Основы на пальцах. Часть 1
Довелось мне однажды преподавать электронику в одной шараге. Нетривиально занятие, скажу я вам. 🙂 Дабы облегчить усвоение материала я вводил ряд упрощений. Совершенно бредовых и антинаучных, но более менее наглядно показывающих суть процесса. Методика «канализационной электрики» успешно показала себя в полевых испытаниях, а посему будет использована и тут. Хочу лишь обратить внимание, что это всего лишь наглядное упрощение, справедливое для общего случая и конкретного момента, чтобы понять суть и к реальной физике процесса не имеющая практически никакого отношения. Зачем оно тогда? А чтобы проще запомнить, что к чему и не путать напряжение и ток и понимать как на все это влияет сопротивление, а то я от студентов такого наслушался…
Ток, напряжение, сопротивление.
| Канализация как пример цепи |
Если сравнить электроцепь с канализацией, то источник питания это сливной бачок, текущая вода – ток, давление воды-напряжение, а несущееся по трубам говнище – полезная нагрузка. Чем выше сливной бачок, тем больше потенциальная энергия воды, находящейся в нем, и тем сильней будет напор-ток проходящий по трубам, а значит больше дерьма-нагрузки он сможет смыть.
Кроме текущего дерьма, потоку препятствует трение о стенки труб, образуя потери. Чем толще трубы тем меньше потери (гы гы гы теперь ты помнимаешь почему аудиофилы для своей мощной акустики берут провода потолще 😉 ).
Итак, подведем итог. Электроцепь содержит источник, создающий между своими полюсами разность потенциалов – напряжение. Под действием этого напряжения ток устремляется через нагрузку туда, где потенциал ниже. Движению тока препятствует сопротивление, образуемое из полезной нагрузки и потерь. В результате напряжение-давление ослабевает тем сильней, чем больше сопротивление. Ну, а теперь, положим нашу канализацию в математическое русло.
Сила тока в цепи пропорциональна напряжению и обратно пропорциональная полному сопротивлению цепи.
I = U/R
U – величина напряжения в вольтах.
R – сумма всех сопротивлений в омах.
I – протекающий по цепи ток.
Для примера просчитаем простейшую цепь, состоящую из трех сопротивлений и одного источника. Схему я буду рисовать не так как принято в учебниках по ТОЭ, а ближе к реальной принципиальной схеме, где принимают точку нулевого потенциала – корпус, обычно равный минусу питания, а плюс считают точкой с потенциалом равным напряжению питания. Для начала считаем, что напряжение и сопротивления у нас известны, а значит нам нужно найти ток. Сложим все сопротивления (о правилах сложения сопротивлений читай на врезке), дабы получить общую нагрузку и поделим напряжение на получившийся результат – ток найден! А теперь посмотрим как распределяется напряжение на каждом из сопротивлений. Выворачиваем закон Ома наизнанку и начинаем вычислять. U=I*R поскольку ток в цепи един для всех последовательных сопротивлений, то он будет постоянен, а вот сопротивления разные. Итогом стало то, что Uисточника = U1 +U2 +U3. Исходя из этого принципа можно, например, соединить последовательно 50 лампочек рассчитанных на 4.5 вольта и спокойно запитать от розетки в 220 вольт – ни одна лампочка не перегорит. А что будет если в эту связку, в серединку, всандалить одно здоровенное сопротивление, скажем на КилоОм, а два других взять поменьше – на один Ом? А из расчетов станет ясно, что почти все напряжение выпадет на этом большом сопротивлении.
Закон Кирхгоффа.
| Закон Кирхгоффа на примере |
Согласно этому закону сумма токов вошедших и вышедших из узела равна нулю, причем токи втекающие в узел принято обозначать с плюсом, а вытекающие с минусом. По аналогии с нашей канализацией – вода из одной мощной трубы разбегается по кучи мелких. Данное правило позволяет вычислять примерный потребляемый ток, что иногда бывает просто необходимо при расчете принципиальных схем.
Мощность и потери
Мощность которая расходуется в цепи выражается как произведение напряжения на ток.
Р = U * I
Потому чем больше ток или напряжение, тем больше мощность. Т.к. резистор (или провода) не выполняет какой либо полезной нагрузки, то мощность, выпадающая него это потери в чистом виде. В данном случае мощность можно через закон ома выразить так:
P= R * I 2
Как видишь, увеличение сопротивления вызывает увеличение мощности расходующееся на потери, а если возрастает ток, то потери увеличиваются в квадратичной зависимости. В резисторе вся моща уходит в нагрев. По этой же причине, кстати, аккумуляторы нагреваются при работе – у них тоже есть внутреннее сопротивление, на котором и происходит рассеяние части энергии.
Вот для чего аудиофилы для своих сверхмощных звуковых систем берут толстенные медные провода с минимальным сопротивлением, чтобы снизить потери мощности, так как токи там бывают немалые.
Есть закон полного тока в цепи, правда на практике мне он никогда не пригождался, но знать его не помешает, поэтому утяни из сети какой либо учебник по ТОЭ (теоретические основы электротехники) лучше для средних учебных заведений, там все гораздо проще и понятней описано – без ухода в высшую математику.
Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!
А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.
111 thoughts on “Основы на пальцах. Часть 1”
Мой коментарий к сожалению не по теме статьи, да и вообще не стоит его тут размещать. Я пишу сюда просто потому что я нигде не нашел какой бы то ни было контактной информации. Вам не кажется что это так не должно быть? В общем, я бы хотел выразить общее впечатление от сайта и указать на его недостатки. А недостотаки есть. В общем сайт то действительно здоровский, да и дизайн хороший, но только если издалека смотреть. Возможно я бы лучше и не сделал, но дизайн выглядит сырым. Серьезно. Я не стану придираться на шрифт названия сайта, потому что она, судя по всему, стилизована специально под какой-то дурацкий шрифт надписей на советской электроннике. Стоит взглянуть в первую очередь на самый низ. В принципе, если просто сделать красиво облако тегов, то у меня пропадут всяческие претензии к дизайну. Облако тегов выглядит просто ужасно. Прям совсем. Ну а потом стоит подумать над целесообразностью использования капса в заголовках, шрифта в меню наверху справа, пунктов RSS и RSS->MAIL.
Вот, что говорит по этому поводу cooloven: «верхнее меню крайне не втему на мой взгляд содержанием ссылок и их порядком, карта сайта да, полный бред… ессно капсы и заголовки тоже». Так что вот.
И все же, если Вы боитесь спама или еще чего такого, то сделайте хотя бы форму специальную, где можно написать что-то в личку. А то сайт какой-то безличный получается.
Я это все написал, потому что мне реально понравился этот сайт и я бы хотел, чтобы он стал лучше. Надеюсь, что никого не обидел.
Облако тэгов делает плагин и мне совершенно влом что либо ковырять. А то что там так сильно все вылазит, так просто теги еще несбалансированно расставляются.
RSS это аббревиатура. Так что пусть будет капс.
Карта сайта нужна из SEO соображений, чтобы поисковики быстрей хавали и страницы не проваливались дальше 3го уровня. Ну и я ей частенько пользуюсь.
Где ты увидел капсы в заголовках?
О каком верхнем меню идет речь? О томе где Главная, о Сайте, Файлы? Так все верно. Там статичные страницы которые всегда должны быть на виду.
Если же по Рубрикатору, то тут надо тему править, причем глобально так. Причем еще неизвестно что главней, поэтмоу сортирвока по алфавиту.
О кнопке добавить комментарий: Все вопросы и претензии к создателям WordPress =))))
А вообще сайт узкотехнической направленности, а потому на дизайн глубоко похую, лишь бы было адекватночитабельно.
Насчет добавления комментариев. Есть плагин http://wordpress.org/extend/plugins/wordpress-thread-comment/ понимает ветки от Brian’s Threaded Comments, аякс, вроде должен отправлять ответы на комментарии(я не стал включать). Но его нужно немного допилить, в изначальной ворме мне сначала не понравился.
И еще у тебя нет ссылок на следующие/предыдущие посты.
[quote]А вообще сайт узкотехнической направленности, а потому на дизайн глубоко похую, лишь бы было адекватночитабельно.[/quote]
Полностью согласен =)
Электротехника и электроника: изучение основ
Люди начинают интересоваться электроникой в любом возрасте и по разным причинам. Кому-то наука необходима для работы или учёбы, а у кого-то она просто вызывает интерес. Чтобы получить полное представление об этой теме и разобраться в основных ее терминах, потребуется изучить основы электроники и электротехники.
Основные понятия
В школьные годы всем приходилось изучать азы электроники на уроках физики. Но из-за сложных терминов, обилия формул и разных единиц измерения усвоить информацию смогли далеко не все. В жизни случаются разные ситуации, когда человеку необходимы эти знания. Сегодня существует множество пособий, изданий и журналов, в которых описываются основы электроники. Для начинающих такие пособия являются хорошими помощниками, поскольку все основные понятия и процессы в них излагаются доступным языком.
Самыми частыми терминами из области электроники, которые люди слышат в обычной жизни, являются слова ток, напряжение и сопротивление. Чтобы понять их суть, требуется вспомнить, что любое вещество представляет собой совокупность положительно и отрицательно заряженных частиц (протонов и электронов).
Направлено движущийся поток электронов образует ток. Силу, перемещающую их в одном направлении, называют напряжением. Движение отрицательных частиц не происходит беспрепятственно, ему мешает трение, называемое в физике сопротивлением. Эти величины имеют взаимную связь, поэтому зная две из них, можно легко рассчитать третью, воспользовавшись соответствующей формулой.
Каждая величина в электронике имеет собственное обозначение и измеряется в конкретных единицах. Ток А — в амперах, сопротивление R — в омах, напряжение U — в вольтах.
Применение электричества
Так называемая электроника для «чайников» не только разъясняет новичкам природу возникновения электрического тока, но и приводит примеры его применения. Ассортимент источников напряжения очень широк. Все они имеют разные размеры и технические характеристики:
- Литиевая батарея. Рассчитана на номинальную нагрузку 3 В. Благодаря маленькому размеру хорошо подходит для использования в карманных устройствах (часах, фонариках). Может иметь ёмкость 30—500 мАч.
