Книга: Электроника для начинающих (2-е издание)
Назад: Необходимые инструменты
Дальше: Эксперимент 2. Давайте испортим батарею!
Эксперимент 1. Попробуйте электричество на вкус!
Знаете ли вы, каково электричество на вкус? Если решитесь попробовать, то вы почувствуете его.
Что вам понадобится
• 9-вольтовая батарея (1 шт.)
• Мультиметр (1 шт.)
И это все!
Предупреждение: не более 9 вольт
Используйте в этом эксперименте элемент питания только на 9 В. Не пытайтесь экспериментировать с более высоким напряжением и с источником, который дает больший ток. Если у вас металлические брекеты на зубах, не касайтесь ими батареи. И самое важное: никогда не прикладывайте электрический ток от батареи любого типа к поврежденной коже.
Методика проведения
Смочите язык слюной и коснитесь его кончиком металлических клемм 9-вольтовой батареи, как показано на рис. 1.16. Вы ощущаете пощипывание? Теперь отложите батарею, высуньте язык и тщательно высушите его кончик тканью. Снова прикоснитесь кончиком языка к батарее, вы должны почувствовать меньшее пощипывание.
ЗамечаниеВозможно, у вас не такой большой язык, как на рисунке. Мой определенно меньше. Но этот эксперимент удастся, независимо от того, большой у вас язык или маленький.
Что же происходит в данном случае? Мультиметр поможет выяснить это.
Подготовка мультиметра
Прежде всего проверьте, установлена ли в мультиметре батарея питания. Выберите любую функцию на шкале и подождите, пока дисплей не покажет цифры. Если на индикаторе ничего не видно, возможно, вам придется открыть мультиметр и вставить батарею, прежде чем вы сможете им пользоваться. Чтобы узнать, как это сделать, посмотрите инструкцию, которая прилагается к мультиметру.
Мультиметры укомплектованы красным и черным проводами. К одному концу провода присоединен штекер, к другому — металлический щуп. Вы вставляете штекеры в мультиметр, затем касаетесь щупами того участка цепи, на котором проводите измерение (рис. 1.17). Щупы служат лишь для контроля электрических цепей. Когда вы имеете дело с малыми токами и напряжением в экспериментах из этой книги, щупы не причинят вам вреда (если вы только не уколетесь об их острые концы).
Рис. 1.17. Провода мультиметра, заканчивающиеся металлическими щупами
В большинстве мультиметров есть три гнезда, в некоторых — четыре. Примеры смотрите на рис. 1.18-1.20.
Рис. 1.18. Обратите внимание на маркировку гнезд этого мультиметра
Рис. 1.19. На этом мультиметре функции гнезд разделены
Рис. 1.20. Гнезда на еще одном мультиметре
Вот основные правила:
• Одно гнездо должно быть обозначено символом СОМ. Оно является общим для всех измерений. Вставьте в это гнездо черный провод.
• Другое гнездо должно быть обозначено символом Ω (омега) и буквой V (вольты). Оно служит для измерения либо сопротивления, либо напряжения. Вставьте в это гнездо красный провод.
• Гнездо V/Ω обычно служит также для измерения малых токов (в миллиамперах). Иногда для этого предусмотрено отдельное гнездо, и тогда вам придется переключать красный провод. Мы вернемся к этому позже.
• Еще одно гнездо может быть помечено символами 2А, 5А, 10А, 20А или подобными, обозначающими максимальную силу тока в амперах. Оно предназначено для измерения больших токов. Для экспериментов из этой книги оно не понадобится.
Единицы измерения сопротивления
Предположим, вы собираетесь измерить сопротивление вашего языка в омах. Но что такое «ом»?
Мы измеряем расстояние в милях или километрах, массу в фунтах или килограммах, температуру по шкале Фаренгейта или в градусах Цельсия. А электрическое сопротивление мы измеряем в омах — это международная единица, названная в честь Георга Симона Ома, первопроходца в изучении электричества.
Греческая буква Ω обозначает омы, но для сопротивлений выше 999 Ом используется приставка «к», означающая килоом, который равен тысяче ом. Например, сопротивление в 1500 Ом будет записываться как 1,5 кОм.
Для величин выше 999 999 Ом используется прописная буква «М», означающая мегаом миллион ом. В обиходе мегаом часто называется «мег.» Если кто-то использует резистор «два-точка-два мег», то это номинал в 2,2 МОм.
