O prądzie elektrycznym, napięciu i mocy z radzieckiej książki dla dzieci: proste i jasne
W Związku Radzieckim, który osiągnął bardzo poważne sukcesy w rozwoju nauki i techniki, ruch radioamatorski stał się powszechny. Wiele tysięcy młodych obywateli studiowało inżynierię radiową pod okiem instruktorów w kręgach radiowych i klubach radiowych, które dysponują specjalistyczną literaturą techniczną, narzędziami i instrumentami. Wielu z nich w przyszłości zostało wykwalifikowanymi inżynierami, projektantami, naukowcami.
Dla takich obwodów radiowych publikowano literaturę popularnonaukową, w której prostym językiem z dużą liczbą ilustracji wyjaśniano różne zagadnienia z fizyki, mechaniki, elektrotechniki i elektroniki.
Jednym z przykładów takich książek jest książka Cheslova Klimchevsky'ego „Alfabet radioamatora”, wydana przez wydawnictwo „Svyazizdat” w 1962 roku. Pierwsza część książki nosi tytuł „Elektrotechnika”, druga część to „Radio Inżynieria”, trzecia to „Praktyczne porady”. , czwarta sekcja — „Instalujemy się”.
Samą książkę można pobrać tutaj: Alfabet krótkofalarstwa (dziki)
Tego typu książka w latach 60. nie należała do literatury wysokospecjalistycznej.Ukazywały się w nakładzie kilkudziesięciu tysięcy egzemplarzy i były przeznaczone dla masowego czytelnika.
Radio Raz było tak wszechstronnie stosowane w codziennym życiu ludzi, że w tamtych czasach wierzono, że nie można ograniczać się tylko do możliwości przekręcania pokręteł.Nika. A każdy wykształcony człowiek powinien studiować radio, aby zrozumieć, jak odbywa się transmisja radiowa i odbiór radiowy, aby zapoznać się z podstawowymi zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi, które są kluczem do teorii radiotechniki. Konieczne jest również, ogólnie rzecz biorąc, zapoznanie się z systemami i konstrukcją urządzeń odbiorczych.
Spójrzmy razem i oceńmy, jak w tamtych czasach umieli wyjaśniać złożone rzeczy za pomocą prostych obrazów.
Początkujący radioamator naszych czasów:
O prądzie elektrycznym
Wszystkie substancje na świecie, a zatem wszystkie obiekty wokół nas, góry, morza, powietrze, rośliny, zwierzęta, ludzie składają się z nieskończenie małych cząstek, cząsteczek, a te z kolei z atomów. Kawałek żelaza, kropla wody, znikoma ilość tlenu to nagromadzenie miliardów atomów, jednego rodzaju w żelazie, innego w wodzie lub tlenie.
Jeśli spojrzysz na las z daleka, wygląda on jak ciemny pas, który jest jednym kawałkiem (porównaj go np. z kawałkiem żelaza). Gdy zbliżają się do skraju lasu, widać pojedyncze drzewa (w kawałku żelaza — atomy żelaza). Las składa się z drzew; podobnie substancja (taka jak żelazo) składa się z atomów.
W lesie iglastym drzewa są inne niż w lesie liściastym; podobnie cząsteczki każdego pierwiastka chemicznego składają się z atomów innych niż cząsteczki innych pierwiastków chemicznych. Zatem atomy żelaza różnią się od, powiedzmy, atomów tlenu.
Podchodząc jeszcze bliżej drzew, widzimy, że każde z nich składa się z pnia i liści. W ten sam sposób atomy substancji składają się z tzw Jądro (pień) i elektrony (arkusze).
Pień jest ciężki, a rdzeń jest ciężki; reprezentuje dodatni ładunek elektryczny (+) atomu. Liście są lekkie, a elektrony są lekkie; tworzą ujemny ładunek elektryczny (-) na atomie.
Różne drzewa mają pnie o różnej liczbie gałęzi, a liczba liści nie jest taka sama. Podobnie atom, w zależności od reprezentowanego pierwiastka chemicznego, składa się (w najprostszej postaci) z jądra (pień) z kilkoma ładunkami dodatnimi — tak zwane protony (gałęzie) oraz szereg ładunków ujemnych — elektrony (arkusze).