- Никель-металлогидридный элемент. Характеризуется высокой плотностью энергии и быстрой способностью накапливать заряд. Часто используется для электропитания различной робототехники.
Свинцово-кислотный аккумулятор также является разновидностью питающей батареи и занимает отдельное место в ряду известных источников питания. Его конструкция состоит из следующих элементов:
- положительного и отрицательного контакта;
- набора электродов с разными зарядами;
- предохранительного и разделительного клапана.
Все детали заключены в прочный корпус. Такой аккумулятор является основным источником напряжения для большинства радиоэлектронных устройств. Легко и быстро перезаряжается, хорошо подходит для систем, в которых главную роль играет не вес прибора, а его энергозапас.
Технические характеристики
На эффективность работы батареи оказывает влияние способ её подключения. Последовательная схема соединения ведёт к увеличению напряжения, параллельная — к увеличению текущего тока.
Основной характеристикой энергоисточника в электронике считается ёмкость. Эта величина служит мерой хранящегося в нём заряда и напрямую зависит от массы активного вещества. Указывая номинальную ёмкость, производители подразумевают максимальное количество электроэнергии, которое может быть извлечено при конкретных условиях. Но поскольку условия использования батарей далеки от идеальных, на практике уровень ёмкости оказывается ниже заявленного. Основные факторы, влияющие на её снижение — длительность эксплуатации, температурный режим, количество зарядок и разрядок.
В качестве единицы измерения этого параметра принято использовать ватт-часы (Вт*ч), киловатт-часы (кВт*ч), ампер-часы (А*ч) или миллиампер-часы (мА*ч). Ватт-час определяется как произведение силы тока и напряжения, выданного устройством за один час. Уровень напряжения является величиной постоянной и зависит от того, к какому типу принадлежит энергоисточник (литиевому, щелочному, свинцово-кислотному).
В случае полной разрядки большинство источников напряжения выходит из строя. Чтобы не допустить поломки, производители определяют долю тока, которая может быть извлечена из него. Её называют глубиной разрядки и измеряют в процентах от максимальной ёмкости.
Ограничители электрического тока
В некоторых электронных устройствах требуется ограничение электрического тока. Чтобы этого добиться, в цепь встраивают специальный ограничивающий прибор — резистор. Являясь потребителем, а не производителем тока, он эффективно справляется с функцией разделения напряжения и линий входа (выхода). Применяется как дополнение активных элементов интегральных схем.
Разновидностей резисторов очень много. В зависимости от конструкции, технических показателей и состава они бывают:
- Линейными. Сопротивление остаётся постоянным вне зависимости от разницы потенциалов, прикладываемых к таким резисторам. Характеризуются прямой вольт-амперной линией.
- Нелинейными. Сопротивление зависит от разницы прикладываемого напряжения или проходящего тока. Резисторы такого типа работают в нестрогом соответствии с законом Ома, имеют нелинейную характеристику. Используются в робототехнических проектах в роли датчиков.
- Переменными. Оснащаются специальным валом, позволяющим изменять параметры сопротивления в процессе эксплуатации.
- Постоянными. Заданные в них показатели изменить нельзя.
- Углеродными. Сердечники внутри таких резисторов изготавливаются из углерода, имеют чашеобразные контакты. Из-за пористого корпуса чувствительны к влажности окружающей среды.
- Плёночными. Производятся путём осаждения распылённого металла на керамическую основу. Отличаются высокой надёжностью, поэтому успешно применяются в основных электронных системах.
- Проволочными. Их конструкция состоит из керамического сердечника и проволочной обмотки, изготовленной из разных металлических сплавов. Состав сплавов зависит от требующегося сопротивления. Показывают стабильную работу при большой мощности.
- Металлокерамическими. Для их изготовления используется смесь керамики и обожжённых металлов. Процентное соотношение тех или иных компонентов определяет уровень сопротивления.
- Плавкими. В нормальном режиме работы они выполняют роль ограничителей. При возрастании номинальной мощности функционируют как предохранители, защищая электрическую цепь от короткого замыкания.
- Теплочувствительными. Могут выдавать как положительный, так и отрицательный коэффициент в зависимости от колебаний температуры.
- Светочувствительными. Главным фактором, влияющим на их работу, является интенсивность падающего светового потока. Чем ярче свет, тем меньше сопротивление резистора.
В отношении резисторов, меняющих сопротивление в процессе работы, используется такой термин, как допуск, измеряемый в процентах. Он показывает, насколько изменяющиеся показатели близки к номинальным значениям. К примеру, устройство с номинальным электрическим сопротивлением 500Ω и допуском 10% на практике может выдавать значения в диапазоне от 550 до 450Ω.
Основы электротехники для начинающих
Существует множество понятий, которые нельзя увидеть собственными глазами и потрогать руками. Наиболее ярким примером служит электротехника, состоящая из сложных схем и малопонятной терминологии. Поэтому очень многие просто отступают перед трудностями предстоящего изучения этой научно-технической дисциплины. Получить знания в этой области помогут основы электротехники для начинающих.