Пересчет единиц сопротивления приведен в табл. 1.1.
Таблица 1.1
ЗамечаниеВ Европе для уменьшения вероятности ошибок вместо десятичного разделителя используют буквы R, К или М. Таким образом, 5К6 на европейских электрических схемах означает 5,6 кОм, 6М8 означает 6,8 МОм, a 6R8 означает 6,8 Ом. Я не использую здесь европейский вариант, но вы можете встретить его на некоторых электрических схемах.
Материал, который имеет очень высокое сопротивление к электрическому току, называется изолятором. Большинство пластиков, включая цветную оболочку проводов, являются изолирующими материалами.
Материал с очень низким сопротивлением это проводник. Такие металлы, как медь, алюминий, серебро и золото, являются превосходными проводниками.
Измерение сопротивления языка
Внимательно рассмотрите диск на передней части мультиметра. Вы увидите как минимум одно положение, обозначенное символом Ω. На мультиметрах с автоматическим выбором диапазона поверните диск так, чтобы он указывал на этот символ, как показано на рис. 1.21, аккуратно коснитесь щупами языка и подождите, пока мультиметр автоматически выберет диапазон. Ожидайте появления буквы К на цифровом дисплее. Не вонзайте щупы в язык!
Рис. 1.21. На мультиметре с автоматическим выбором диапазона просто установите указатель на символ Ω (омега)
На ручном мультиметре вы самостоятельно должны выбрать диапазон значений. Для измерения сопротивления языка недалеко от истины окажется величина 200 кОм (200 000 Ом). Заметьте, что числа рядом с диском — это максимальные значения, и поэтому 200 кОм означает «не более 200 000 Ом», а 20 кОм — «не более 20 000 Ом». Посмотрите на фотографии переключателей мультиметра с ручным выбором диапазона, показанные крупным планом на рис. 1.22 и 1.23.
Коснитесь щупами вашего языка на расстоянии около 2,5 см друг от друга. Обратите внимание на показание мультиметра, которое должно быть около 50 кОм. Отложите щупы в сторону, высуньте язык, с помощью ткани тщательно высушите его, как вы это делали ранее. Не допуская, чтобы язык снова стал влажным, повторите измерение. На этот раз показания должны быть выше. При использовании мультиметра с ручной установкой режима измерения вам, возможно, придется выбрать более высокий диапазон, чтобы увидеть значение сопротивления.
ЗамечаниеКогда кожа влажная (например, при потении), ее электрическое сопротивление уменьшается. Этот принцип используется в детекторах лжи, поскольку тот, кто сознательно лжет, в условиях стресса обычно потеет.
Ваше исследование приводит к следующему выводу: меньшее сопротивление позволяет проводить больший ток, и поэтому в первом эксперименте больший ток создает большее пощипывание.
Как устроена батарея
Когда вы в первом эксперименте исследовали батарею с помощью языка, я не стал рассказывать, как она работает. Теперь самое время исправить это упущение.
Рис. 1.22. Ручной мультиметр подразумевает, что вы самостоятельно выбираете диапазон
Рис. 1.23. Другой циферблат мультиметра с ручным выбором режима, но принцип тот же
Батарея на 9 В содержит химические вещества, высвобождающие электроны (частицы электрического тока), которые в результате химической реакции желают переместиться от одного вывода к другому. Представьте ячейки внутри батареи в виде двух резервуаров для воды — один из них полон, второй пуст. Если резервуары соединить друг с другом трубой с вентилем, то при открытии вентиля вода будет перетекать между ними, пока уровень воды в них не станет одинаковым. Эта картина схематично изображена на рис. 1.24. Аналогично, когда вы открываете путь электрическому току от одного полюса батареи к другому, между ними начинают перемещаться электроны, даже если проводящий путь представлен только влагой вашего языка.
В некоторых веществах (таких как влажный язык) электроны передвигаются гораздо свободнее, чем в других (таких как сухой язык).
Рис. 1.24. Электрическую батарею можно представить в виде пары сообщающихся сосудов для воды
Еще несколько опытов с сопротивлением
Исследование языка с помощью мультиметра — это плохо контролируемый эксперимент, поскольку расстояние между щупами может немного отличаться при каждой пробе. Как вы думаете, существенно ли это? Давайте выясним.