W lesie, na ziemi między drzewami, gromadzi się wiele opadłych liści. Wiatr unosi te liście z ziemi i krążą one między drzewami. Tak więc w substancji (na przykład metalu) wśród poszczególnych atomów znajduje się pewna ilość wolnych elektronów, które nie należą do żadnego z atomów; te elektrony poruszają się losowo między atomami.
Jeżeli podłączasz przewody wychodzące z akumulatora elektrycznego do końcówek kawałka metalu (np. stalowego haka): podłącz jeden jego koniec do plusa akumulatora — doprowadź tzw. dodatni potencjał elektryczny (+) do niego, a drugi koniec do minusa baterii — sprowadź ujemny potencjał elektryczny (-), wtedy swobodne elektrony (ładunek ujemny) zaczną przemieszczać się między atomami wewnątrz metalu, pędząc na dodatnią stronę akumulatora.
Wyjaśnia to następująca właściwość ładunków elektrycznych: ładunki przeciwne, to znaczy ładunki dodatnie i ujemne przyciągają się nawzajem; podobne ładunki, to znaczy dodatnie lub ujemne, wręcz przeciwnie, odpychają się.
Wolne elektrony (ładunki ujemne) w metalu są przyciągane do dodatnio naładowanego (+) zacisku akumulatora (źródła prądu) i dlatego poruszają się w metalu już nie losowo, ale w kierunku dodatnim źródła prądu.
Jak już wiemy, elektron jest ładunkiem elektrycznym. Duża liczba elektronów poruszających się w jednym kierunku wewnątrz metalu tworzy przepływ elektronów, tj. ładunki elektryczne. Te ładunki elektryczne (elektrony) poruszające się w metalu tworzą prąd elektryczny.
Jak już wspomniano, elektrony poruszają się po przewodach od minusa do plusa. Zgodziliśmy się jednak wziąć pod uwagę, że prąd płynie w przeciwnym kierunku: od plusa do minusa, to znaczy jakby nie ujemne, ale ładunki dodatnie poruszają się wzdłuż przewodów (takie ładunki dodatnie byłyby przyciągane do minusa źródła prądu) .
Im więcej liści w lesie porusza wiatr, tym gęściej wypełniają powietrze; podobnie, im więcej ładunków płynie w metalu, tym większy jest prąd elektryczny.
Nie każda substancja może przewodzić prąd elektryczny z taką samą łatwością. Swobodne elektrony poruszają się łatwo, na przykład w metalach.
Materiały, w których łatwo poruszają się ładunki elektryczne, nazywane są przewodnikami prądu elektrycznego. Niektóre materiały, zwane izolatorami, nie mają wolnych elektronów i dlatego przez izolatory nie przepływa prąd elektryczny. Izolatory to między innymi szkło, porcelana, mika, tworzywa sztuczne.
Wolne elektrony obecne w substancji przewodzącej prąd elektryczny można również porównać do kropelek wody.
Pojedyncze kropelki w spoczynku nie powodują przepływu wody. Duża ich liczba w ruchu tworzy strumień lub rzekę płynącą w jednym kierunku. Krople wody w tym strumieniu lub rzece poruszają się w strumieniu, którego siła jest tym większa, im większa różnica poziomów koryta na jego drodze, a tym samym większa różnica w „potencjałach” (wysokościach) osobnika. poszczególne odcinki tej ścieżki.
Wielkość prądu elektrycznego
Aby zrozumieć zjawiska powodowane przez prąd elektryczny, porównaj go z przepływem wody. Małe ilości wody płyną w strumieniach, podczas gdy duże masy wody płyną w rzekach.
Załóżmy, że wartość przepływu wody w strumieniu jest równa 1; Przyjmijmy wartość przepływu w rzece na przykład jako 10. Wreszcie dla potężnej rzeki wartość przepływu wody wynosi powiedzmy 100, czyli sto razy więcej niż wartość przepływu w strumieniu.
