovnega vira) .

Čim več listov v gozdu poganja veter, tem debelejše napolni zrak; prav tako več nabojev teče v kovini, večja je količina električnega toka.

Vsaka snov ne more prenašati električnega toka z enako lahkoto. Prosti elektroni se zlahka premikajo, na primer v kovinah.

Snovi, v katerih se električni naboji zlahka premikajo, imenujemo prevodniki električnega toka. Nekateri materiali, imenovani izolatorji, nimajo prostih elektronov in zato skozi izolatorje ne teče električni tok. Izolatorji med drugim vključujejo steklo, porcelan, sljudo, plastiko.

Proste elektrone, ki so prisotni v snovi, ki prevaja električni tok, lahko primerjamo tudi z vodnimi kapljicami.

Posamezne kapljice v mirovanju ne ustvarjajo vodnega toka. Veliko jih v gibanju tvori potok ali reko, ki teče v eno smer. Kapljice vode v tem potoku ali reki se gibljejo v toku, katerega moč je tem večja, čim večja je razlika v nivojih struge na njeni poti in s tem večja je razlika v »potencialih« (višinah) posameznika. posamezne segmente te poti.

Velikost električnega toka

Da bi razumeli pojave, ki jih povzroča električni tok, ga primerjajte s tokom vode. V potokih tečejo majhne količine vode, v rekah pa velike količine vode.

Predpostavimo, da je vrednost pretoka vode v potoku enaka 1; Vzemimo za primer vrednost pretoka v reki 10. Nazadnje, za močno reko je vrednost pretoka vode recimo 100, kar je stokrat večja od vrednosti pretoka v potoku.

Šibek curek vode lahko poganja kolo samo enega mlina. Vrednost tega toka bomo vzeli enako 1.

Dvakrat večji tok vode lahko požene dva od teh mlinov. V tem primeru je vrednost pretoka vode enaka 2.

Petkrat večji tok vode lahko požene pet enakih mlinov; vrednost vodnega toka je zdaj 5. Tok vodnega toka v reki lahko opazujemo; električni tok teče po žicah, ki so našim očem nevidne.

Naslednja slika prikazuje elektromotor (elektromotor), ki ga poganja električni tok. Vzemimo v tem primeru vrednost električnega toka enako 1.

Ko električni tok poganja dva takšna elektromotorja, bo količina toka, ki teče skozi glavno žico, dvakrat večja, to je enaka 2.Končno, ko električni tok napaja pet enakih elektromotorjev, je tok na glavni žici petkrat večji kot v prvem primeru; zato je njegova magnituda 5.

Praktična enota za merjenje količine pretoka vode ali druge tekočine (tj. količine, ki teče na časovno enoto, na primer na sekundo, skozi prečni prerez rečne struge, cevi itd.) je liter na sekundo.

Za merjenje velikosti električnega toka, to je količine nabojev, ki tečejo skozi presek žice na časovno enoto, se kot praktična enota vzame amper.Tako se velikost električnega toka določi v amperih. Skrajšani amper je označen s črko a.

Vir električnega toka je lahko na primer galvanska baterija ali električni akumulator.

Velikost baterije ali akumulatorja določa količino električnega toka, ki ga lahko zagotovijo, in trajanje njihovega delovanja.

Za merjenje jakosti električnega toka v elektrotehniki uporabite posebne naprave, ampermetre (A). Različne električne naprave prenašajo različne količine električnega toka.

Napetost

Druga električna količina, ki je tesno povezana z velikostjo toka, je napetost. Da bi lažje razumeli, kakšna je napetost električnega toka, jo primerjajmo z razliko v nivojih struge (padec vode v reko), tako kot smo primerjali električni tok s tokom vode. Z majhno razliko v nivojih kanalov bomo vzeli razliko enako 1.

Če je razlika v nivoju struge večja, potem je tudi padec vode večji. Recimo, da je enako 10, to je desetkrat več kot v prvem primeru.Končno, pri še večji razliki v nivojih padca vode, je recimo 100.

