Книга: Электроника для начинающих (2-е издание)
Назад: Эксперимент 1. Попробуйте электричество на вкус!
Дальше: Эксперимент 3. Ваша первая электрическая цепь

Эксперимент 2. Давайте испортим батарею!

Теперь, чтобы ближе познакомиться с электричеством, вам предстоит сделать то, что в других книгах просят не делать. Вам предстоит накоротко замкнуть батарею (короткое замыкание — это соединение двух полюсов источника питания).

Используйте низковольтную батарею

Эксперимент, который я собираюсь вам предложить, безопасен, но иногда короткое замыкание может быть опасным. Никогда не замыкайте сетевую розетку в доме: будет громкий взрыв, яркая вспышка, провода или инструмент, который вы используете, частично оплавятся, а разлетающиеся частицы расплавленного металла могут обжечь или ослепить вас.
Если вы замкнете автомобильный аккумулятор, ток будет настолько сильным, что батарея может даже взорваться, обдав вас кислотой. Чтобы убедиться в этом, взгляните на парня, изображенного на рис. 1.27.
Рис. 1.27. Падение ключа на клеммы автомобильного аккумулятора может привести к печальным последствиям. Короткое замыкание может быть очень сильным даже при напряжении «всего лишь» 12 В, если аккумулятор достаточно энергоемкий
Литиевые аккумуляторы часто можно встретить в электроинструментах, ноутбуках и в других портативных устройствах. Никогда не замыкайте накоротко такой аккумулятор: он может загореться и обжечь вас. Литиевые аккумуляторы могут загореться, даже если вы не замыкаете их (рис. 1.28). Некоторые старые модели ноутбуков даже взрывались при работе. Инженерам пришлось существенно усовершенствовать литиевые аккумуляторы, чтобы предотвратить такой ход событий. Но замыкание их накоротко по-прежнему очень опасно.
В описанном далее эксперименте используйте только одну щелочную батарею типа АА. Возможно, вам понадобятся защитные очки на тот случай, если батарея окажется дефектной.

Что вам понадобится

• Батарея типа АА на 1,5 В (2 шт.)
• Держатель для батареи (1 шт.)
• Плавкий предохранитель на 3 А (2 шт.)
• Защитные очки (подойдут обычные или солнцезащитные очки)
• Тестовые провода с зажимами типа «крокодил» на концах (2 шт.)
Рис. 1.28. Никогда не шутите с литиевыми аккумуляторами

Получение тепла с помощью электричества

Внимание!
Экспериментируйте только со щелочной батареей.
Не используйте перезаряжаемый аккумулятор!
Вставьте батарею в держатель, с подсоединенными двумя тонкими проводами (см. рис. 1.9). Скрутите вместе неизолированные концы проводов, как показано на рис. 1.29. Вначале может показаться, что ничего не происходит. Но подождите минуту и вы обнаружите, что провода нагреются. А еще через минуту вся батарея также станет горячей.
Тепло вырабатывается электрическим током, протекающим через провода и электролит (проводящую жидкость) внутри батареи. Если вы когда-либо пользовались ручным насосом для нагнетания воздуха в велосипедную шину, то знаете, что насос нагревается. Электричество ведет себя подобным же образом. Можно представить, что электричество состоит из частиц (электронов), которые проходя через провод, нагревают его. Это не идеальная аналогия, но она подходит для наших целей.
Откуда берутся электроны? Их высвобождают химические реакции, происходящие внутри батареи, в результате создается электрическое «давление». Правильное название для такого давления — напряжение, которое измеряется в вольтах, названных в честь Алессандро Вольта, еще одного первопроходца в исследованиях электричества.
Рис. 1.29. Замыкание щелочной батареи может быть безопасным, если вы точно следуете указаниям
Вернемся к нашей аналогии с водой: высота уровня жидкости в емкости пропорциональна давлению воды, это же верно и для напряжения. Рисунок 1.30 может помочь вам это наглядно представить.
Но напряжение — это еще не все. Когда электроны проходят по проводу, величина их потока за определенный период времени называется силой тока, она измеряется в амперах, названных в честь еще одного первооткрывателя, Андре-Мари Ампера. Этот поток электронов носит название электрического тока. Эксперимент можно схематично описать так: электрический ток — сила тока — выделяется тепло. По аналогии можно сформулировать два правила:
• рассматривайте напряжение, как давление;
• рассматривайте силу тока, как скорость потока электронов.
Рис. 1.30. Давление в источнике воды аналогично напряжению в источнике электричества

Почему ваш язык не стал горячим?