Понятия и свойства электрического тока
Электрические законы и формулы требуются не только для проведения каких-либо расчетов. Они нужны и тем, кто на практике выполняет операции, связанные с электричеством. Зная основы электротехники можно логическим путем установить причину неисправности и очень быстро ее устранить.
Суть электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Однако при беспорядочном тепловом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит. Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит лишь при условии участия ионов или электронов в упорядоченном движении.
Электрический ток всегда протекает в определенном направлении. О его наличии свидетельствуют специфические признаки:
- Нагревание проводника, по которому протекает ток.
- Изменение химического состава проводника под действием тока.
- Оказание силового воздействия на соседние токи, намагниченные тела и соседние токи.
Электрический ток может быть постоянным и переменным. В первом случае все его параметры остаются неизменными, а во втором – периодически происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде изменяется направление потока электронов. Скорость таких периодических изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах
Основные токовые величины
При возникновении в цепи электрического тока, происходит постоянный перенос заряда через поперечное сечение проводника. Величина заряда, перенесенная за определенную единицу времени, называется силой тока, измеряемой в амперах.
Для того чтобы создать и поддерживать движение заряженных частиц, необходимо воздействие силы, приложенной к ним в определенном направлении. В случае прекращения такого действия, прекращается и течение электрического тока. Такая сила получила название электрического поля, еще она известна как напряженность электрического поля. Именно она вызывает разность потенциалов или напряжение на концах проводника и дает толчок движению заряженных частиц. Для измерения этой величины применяется специальная единица – вольт. Существует определенная зависимость между основными величинами, отраженная в законе Ома, который будет рассмотрен подробно.
Важнейшей характеристикой проводника, непосредственно связанной с электрическим током, является сопротивление, измеряемое в омах. Данная величина является своеобразным противодействием проводника течению в нем электрического тока. В результате воздействия сопротивления происходит нагрев проводника. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения, значение сопротивления увеличивается. Величина в 1 Ом возникает, когда разность потенциалов в проводнике составляет 1 В, а сила тока – 1 А.
Закон Ома
Данный закон относится к основным положениям и понятиям электротехники. Он наиболее точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и мощность. Определения этих величин уже были рассмотрены, теперь нужно установить степень их взаимодействия и влияния друг на друга.
Для того чтобы вычислить ту или иную величину, необходимо воспользоваться следующими формулами:
- Сила тока: I = U/R (ампер).
- Напряжение: U = I x R (вольт).
- Сопротивление: R = U/I (ом).
Зависимость этих величин, для лучшего понимания сути процессов, часто сравнивается с гидравлическими характеристиками. Например, внизу бака, наполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, поскольку существует разница между высоким давлением в начале трубы и низким – на ее конце. Точно такая же ситуация возникает на концах проводника в виде разности потенциалов – напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким образом, по аналогии, напряжение представляет собой своеобразное электрическое давление.
Силу тока можно сравнить с расходом воды, то есть ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении диаметра трубы уменьшится и поток воды в связи с увеличением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сравнить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных рамках. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим характеристикам: с изменением одного параметра, происходит изменение всех остальных.
Энергия и мощность в электротехнике
В электротехнике существуют еще и такие понятия, как энергия и мощность, связанные с законом Ома. Сама энергия существует в механической, тепловой, ядерной и электрической форме. В соответствии с законом сохранения энергии, ее невозможно уничтожить или создать. Она может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Например, в аудиосистемах осуществляется преобразование электроэнергии в звук и теплоту.
Любые электрические приборы потребляют определенное количество энергии на протяжении установленного промежутка времени. Эта величина индивидуальна для каждого прибора и представляет собой мощность, то есть объем энергии, который может потребить тот или иной прибор. Этот параметр вычисляется по формуле P = I x U, единицей измерения служит ватт. Он означает перемещение одного ампера одним вольтом через сопротивление в один ом.
Таким образом, основы электротехники для начинающих помогут на первых порах разобраться с основными понятиями и терминами. После этого будет значительно легче использовать полученные знания на практике.
Электрика для чайников: основы электроники
Электротехника для чайников
Начнем пожалуй с понятия электричества. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля. В качестве частиц могут выступать свободные электроны металла, если ток течет по металлическому проводу, или ионы, если ток течет в газе или жидкости.
Есть ещё ток в полупроводниках, но это отдельная тема для разговора. Как пример можно привести высоковольтный трансформатор из микроволновки – сначала электроны бегут по проводам, затем ионы движутся между проводами, соответственно сначала ток идет через металл, а потом через воздух. Вещество называются проводником или полупроводником, если в нём есть частицы, способные переносить электрический заряд. Если таких частиц нет, то такое вещество называется диэлектриком, оно не проводит электричество. Заряженные частицы несут на себе электрический заряд, который измеряется обозначается q в кулонах.