Če vodni tok pada z majhne višine, potem lahko poganja samo en mlin. V tem primeru bomo vzeli kapljico vode enako 1.

Isti potok, ki pada z dvakratne višine, lahko vrti kolesa dveh podobnih mlinov. V tem primeru je padec vode enak 2.

Če je razlika v nivojih kanalov petkrat večja, potem isti tok poganja pet takih mlinov. Padec vode je 5.

Podobne pojave opazimo pri upoštevanju električne napetosti. Dovolj je, da izraz "vodna kapljica" zamenjate z izrazom "električna napetost", da razumete, kaj to pomeni v naslednjih primerih.

Naj gori le ena svetilka. Recimo, da je nanj priključena napetost enaka 2.

Da pet takšnih žarnic, povezanih na enak način, gori, mora biti napetost enaka 10.

Ko svetita dve enaki žarnici, povezani med seboj (kot so žarnice običajno povezane v girlandah za novoletno jelko), je napetost 4.

V vseh obravnavanih primerih teče skozi vsako žarnico električni tok enake jakosti in na vsako od njih deluje enaka napetost, ki je del skupne napetosti (napetosti baterije), ki je v vsakem posameznem primeru drugačna.

Naj reka teče v jezero. Pogojno bomo gladino vode v jezeru vzeli za nič.Takrat je gladina struge pri drugem drevesu glede na gladino vode v jezeru enaka 1 m, gladina struge pri tretjem drevesu pa je enaka 1 m. drevo bo 2 m. Niveleta kanala pri tretjem drevesu je 1 m višja od njene gladine pri drugem drevesu, tj. med temi drevesi je enaka 1 m.

Razlika v nivojih kanalov se meri v enotah dolžine, na primer, kot smo storili, v metrih. V elektrotehniki gladina rečne struge na kateri koli točki glede na določeno ničelno raven (v našem primeru gladina jezera) ustreza električnemu potencialu.

Razlika v električnem potencialu se imenuje napetost. Električni potencial in napetost se merita z isto enoto - voltom, okrajšano s črko c. Tako je enota za merjenje električne napetosti volt.

Za merjenje električne napetosti se uporabljajo posebne merilne naprave, imenovane voltmetri (V).

Tak vir električnega toka, kot je baterija, je splošno znan. Ena celica tako imenovanega svinčenega akumulatorja (pri katerem so svinčene plošče potopljene v vodno raztopino žveplove kisline) ima pri polnjenju napetost približno 2 volta.

Anodna baterija, ki se uporablja za napajanje baterijskih radijskih sprejemnikov z električnim tokom, je običajno sestavljena iz več deset suhih galvanskih členov, vsak z napetostjo približno 1,5 V.

Ti elementi so povezani zaporedno (to pomeni, da je plus prvega elementa povezan z minusom drugega, plus drugega - z minusom tretjega itd.). V tem primeru je skupna napetost baterije enaka vsoti napetosti celic, iz katerih je sestavljena.

Torej vsebuje 150 V baterija 100 takšnih celic, ki so med seboj povezane zaporedno.

V vtičnico svetlobnega omrežja z napetostjo 220 V lahko priključite eno žarnico z žarilno nitko za napetost 220 V ali 22 enakih zaporedno povezanih lučk za božično drevo, od katerih je vsaka zasnovana za napetost 10 V.V tem primeru bo imela vsaka žarnica samo 1/22 omrežne napetosti, to je 10 voltov.

Napetost, ki deluje na določeno električno napravo, v našem primeru žarnico, imenujemo padec napetosti. Če 220 V žarnica porabi enak tok kot 10 V žarnica, bo skupni tok, ki ga girlanda črpa iz omrežja, enak po velikosti kot tok, ki teče skozi 220 V žarnico.