Słaby strumień wody może napędzać koło tylko jednego młyna. Przyjmiemy wartość tego strumienia równą 1.
Dwukrotnie większy przepływ wody może napędzać dwa takie młyny. W tym przypadku wartość przepływu wody jest równa 2.
Pięć razy strumień wody może napędzać pięć identycznych młynów; wartość przepływu wody wynosi teraz 5. Można zaobserwować przepływ wody w rzece; prąd elektryczny przepływa przez przewody niewidoczne dla naszych oczu.
Poniższy rysunek przedstawia silnik elektryczny (silnik elektryczny) napędzany prądem elektrycznym. Przyjmijmy w tym przypadku wartość prądu elektrycznego równą 1.
Gdy prąd elektryczny napędza dwa takie silniki elektryczne, wówczas natężenie prądu płynącego przez główny przewód będzie dwa razy większe, czyli równe 2.Wreszcie, gdy prąd elektryczny zasila pięć takich samych silników elektrycznych, to prąd w przewodzie głównym jest pięciokrotnie większy niż w pierwszym przypadku; zatem jego wielkość wynosi 5.
Praktyczną jednostką do pomiaru ilości przepływu wody lub innej cieczy (to znaczy ilości przepływającej w jednostce czasu, na przykład na sekundę, przez przekrój poprzeczny koryta rzeki, rury itp.) litr na sekundę.
Aby zmierzyć wielkość prądu elektrycznego, to znaczy ilość ładunków przepływających przez przekrój poprzeczny drutu w jednostce czasu, praktyczną jednostką jest amper.Tak więc wielkość prądu elektrycznego jest określana w amperach. Skrócony amper jest oznaczony literą a.
Źródłem prądu elektrycznego może być np. bateria galwaniczna lub akumulator elektryczny.
Wielkość baterii lub akumulatora determinuje ilość prądu elektrycznego, jaki mogą dostarczyć oraz czas ich działania.
Aby zmierzyć wielkość prądu elektrycznego w elektrotechnice, użyj specjalnych urządzeń, amperomierzy (A). Różne urządzenia elektryczne przenoszą różne ilości prądu elektrycznego.
Napięcie
Drugą wielkością elektryczną ściśle związaną z wielkością prądu jest napięcie. Aby łatwiej zrozumieć, jakie jest napięcie prądu elektrycznego, porównajmy je z różnicą poziomów w kanale (opadem wody w rzece), tak jak porównywaliśmy prąd elektryczny z przepływem wody. Przy niewielkiej różnicy poziomów kanałów przyjmiemy różnicę równą 1.
Jeśli różnica poziomów w kanałach jest bardziej znacząca, wówczas spadek wody jest odpowiednio większy. Załóżmy na przykład, że jest równy 10, czyli dziesięć razy większy niż w pierwszym przypadku.Wreszcie, przy jeszcze większej różnicy poziomów opadów, jest to, powiedzmy, 100.
Jeśli strumień wody spada z niewielkiej wysokości, może napędzać tylko jeden młyn. W takim przypadku weźmiemy kroplę wody równą 1.
Ten sam strumień spadający z dwukrotnie większej wysokości może obracać koła dwóch podobnych młynów. W tym przypadku kropla wody jest równa 2.
Jeśli różnica poziomów w kanałach jest pięć razy większa, to ten sam przepływ napędza pięć takich młynów. Kropla wody wynosi 5.
Podobne zjawiska obserwuje się przy rozważaniu napięcia elektrycznego. Wystarczy zastąpić termin „kropla wody” terminem „napięcie elektryczne”, aby zrozumieć, co oznacza w poniższych przykładach.
Niech pali się tylko jedna lampa. Załóżmy, że przyłożono do niego napięcie równe 2.
Aby pięć takich żarówek połączonych w ten sam sposób paliło się, napięcie musi być równe 10.
Kiedy zapalą się dwie identyczne żarówki połączone szeregowo ze sobą (tak jak zwykle łączy się żarówki w girlandach choinkowych), napięcie wynosi 4.