Единица измерения силы тока называется Ампер и обозначается буковой I, ток величиной в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда величиной 1 Кулон за 1 секунду, то есть грубо говоря сила тока измеряется в кулонах секунду. И по сути сила тока это количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем больше заряженных частиц бежит по проводу, тем соответственно больше ток.
Чтобы заставить заряженные частицы перемещаться от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквой V или U. Чтобы получить напряжение величиной 1 Вольт нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж. Согласен, немного непонятно.
Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под действием силы тяжести вытекает через трубу. Пусть вода – это электрический заряд, высота водяного столба – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток. Точнее не скорость потока, а количество вытекающей за секунду воды. Вы понимаете, что чем выше уровень воды, тем больше будет давление внизу А чем выше давление внизу, тем больше воды вытечет через трубу, потому что скорость будет выше.. Аналогично чем выше напряжение, тем больший ток будет течь в цепи.
Зависимость между всеми тремя рассмотренными величинами в цепи постоянного тока определяет закон ома, который выражается вот такой формулой, и звучит как сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению. Чем больше сопротивление, тем меньше ток, и наоборот.
Добавлю ещё пару слов про сопротивление. Его можно измерить, а можно посчитать. Допустим у нас есть проводник, имеющий известную длину и площадь поперечного сечения. Квадратный, круглый, неважно. Разные вещества имеют разное удельное сопротивление, и для нашего воображаемого проводника существует вот такая формула, определяющая зависимость между длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением.
Удельное сопротивление веществ можно найти в интернете в виде таблиц.
Можно опять же провести аналогию с водой: вода течёт по трубе, пусть труба имеет удельную шершавость. Логично предположить, что чем длиннее и уже труба, тем меньше воды будет по ней протекать за единицу времени. Видите, как всё просто? Формулу даже запоминать не нужно, достаточно представить себе трубу с водой.
Что касается измерения сопротивления, то нужен прибор, омметр. В наше время более популярны универсальные приборы – мультиметры, они измеряют и сопротивление, и ток, и напряжение, и ещё кучу всего. Давайте проведём эксперимент. Я возьму отрезок нихромовой проволоки известной длины и площади сечения, найду удельное сопротивление на сайте где я её купил и посчитаю сопротивление. Теперь этот же кусочек измерю при помощи прибора. Для такого маленького сопротивления мне придется вычесть сопротивление щупов моего прибора, которое равно 0.8 Ом. Вот так вот!
Шкала мультиметра разбита по размерам измеряемых величин, это сделано для более высокой точности измерения. Если я хочу измерить резистор с номиналом 100 кОм, я ставлю рукоятку на большее ближайшее сопротивление. В моём случае это 200 килоом. Если хочу измерить 1 килоом, то ставлю на 2 ком. Это справедливо для измерения остальных величин. То есть на шкале отложены пределы измерения, в который нужно попасть.
Давайте продолжим развлекаться с мультиметром и попробуем измерить остальные изученные величины. Возьму несколько разных источников постоянного тока. Пусть это будет блок питания на 12 вольт, юсб порт и трансформатор, который в своей молодости сделал мой дед. Напряжение на этих источниках мы можем измерить прямо сейчас, подключив вольтметр параллельно, то есть непосредственно к плюсу и к минусу источников. С напряжением всё понятно, его можно взять и измерить. А вот чтобы измерить силу тока, нужно создать электрическую цепь, по которой будет протекать ток. В электрической цепи обязательно должен быть потребитель, или нагрузка. Давайте подключим потребитель к каждому источнику. Кусочек светодиодной ленты, моторчик и резистор на (160 ом).
Давайте измерим ток, протекающий в цепях. Для этого переключаю мультиметр в режим измерения силы тока и переключаю щуп во вход для тока. Амперметр подключается в цепь последовательно измеряемому объекту. Вот схема, её тоже следует помнить и не путать с подключением вольтметра. Кстати существует такая штуковина как токовые клещи. Они позволяют измерять силу тока в цепи без подключения непосредственно к цепи. То есть не нужно отсоединять провода, просто накидываешь их на провод и они измеряют. Ну ладно, вернёмся к нашему обычному амперметру.
Итак, я измерил все токи. Теперь мы знаем, какой ток потребляется в каждой цепи. Здесь у нас светятся светодиоды, здесь крутится моторчик а здесь…. Так стоять, а че делает резистор? Он не поёт нам песни, не освещает комнату и не вращает никакой механизм. Так на что он тратит целых 90 миллиампер? Так не пойдёт, давайте разбираться. Слышь ты! Ау, он горячий! Так вот куда расходуется энергия! А можно ли как-то посчитать, что здесь за энергия? Оказывается – можно. Закон, описывающий тепловое действие электрического тока был открыт в 19 веке двумя учеными, Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем. Закон назвали закон Джоуля-Ленца. Он выражается вот такой формулой, и численно показывает, сколько джоулей энергии выделяется в проводнике, в котором течёт ток, за единицу времени. Из этого закона можно найти мощность, которая выделяется на этом проводнике, мощность обозначается английской буквой Р и измеряется в ваттах.