Iz povedanega je razvidno, da lahko na primer dve enaki 110-voltni žarnici priključimo na omrežje 220 V, zaporedno povezani med seboj.

Možno je segrevati radijske cevi, zasnovane za napetost 6,3 V, na primer iz baterije, sestavljene iz treh zaporedno povezanih celic; sijalke, ki so zasnovane za napetost žarilne nitke 2 V, se lahko napajajo iz ene celice.

Napetost žarilne nitke radijskih električnih cevi je zaokrožena na začetku simbola žarnice: 1,2 V - s številko 1; 4,4 in — številka 4; 6,3 in — številka 6; 5 c — številka 5.

Za vzrok, ki povzroča električni tok

Če dve območji zemeljske površine, tudi daleč narazen, ležita na različnih ravneh, lahko pride do vodnega toka. Voda bo tekla od najvišje točke do najnižje.

Enako velja za električni tok. Lahko teče le, če obstaja razlika v električnih nivojih (potenciali). Na vremenski karti je najvišja barometrična raven (visok tlak) označena z znakom "+", najnižja raven pa z znakom "-".

Ravni bodo poravnane v smeri puščice. Veter bo pihal v smeri območja z najnižjo barometrsko stopnjo. Ko se tlak izenači, se gibanje zraka ustavi. Tako se bo tok električnega toka ustavil, če se bosta električna potenciala izenačila.

Med nevihto pride do izenačitve električnih potencialov med oblaki in tlemi oziroma med oblaki. Pojavi se v obliki strele.

Obstaja tudi potencialna razlika med sponkami (poli) vsakega galvanskega člena ali baterije. Torej, če nanj pritrdite na primer žarnico, bo tok tekel skozi to. Sčasoma se potencialna razlika zmanjša (pride do izenačitve potenciala) in tudi količina toka, ki teče.

Če žarnico vključite v električno omrežje, bo skozi njo stekel tudi električni tok, saj obstaja potencialna razlika med podnožji vtičnice. Vendar se za razliko od galvanskega člena ali baterije ta potencialna razlika ohranja konstantno - dokler elektrarna deluje.

Električna energija

Med električno napetostjo in tokom obstaja tesna povezava. Količina električne energije je odvisna od količine napetosti in toka. Naj to pojasnimo z naslednjimi primeri.

Češnja pade z nizke višine: Nizka višina - rahla napetost. Majhna sila udarca — nizka električna moč.

Kokosov oreh pade z majhne višine (glede na to, kamor je fant splezal): Velik predmet - velik tok. Nizka nadmorska višina - majhen stres. Relativno velika udarna sila — relativno velika moč.

Majhen cvetlični lonec pade z velike višine: Majhen predmet je majhen tok. Velika višina padca je velik stres. Velika moč udarca — velika moč.

Plaz, ki pada z velike višine: velike mase snega — velik tok. Velika višina padca je velik stres. Velika rušilna moč snežnega plazu je velika električna moč.

Pri visokem toku in visoki napetosti dobimo veliko električno moč.Toda isto moč je mogoče dobiti z večjim tokom in ustrezno nižjo napetostjo ali, nasprotno, z nižjim tokom in višjo napetostjo.

Električna moč enosmernega toka je enaka produktu vrednosti napetosti in toka. Električna moč je izražena v vatih in označena s črkama W.

Rečeno je bilo že, da lahko pretok vode določene velikosti požene en mlin, dvakrat večji tok - dva mlina, štirikrat večji pretok - štiri mline itd., kljub temu, da bo padec vode (napetost) enak. .

Na sliki je prikazan majhen pretok vode (kar ustreza električnemu toku), ki vrti kolesa štirih mlinov zaradi dejstva, da je padec vode (ki ustreza električni napetosti) dovolj velik.

Kolesa teh štirih mlinov se lahko vrtijo z dvakratnim pretokom vode na polovici višine padca. Potem bi bili mlini razporejeni nekoliko drugače, rezultat pa bi bil enak.