We wszystkich rozważanych przypadkach prąd elektryczny o tej samej wartości przepływa przez każdą żarówkę i do każdej z nich przykładane jest to samo napięcie, które jest częścią całkowitego napięcia (napięcia baterii), które jest różne w każdym indywidualnym przykładzie.
Pozwól rzece płynąć do jeziora. Warunkowo poziom wody w jeziorze przyjmiemy jako 0. Wówczas poziom koryta rzeki przy drugim drzewie w stosunku do poziomu wody w jeziorze jest równy 1 m, a poziom koryta przy trzecim drzewie drzewo będzie miało 2m. Poziom kanału w pobliżu trzeciego drzewa jest o 1 m wyższy niż jego poziom w pobliżu drugiego drzewa, tj. między tymi drzewami wynosi 1 m.
Różnica poziomów kanałów jest mierzona w jednostkach długości, na przykład, tak jak my, w metrach. W elektrotechnice poziom koryta rzeki w dowolnym punkcie względem pewnego poziomu zerowego (w naszym przykładzie poziom wody w jeziorze) odpowiada potencjałowi elektrycznemu.
Różnica potencjałów elektrycznych nazywana jest napięciem. Potencjał elektryczny i napięcie są mierzone tą samą jednostką — woltem, w skrócie c. Tak więc jednostką pomiaru napięcia elektrycznego jest wolt.
Do pomiaru napięcia elektrycznego służą specjalne przyrządy pomiarowe zwane woltomierzami (V).
Takie źródło prądu elektrycznego jak bateria jest powszechnie znane. Jedno ogniwo tzw. akumulatora kwasowo-ołowiowego (w którym płytki ołowiane są zanurzone w wodnym roztworze kwasu siarkowego) po naładowaniu ma napięcie około 2 woltów.
Bateria anodowa, która służy do zasilania prądem elektrycznym radioodbiorników bateryjnych, składa się zwykle z kilkudziesięciu suchych ogniw galwanicznych, każde o napięciu około 1,5 V.
Elementy te są połączone sekwencyjnie (to znaczy plus pierwszego elementu jest połączony z minusem drugiego, plus drugiego — z minusem trzeciego itd.). W tym przypadku całkowite napięcie akumulatora jest równe sumie napięć ogniw, z których się on składa.
Dlatego bateria 150 V zawiera 100 takich ogniw połączonych ze sobą szeregowo.
Do gniazda sieci oświetleniowej o napięciu 220 V można podłączyć jedną żarówkę przeznaczoną na napięcie 220 V lub 22 identyczne lampki choinkowe połączone szeregowo, z których każda jest przystosowana do napięcia 10 V.W takim przypadku każda żarówka będzie miała tylko 1/22 napięcia sieciowego, czyli 10 woltów.
Napięcie działające na określone urządzenie elektryczne, w naszym przypadku żarówkę, nazywamy spadkiem napięcia. Jeśli żarówka 220 V pobiera taki sam prąd jak żarówka 10 V, to całkowity prąd pobierany z sieci przez girlandę będzie miał taką samą wartość jak prąd płynący przez żarówkę 220 V.
Z tego, co zostało powiedziane, jasne jest, że na przykład dwie identyczne żarówki 110-woltowe można podłączyć do sieci 220 V, połączonej ze sobą szeregowo.
Możliwe jest ogrzewanie lamp radiowych zaprojektowanych na napięcie 6,3 V, na przykład z baterii składającej się z trzech ogniw połączonych szeregowo; lampy zaprojektowane na napięcie żarnika 2 V mogą być zasilane z pojedynczego ogniwa.
Napięcie żarzenia świetlówek radiowych jest podane w zaokrągleniu na początku symbolu lampy: 1,2 V — z cyfrą 1; 4,4 cala — numer 4; 6,3 cala — numer 6; 5c — numer 5.
Dla przyczyny powodującej prąd elektryczny
Jeśli dwa obszary powierzchni ziemi, nawet bardzo od siebie oddalone, leżą na różnych poziomach, może wystąpić przepływ wody. Woda będzie płynąć od najwyższego punktu do najniższego.