Таким образом у меня на столе электрическая мощность идёт на освещение, на совершение механической работы и на нагрев окружающего воздуха. Кстати именно на этом принципе работают различные нагреватели, электрочайники, фены, паяльники и прочее. Там везде стоит тоненькая спираль, которая нагревается под действием тока.
Этот момент стоит учитывать при подведении проводов к нагрузке, то есть прокладка проводки к розеткам по квартире тоже входит в это понятие. Если вы возьмете для подведения к розетке слишком тонкий провод и подключите в эту розетку компьютер, чайник и микроволновку, то провод может нагреться вплоть до возникновения пожара. Поэтому есть вот такая табличка, которая связывает площадь поперечного сечения проводов с максимальной мощностью, которая по этим проводам будет идти. Если вздумаете тянуть провода – не забудьте об этом.
Также в рамках этого выпуска хотелось бы напомнить особенности параллельного и последовательного соединения потребителей тока. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех потребителях, напряжение разделилось на части, а общее сопротивление потребителей представляет собой сумму всех сопротивлений. При параллельном соединении напряжение на всех потребителях одинаково, сила тока разделилась, а общее сопротивление вычисляется вот по такой формуле.
Из этого вытекает один очень интересный момент, который можно использовать для измерения силы тока. Допустим нужно измерить силу тока в цепи около 2 ампер. Амперметр с этой задачей не справляется, поэтому можно использовать закон ома в чистом виде. Знаем, что сила тока одинакова при последовательном соединении. Возьмём резистор с очень маленьким сопротивлением и вставим его последовательно нагрузке. Измерим на нём напряжение. Теперь, пользуясь законом ома, найдём силу тока. Как видите, она совпадает с расчётом ленты. Здесь главное помнить, что этот добавочный резистор должен быть как можно меньшего сопротивления, чтобы оказывать минимальное влияние на измерения.
Есть ещё один очень важный момент, о котором нужно знать. Все источники имеют максимальный отдаваемый ток, если этот ток превысить – источник может нагреться, выйти из строя, а в худшем случае ещё и загореться. Самый благоприятный исход это когда источник имеет защиту от перегрузки по току, в таком случае он просто отключит ток. Как мы помним из закона ома, чем меньше сопротивление, тем выше ток. То есть если взять в качестве нагрузки кусок провода, то есть замкнуть источник самого на себя, то сила тока в цепи подскочит до огромных значений, это называется короткое замыкание. Если вы помните начало выпуска, то можете провести аналогию с водой. Если подставить нулевое сопротивление в закон ома то мы получим бесконечно большой ток. На практике такое конечно не происходит, потому что источник имеет внутреннее сопротивление, которое подключено последовательно. Этот закон называется закон ома для полной цепи. Таким образом ток короткого замыкания зависит от величины внутреннего сопротивления источника.
Сейчас давайте вернёмся к максимальному току, который может выдать источник. Как я уже говорил, силу тока в цепи определяет нагрузка. Многие писали мне вк и задавали примерно вот такой вопрос, я его слегка утрирую: Саня, у меня есть блок питания на 12 вольт и 50 ампер. Если я подключу к нему маленький кусочек светодиодной ленты, она не сгорит? Нет, конечно же она не сгорит. 50 ампер – это максимальный ток, который способен выдать источник. Если ты подключишь к нему кусочек ленты, она возьмёт свои ну допустим 100 миллиампер, и все. Ток в цепи будет равен 100 миллиампер, и никто никуда не будет гореть. Другое дело, если возьмёшь километр светодиодной ленты и подключишь его к этому блоку питания, то ток там будет выше допустимого, и блок питания скорее всего перегреется и выйдет из строя. Запомните, именно потребитель определяет величину тока в цепи. Этот блок может выдать максимум 2 ампера, и когда я закорачиваю его на болтик, с болтиком ничего не происходит. А вот блоку питания это не нравится, он работает в экстремальных условиях. А вот если взять источник, способный выдать десятки ампер, такая ситуация не понравится уже болтику.
Давайте для примера произведём расчёт блока питания, который потребуется для питания известного отрезка светодиодной ленты. Итак, закупили мы у китайцев катушку светодиодной ленты и хотим запитать три метра этой самой ленты. Для начала идём на страницу товара и пытаемся найти, сколько ватт потребляет один метр ленты. Эту информацию я найти не смог, поэтому есть вот такая табличка. Смотрим, что у нас за лента. Диоды 5050, 60 штук на метр. И видим, что мощность составляет 14 ватт на метр. Я хочу 3 метра, значит мощность будет 42 ватта. Блок питания желательно брать с запасом на 30% по мощности, чтобы он не работал в критическом режиме. В итоге получаем 55 ватт. Ближайший подходящий блок питания будет на 60 ватт. Из формулы мощности выражаем силу тока и находим её, зная, что светодиоды работают при напряжении 12 вольт. Выходит, нам нужен блок с током 5 ампер. Заходим, например, на али, находим, покупаем.
Очень важно знать потребляемый ток при изготовлении всяких USB самоделок. Максимальный ток, который можно взять от USB, составляет 500 миллиампер, и его лучше не превышать.