Naslednja slika prikazuje dve sijalki, ki sta vzporedno priključeni na 110 V svetlobno omrežje. Skozi vsako od njih teče tok 1 A. Tok, ki teče skozi obe žarnici, je skupaj 2 ampera.

Zmnožek vrednosti napetosti in toka določa moč, ki jo te svetilke porabijo iz omrežja.

110V x 2a = 220W.

Če je napetost v omrežju razsvetljave 220 V, morajo biti iste sijalke povezane zaporedno, ne pa vzporedno (kot v prejšnjem primeru), tako da je vsota padca napetosti na njih enaka napetosti omrežje. Tok, ki v tem primeru teče skozi obe žarnici, je 1 A.

Produkt vrednosti napetosti in toka, ki teče skozi tokokrog, nam bo dal moč, ki jo porabijo te svetilke 220 V x 1a = 220 W, torej enako kot v prvem primeru.To je razumljivo, saj je v drugem primeru tok, vzet iz omrežja, dvakrat manjši, vendar dvakrat večja napetost v omrežju.

Watt, kilovat, kilovatna ura

Vsaka električna naprava ali stroj (zvonec, žarnica, elektromotor itd.) porabi določeno količino električne energije iz omrežja razsvetljave.

Za merjenje električne moči se uporabljajo posebne naprave, imenovane vatmetri.

Moč, na primer, svetilke, elektromotorja itd., lahko določimo brez pomoči vatmetra, če sta omrežna napetost in količina toka, ki teče skozi porabnik električne energije, priključen na omrežje. znan.

Podobno, če sta znani poraba energije v omrežju in napetost v omrežju, je mogoče določiti količino toka, ki teče skozi porabnika.

Na primer, 110-voltno svetlobno omrežje vključuje 50-vatno svetilko. Kakšen tok teče skozenj?

Ker je produkt napetosti, izražene v voltih, in toka, izraženega v amperih, enak moči, izraženi v vatih (za enosmerni tok), potem po opravljenem obratnem izračunu, to je, delite število vatov s številom voltov ( omrežna napetost), dobimo količino toka v amperih, ki teče skozi žarnico,

a = š/b,

tok je 50 W / 110 V = 0,45 A (pribl.).

Tako skozi sijalko, ki porabi 50 W energije in je priključena na električno omrežje 110 V, teče tok okoli 0,45 A.

Če so v razsvetljavo prostora vključeni lestenec s štirimi 50-vatnimi žarnicami, namizna svetilka z eno 100-vatno žarnico in 300-vatni likalnik, je moč vseh porabnikov energije 50 W x 4 + 100 W. + 300 W = 600 W.

Ker je omrežna napetost 220 V, teče električni tok enak 600 W / 220 V = 2,7 A (približno) skozi žice skupne razsvetljave, primerne za ta prostor.

Naj elektromotor porabi 5000 vatov moči iz omrežja ali, kot pravijo, 5 kilovatov.

1000 vatov = 1 kilovat, tako kot 1000 gramov = 1 kilogram. Kilovati so okrajšani kot kW. Zato lahko za elektromotor rečemo, da porabi moč 5 kW.

Da bi ugotovili, koliko energije porabi katera koli električna naprava, je treba upoštevati čas, v katerem je bila ta energija porabljena.

Če 10-vatna žarnica sveti dve uri, je poraba električne energije 100 vatov x 2 uri = 200 vatnih ur ali 0,2 kilovatne ure. Če 100-vatna žarnica sveti 10 ur, potem je količina porabljene energije 100 vatov x 10 ur = 1000 vatnih ur ali 1 kilovatna ura. Kilovatne ure so okrajšane kot kWh.

V tej knjigi je še marsikaj zanimivega, a že ti primeri kažejo, kako odgovorno in iskreno so takratni avtorji pristopali k svojemu delu, predvsem pri poučevanju otrok.