Держите щупы мультиметра так, чтобы их концы находились друг от друга на расстоянии в 5 мм. Коснитесь ими влажного языка. Затем разведите щупы на 2 см и попробуйте снова. Какие показания вы получили?
Когда путь протекания электрического тока короткий, сопротивление меньше. В результате сила тока увеличивается.
Попробуйте провести аналогичный эксперимент на руке, как показано на рис. 1.25. Вы можете изменять расстояние между щупами с постоянным шагом, например 5 мм, и отмечать сопротивление, которое показывает ваш мультиметр. Полагаете, что увеличение расстояния между щупами в два раза также вдвое увеличивает показание сопротивления на мультиметре? Как вы можете это доказать или опровергнуть?
Рис. 1.25. Изменяйте расстояние между щупами и записывайте показания мультиметра
Если сопротивление превысит максимально возможное значение для вашего измерительного прибора, то вы увидите ошибку, например, символ «L» вместо цифр. Попробуйте увлажнить кожу и повторите исследование, у вас должен получиться результат. Единственная проблема заключается в том, что при испарении влаги с вашей кожи сопротивление изменится. Видите, насколько сложно контролировать в эксперименте все факторы. Случайные факторы называют также неконтролируемыми переменными.
Осталась еще одна переменная, которую я не упомянул — это величина давления щупа на кожу. Я полагаю, что если вы надавите сильнее, то сопротивление уменьшится. Вы можете это доказать? Подумайте, как можно изменить эксперимент, чтобы исключить эту переменную?
Если вам надоело измерять сопротивление кожи, вы можете попробовать погрузить щупы в стакан с водой. Затем растворите в воде немного соли и проведите измерения еще раз. Не сомневаюсь, вы знаете, что вода проводит электричество, но все не так просто. Важную роль играют примеси в воде.
Как вы думаете, что произойдет, если вы попробуете измерить сопротивление воды, которая вообще не содержит примесей? Первым вашим шагом будет попытка найти чистую воду. Так называемая очищенная вода обычно содержит минералы, добавленные после очистки, поэтому это не то, что вам нужно. Ключевая вода тоже не совсем чистая. То, что вам нужно, — это дистиллированная вода, также известная как деионизированная вода. Ее можно найти в супермаркетах. Скорее всего, вы обнаружите, что сопротивление дистиллированной воды при расстоянии в 2 см между щупами мультиметра окажется выше, чем сопротивление вашего языка. Попробуйте проверить это.
На данный момент это все эксперименты, связанные с сопротивлением, которые я смог придумать. Но у меня еще осталось для вас немного интересных исторических фактов.
Человек, который открыл сопротивление Георг Симон Ом, изображенный на рис. 1.26, родился в Баварии в 1787 году и большую часть жизни работал в безызвестности, изучая природу электричества с помощью металлической проволоки, которую смастерил самостоятельно (в начале XIX в. не было возможности заехать в строительный магазин за катушкой монтажного провода).
Рис. 1.26. Георг Симон Ом, после того как его наградили за новаторскую работу, большую часть которой он проделал в относительной безызвестности
Невзирая на ограниченность ресурсов и недостаточное знание математики, в 1827 году Ом смог показать, что электрическое сопротивление медного проводника изменяется обратно пропорционально площади его поперечного сечения, а сила протекающего через него тока пропорциональна приложенному напряжению в условиях постоянной температуры. Четырнадцать лет спустя Королевское общество в Лондоне наконец-то признало значимость его работы и наградило медалью Копли. Сегодня его открытие известно как закон Ома. Я объясню его подробнее в эксперименте 4.
Уборка рабочего места и повторное использование компонентов
В предыдущих экспериментах ваша батарея не должна была повредиться или значительно разрядиться. Вы сможете использовать ее снова.
Не забывайте выключить мультиметр перед тем, как убрать его. Многие устройства будут подавать звуковой сигнал как напоминание о выключении, если вы не пользуетесь ими продолжительное время, но некоторые не имеют такой функции. Во включенном состоянии мультиметр потребляет небольшое количество электроэнергии, даже если вы не проводите измерений.
Назад: Необходимые инструменты
Дальше: Эксперимент 2. Давайте испортим батарею!