Podobnie prąd elektryczny. Może płynąć tylko wtedy, gdy istnieje różnica poziomów elektrycznych (potencjałów). Na mapie pogodowej najwyższy poziom barometryczny (wysokie ciśnienie) jest oznaczony znakiem „+”, a najniższy poziom znakiem „-”.
Poziomy zostaną wyrównane w kierunku wskazywanym przez strzałkę. Wiatr będzie wiał w kierunku obszaru o najniższym poziomie barometrycznym. Gdy ciśnienie się wyrówna, ruch powietrza ustanie. Tak więc przepływ prądu elektrycznego zatrzyma się, jeśli potencjały elektryczne wyrównają się.
Podczas burzy następuje wyrównanie potencjałów elektrycznych między chmurami a ziemią lub między chmurami. Pojawia się w postaci błyskawicy.
Istnieje również różnica potencjałów między zaciskami (biegunami) każdego ogniwa galwanicznego lub akumulatora. Dlatego jeśli podłączysz do niego na przykład żarówkę, popłynie przez nią prąd. Z biegiem czasu różnica potencjałów maleje (następuje wyrównanie potencjałów) i maleje również ilość przepływającego prądu.
Jeśli podłączysz żarówkę do sieci, to przez nią również popłynie prąd, ponieważ istnieje różnica potencjałów między gniazdami gniazdka. Jednak w przeciwieństwie do ogniwa lub baterii galwanicznej, ta różnica potencjałów utrzymuje się stale — tak długo, jak elektrownia pracuje.
Energia elektryczna
Istnieje ścisły związek między napięciem elektrycznym a prądem. Ilość energii elektrycznej zależy od wielkości napięcia i prądu. Wyjaśnijmy to na poniższych przykładach.
Wiśnia spada z małej wysokości: Niska wysokość - lekkie napięcie. Niska siła uderzenia — niska moc elektryczna.
Kokos spada z niewielkiej wysokości (w stosunku do miejsca, z którego wspiął się chłopiec): Duży przedmiot - duży prąd. Niska wysokość — niski poziom stresu. Stosunkowo duża siła uderzenia — stosunkowo duża moc.
Mała doniczka spada z dużej wysokości: mały przedmiot to mały prąd. Duża wysokość upadku to wielki stres. Duża siła uderzenia — duża moc.
Lawina spadająca z dużej wysokości: Duże masy śniegu — duży prąd. Duża wysokość upadku to wielki stres. Wielka niszczycielska siła lawiny to wielka energia elektryczna.
Przy wysokim prądzie i wysokim napięciu uzyskuje się dużą moc elektryczną.Ale tę samą moc można uzyskać przy wyższym prądzie i odpowiednio niższym napięciu lub odwrotnie, przy niższym prądzie i wyższym napięciu.
Moc elektryczna prądu stałego jest równa iloczynowi wartości napięcia i prądu. Moc elektryczna wyrażana jest w watach i oznaczana literami W.
Mówiono już, że przepływ wody o określonej wielkości może napędzać jeden młyn, podwójny przepływ - dwa młyny, czterokrotny przepływ - cztery młyny itp., Mimo że spadek wody (napięcie) będzie taki sam .
Rysunek przedstawia niewielki przepływ wody (odpowiadający prądowi elektrycznemu) obracający koła czterech młynów, ponieważ kropla wody (odpowiadająca napięciu elektrycznemu) jest wystarczająco duża.
Koła tych czterech młynów mogą obracać się przy dwukrotnie większym przepływie wody na połowie wysokości spadku. Wtedy młyny byłyby ustawione nieco inaczej, ale rezultat byłby ten sam.
Poniższy rysunek przedstawia dwie lampy połączone równolegle do sieci oświetleniowej 110 V. Przez każdą z nich płynie prąd o natężeniu 1 A. Prąd płynący przez obie lampy wynosi łącznie 2 ampery.