И напоследок коротенько о технике безопасности. Здесь вы можете видеть, до каких значений электричество считается неопасным для жизни человека.
Основы электроники для чайников: термины и приборы, используемые в электротехнике
Датчик — это, как правило, источник информации для системы управления, измеряющий определенную физическую величину и преобразующий ее в сигнал, который можно передавать дистанционно и в дальнейшем обрабатывать в измерительных и управляющих системах, который можно передавать дистанционно и в дальнейшем обрабатывать в измерительных и управляющих системах. Чаще всего это электрический сигнал (изменение напряжения или тока во времени). Более в глобальном смысле, датчик — это физический или биологический инструмент, чаще всего являющийся составной частью более крупной системы .
Говоря о свойстве того или иного тела препятствовать прохождению через него электрического тока, мы обычно используем термин «электрическое сопротивление». В электронике он удобен, есть даже специальные микроэлектронные компоненты, резисторы, обладающие тем или иным номинальным сопротивлением. Но существует также понятие «электрическая проводимость» или «электропроводность», характеризующее способность тела проводить электрический ток. Тогда как сопротивление обратно пропорционально току, проводимость прямо пропорциональна току .
Почему электрический ток уходит в землю? А ведь данный вопрос можно обратить отнюдь не ко всем электрическим цепям, поэтому давайте несколько усложним его. В каких случаях и почему ток уходит в землю? Начнем с простого примера. Наверняка каждому из нас приходилось наблюдать такое природное явление как молния. Молния — есть ни что иное, как кратковременный ток уходящий их грозовой тучи в землю. Почему это происходит? Из школьного курса физики известно: заряды противоположных знаков стремятся притянуться друг к другу, за направление тока в проводнике принимается направление .
В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед сделал фундаментальное открытие: магнитная стрелка компаса отклоняется в сторону от проводника с постоянным электрическим током. Таким образом ученый установил в эксперименте, что магнитное поле тока направлено именно перпендикулярно току, а не параллельно ему, как можно было бы предположить. Французский физик Андре-Мари Ампер был настолько вдохновлен демонстрацией эксперимента Эрстеда, что решил продолжить исследование по данному направлению самостоятельно. Амперу удалось обнаружить, что не только стрелка .
Как известно, человеческое тело является проводником электрического тока. Поэтому, при непосредственном соприкосновении человека с оголенными токоведущими частями электрической установки или линией электропередач возникает опасность поражения электрическим током. В большинстве случаев прикосновение происходит тогда, когда человек стоит на земле или на проводящем основании (пол, площадка). При этом возникает электрическая цепь, одним из участков которой будет теле человека. Степень травмы от воздействия электрического тока определяется величиной тока, протекающего через тело человека .
Всем знаком электрический утюг с терморегулятором. Это несложное устройство содержит все элементы автоматического регулятора. Объектом регулирования является металлическое основание утюга, имеющее гладкую наружную поверхность (гладильная поверхность), а регулируемой величиной — температура гладильной поверхности. В зависимости от рода ткани температура гладильной поверхности должна поддерживаться в определенных пределах. Исполнительным органом терморегулятора является электрический нагревательный элемент. При включении в электросеть он, нагреваясь, отдает .
Наиболее простой и распространенной формой автоматического управления работой технических устройств является автоматическое регулирование, которым называется способ поддержания заданного параметра постоянным (например, скорости вращения вала, температуры среды, давления пара) или способ обеспечения его изменения по определенному закону. Оно может осуществляться соответствующими действиями человека или автоматически, т. е. при помощи соответствующих технических устройств — автоматических регуляторов. Регуляторы, поддерживающие значение параметра постоянным, называются собственными .
Все наши познания вообще и об электричестве в частности, являются результатом исследований и опытов громадного количества ученых, совершенных в течение многих веков. Эти исследования велись и ведутся с невероятный упорством и только при взаимном отношении и сотрудничестве приводят к новым открытиям и изобретениям следующим одно за другим. Надо, однако, сказать, что внаем мы еще очень мало и возможно никогда не познаем всего. Тем не менее пытливый человеческий ум всегда будет искать и шаг за шагом проникать в тайны природы. Исследования в области электричества установили следующие положения .
Рерэко – обыкновенная школьница из необыкновенной страны Электонии, где всё вокруг электрическое. Рерэко неплохо учится, да вот незадача – не может понять то, что требует от неё школьная программа по электричеству. За дело берётся её новый знакомый – Хикару. Он знакомит свою подопечную с этим таинственным миром, в котором невидимые глазом частицы (электроны) могут бежать по проводам, накапливаясь на разных предметах, разряжаясь молниями, создавать электрические и магнитные поля и многое другое. Что такое электрическая цепь, какая существует связь между напряжением, током и сопротивлением .
Удельное сопротивление и обратная ей величина — электропроводность — для проводников из химически чистых металлов являются характерной физической величиной, но, несмотря на это, величины удельного сопротивления их известны сравнительно с малой точностью. Объясняется это тем, что на величину удельного сопротивления металлов сильно влияют различные случайные, трудно контролируемые обстоятельства. Прежде всего часто ничтожные примеси к чистому металлу увеличивают его удельное сопротивление. Наиболее важный для электротехники металл — медь, из которого изготовливаются провода .