Iloczyn wartości napięcia i prądu określa moc, jaką te lampy pobierają z sieci.
110V x 2a = 220W.
Jeżeli napięcie sieci oświetleniowej wynosi 220 V, te same lampy należy połączyć szeregowo, a nie równolegle (jak to było w poprzednim przykładzie), tak aby suma spadków napięcia na nich była równa napięciu sieć. Prąd płynący w tym przypadku przez dwie lampy wynosi 1 A.
Iloczyn wartości napięcia i prądu płynącego przez obwód da nam moc pobieraną przez te lampy 220 V x 1a = 220 W, czyli taką samą jak w pierwszym przypadku.Jest to zrozumiałe, ponieważ w drugim przypadku prąd pobierany z sieci jest dwukrotnie mniejszy, ale dwukrotnie większy niż napięcie w sieci.
Wat, kilowat, kilowatogodzina
Każde urządzenie lub maszyna elektryczna (dzwonek, żarówka, silnik elektryczny itp.) Pobiera pewną ilość energii elektrycznej z sieci oświetleniowej.
Do pomiaru mocy elektrycznej służą specjalne urządzenia zwane watomierzami.
Moc, na przykład lampy oświetleniowej, silnika elektrycznego itp., Można określić bez pomocy watomierza, jeśli napięcie sieciowe i ilość prądu przepływającego przez odbiornik energii elektrycznej podłączony do sieci są znany.
Podobnie, jeśli znane jest zużycie energii i napięcie sieciowe, można określić ilość prądu przepływającego przez odbiornik.
Na przykład 110-woltowa sieć oświetleniowa obejmuje 50-watową lampę. Jaki prąd przez nią przepływa?
Ponieważ iloczyn napięcia wyrażonego w woltach i prądu wyrażonego w amperach jest równy mocy wyrażonej w watach (dla prądu stałego), to po wykonaniu odwrotnego obliczenia, czyli podziel liczbę watów przez liczbę woltów ( napięcie sieciowe), otrzymujemy ilość prądu w amperach przepływającą przez lampę,
za = w / b,
prąd wynosi 50 W / 110 V = 0,45 A (w przybliżeniu).
W ten sposób prąd o natężeniu około 0,45 A przepływa przez lampę, która zużywa 50 W energii i jest podłączona do sieci elektrycznej 110 V.
Jeśli żyrandol z czterema 50-watowymi żarówkami, lampa stołowa z jedną 100-watową żarówką i 300-watowe żelazko są włączone do sieci oświetleniowej w pomieszczeniu, to moc wszystkich odbiorców energii wynosi 50 W x 4 + 100 W + 300 W = 600 W.
Ponieważ napięcie sieciowe wynosi 220 V, prąd elektryczny równy 600 W / 220 V = 2,7 A (w przybliżeniu) przepływa przez wspólne przewody oświetleniowe odpowiednie dla tego pomieszczenia.
Niech silnik elektryczny zużywa 5000 watów mocy z sieci lub, jak mówią, 5 kilowatów.
1000 watów = 1 kilowat, podobnie jak 1000 gramów = 1 kilogram. Kilowaty oznaczane są skrótem kW. Dlatego o silniku elektrycznym możemy powiedzieć, że zużywa on moc 5 kW.
Aby określić, ile energii zużywa dowolne urządzenie elektryczne, należy wziąć pod uwagę czas, w którym ta energia była zużywana.
Jeśli 10-watowa żarówka świeci przez dwie godziny, zużycie energii elektrycznej wynosi 100 watów x 2 godziny = 200 watogodzin lub 0,2 kilowatogodziny. Jeśli 100-watowa żarówka jest włączona przez 10 godzin, to ilość zużytej energii wynosi 100 watów x 10 godzin = 1000 watogodzin lub 1 kilowatogodzinę. Kilowatogodziny oznaczane są skrótem kWh.
Ciekawostek w tej książce jest o wiele więcej, ale już te przykłady pokazują, jak odpowiedzialnie i szczerze ówcześni autorzy podeszli do swojej pracy, zwłaszcza w przypadku nauczania dzieci.