Основные термины и определения электротехники
Электрический ток (I) это направленное движение свободных носителей электрического заряда. В металлах свободными носителями заряда являются электроны, в плазме, электролите — ионы.
Единица измерения силы тока – ампер (А). Условно за положительное направление тока во внешней цепи принимают направление от положительно заряженного электрода (+) к отрицательно заряженному (-).
Если направление тока в ветви неизвестно, то его выбирают произвольно. Если в результате расчета режима цепи, ток будет иметь отрицательное значение, то действительное направление тока противоположно произвольно выбранному.
Электрическое напряжение
Электрическое напряжение (U) это характеристика работы сил поля по переносу электрических зарядов через внешние элементы цепи. При этом электрическая энергия преобразуется в другие виды. Единица измерения – вольт (В). За положительное направление напряжения приемника принимают направление, совпадающее с выбранным положительным направлением тока. В электрических цепях и энергетических системах напряжение может иметь значения в пределах от нескольких вольт до сотен тысяч вольт.
Электродвижущая сила
Электродвижущая сила Е (ЭДС) характеризует способность индуцированного поля вызывать электрический ток. Единица измерения – вольт (В). Источники энергии могут быть источниками ЭДС и тока. В данном пособии рассматриваются только источники ЭДС. Источник ЭДС характеризуется двумя параметрами: значениями ЭДС (Е) и внутреннего сопротивления (r). Источник ЭДС, внутренним сопротивлением которого можно пренебречь, называют идеальным источником. Реальный источник ЭДС имеет определенное значение внутреннего сопротивления. У источника ЭДС внутренне сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки (RН) и электрический ток в цепи зависит главным образом от величины ЭДС и сопротивления нагрузки. Источник ЭДС имеет следующие графические обозначения.
Вольтамперная характеристика источника ЭДС имеет вид:
Зависимость между напряжением на зажимах источника и его ЭДС имеет вид:
U = E — r × I (для реального источника ЭДС)
U = E (для идеального источника).
Электрическое сопротивление R это величина, характеризующая противодействие проводящей среды движению свободных электрических зарядов (току). Единица измерения – Ом. Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью G. Единица измерения – сименс (См).
Электрическое сопротивление
Электрическое сопротивление проводника определяется по формуле
где l – длина;
S – поперечное сечение;
ρ — удельное сопротивление.
По способности проводить электрический ток электротехнические материалы можно разделить на группы: проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводниковые материалы
Проводниковые материалы (алюминий, медь, золото, серебро и др.) обладают высокой электропроводностью. Наиболее часто в проводах и кабелях используется алюминий, как наиболее дешевый. Медь имеет большую электропроводимость, но она дороже.
Из проводников следует выделить группу материалов с большим удельным сопротивлением. К ним относятся сплавы ( нихром, фехраль и др.) они используются для изготовления обмоток нагревательных приборов и реостатов. Вольфрам используется в лампах накаливания. Константан и манганин используются в качестве сопротивлений в образцовых приборах.
Электроизоляционные материалы (диэлектрики)
Электроизоляционные материалы (диэлектрики) имеют очень малую удельную электрическую проводимость. Они бывают газообразные, жидкие и твердые. Особенно большим разнообразием отличаются твердые диэлектрики. К ним относятся резина, сухое дерево, керамические материалы, пластмассы, картон, пряжа и др. материалы. В качестве конструкционных материалов применяются текстолит и гетинакс. Текстолит это диэлектрический материал основой которого является ткань, пропитанная феноло-формальдегидной смолой. Гетинакс это бумага, пропитанная феноло-формальдегидной смолой.
Полупроводники
Полупроводники по электропроводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен, сложные полупроводниковые материалы — арсенид галлия, фосфид галлия и др. В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок мала и эти материалы не проводят электрический ток.
Если в полупроводниковый материал ввести примесь (донорную или акцепторную), то есть произвести легирование, то полупроводник становится обладателем или электронной (n) проводимости (избыток электронов), или дырочной (р) проводимости (избыток положительных зарядов – дырок). Если соединить два полупроводника с различными видами проводимости, получим полупроводниковый прибор (диод), который используется для выпрямления переменного тока.
Мощность в электрической цепи характеризует интенсивность преобразования энергии из одного вида в другой в единицу времени. Единица измерения мощности – Ватт (Вт).
Для цепи постоянного тока мощность источника
Рпр = U × I = R × I 2 = U 2 /R
Закон электромагнитной индукции
Закон электромагнитной индукции — устанавливает связь между электрическими и магнитными явлениями, был открыт в 1831 году М. Фарадеем, в 1873 году закон был обобщен и развит Д.Максвеллом:
Если магнитный поток Ф, проходящий сквозь поверхность, ограниченную некоторым контуром, изменяется во времени t, в контуре индуцируется ЭДС e, равная скорости изменения потока