Когда вы касались языком 9-вольтовой батареи, то чувствовали пощипывание, но не ощущали тепла. Когда вы замкнули 1,5-вольтовую батарею, то получили заметное количество тепла, хотя напряжение было гораздо меньше. Как это объяснить?
Ваш мультиметр показал, что электрическое сопротивление языка очень велико. Это высокое сопротивление уменьшает поток электронов.
Сопротивление провода очень низкое, и поэтому когда провода подключены к полюсам батареи, то через них проходит больший ток, чем через ваш язык, и выделяется больше тепла. Если все другие факторы оставить постоянными, то:
• чем меньше сопротивление, тем больше электрический ток;
• тепло, производимое электричеством, пропорционально количеству электрического тока, которое протекает через проводник за определенный период времени. (Это соотношение перестает быть верным, если сопротивление провода изменяется при нагревании.)
Сформулируем еще несколько принципов.
• Электрический поток за секунду измеряется в амперах, эта единица часто сокращается до буквы А.
• Электрическое напряжение, которое приводит к появлению данного потока, измеряется в вольтах.
• Сопротивление электрическому потоку измеряется в омах.
• Более высокое сопротивление уменьшает силу тока.
• Повышенное напряжение способно преодолеть сопротивление и увеличить силу тока.
Взаимосвязь между напряжением, сопротивлением и силой тока (давлением, сопротивлением и потоком) показана на рис. 1.31.
Рис. 1.31. Сопротивление препятствует давлению и уменьшает поток как воды, так и электричества

Единицы измерения напряжения

Вольт — это международная единица измерения, обозначаемая прописной буквой В или V. В США и в некоторых странах Европы переменное напряжение в бытовой электросети составляет 110,115 или 120 В, в других странах напряжение в электрической сети может быть 220, 230 или 240 В. Полупроводниковые компоненты обычно работают от источника постоянного напряжения в диапазоне от 5 вплоть до 20 В, хотя современные элементы для поверхностного монтажа могут функционировать при напряжении менее 2 В. Некоторые компоненты, такие как микрофон, выдают напряжение, измеряемое в милливольтах (сокращенно мВ, один милливольт — это одна тысячная вольта). Когда электричество передается на большие расстояния, то оно измеряется в киловольтах, сокращенно кВ. В некоторых исключительно протяженных силовых линиях используются мегавольты. Пересчет единиц напряжения приведен в табл. 1.2.
Таблица 1.2

Единицы измерения силы тока

Ампер — это международная единица измерения силы тока, обозначаемая прописной буквой А. Бытовые электроприборы могут потреблять ток в несколько ампер, а типичные автоматические выключатели в США рассчитаны на 20 А. Электронные компоненты часто потребляют ток порядка миллиамперов (сокращенно мА, один миллиампер — это одна тысячная ампера). Такие устройства, как жидкокристаллические дисплеи, могут потреблять микроамперы, сокращенно мкА (или μА), один микроампер — это одна тысячная миллиампера. Перерасчет единиц силы тока приведен в табл. 1.3.
Таблица 1.3

Как пережечь предохранитель

Какое в точности количество тока протекло по проводам держателя батареи, когда вы ее замкнули? Смогли бы мы его измерить?
Это не так просто. Если вы попытаетесь измерить большой ток мультиметром, то можете сжечь его внутренний предохранитель. Поэтому отложите мультиметр в сторону. Возьмем 3-амперный предохранитель, которым можно пожертвовать, поскольку он стоит недорого.
Вначале проверьте предохранитель с помощью увеличительного стекла, если оно у вас есть. В автомобильном предохранителе в прозрачном окошке по центру вы можете увидеть небольшую деталь в виде буквы S, изготовленную из легкоплавкого металла. В стеклянных патронных предохранителях это тонкий кусочек проволоки, который служит для той же цели (см. рис. 1.12 и 1.13).
Рис. 1.32. Как закоротить автомобильный предохранитель
Рис. 1.33. Как прикрепить щупы к маленькому патронному предохранителю
Вытащите 1,5-вольтовую батарею из держателя. Она теперь пришла в абсолютную негодность, и при возможности ее необходимо отправить на переработку. Разъедините два провода, которые скручены вместе, а затем соедините держатель для батареи и предохранитель проводниками, как показано на рис. 1.32 или 1.33. Вставьте новую батарею в держатель и наблюдайте за предохранителем. Разрыв должен произойти в центре вставки предохранителя, в месте расплавления металла. Сказанное иллюстрируют рис. 1.34 и 1.35.
Некоторые 3-амперные предохранители перегорают быстрее, чем другие, хотя и обладают тем же номиналом. Если ваш предохранитель сразу не перегорел, попробуйте подключить к нему провода напрямую от батареи, исключив из цепи тестовые провода. Если вы используете уже бывшую в употреблении батарею типа АА, то придется подождать несколько секунд, пока предохранитель не перегорит. Если вы так и не добились требуемого результата, то можете поэкспериментировать с элементами питания типа С или D, которые имеют такое же напряжение, но выдают больший ток. Но обычно в этом нет необходимости.
Рис. 1.34. Обратите внимание на разрыв плавкой вставки
Рис. 1.35. В перегоревшем патронном предохранителе появляется аналогичный разрыв
Теперь вам понятно, как работает предохранитель: плавится, чтобы защитить остальную часть схемы. Маленький разрыв внутри предохранителя не позволяет течь слишком большому току.

Постоянный и переменный ток

Поток электричества, который вы получаете от батареи, называется постоянным током. Подобно потоку воды из крана, это постоянное течение в одном направлении.
Поток электричества, который вы получаете из домашней электрической розетки, совсем другой. Полярность на «фазном» контакте розетки меняется с положительной на отрицательную по отношению к «нейтральному» контакту с частотой 60 раз в секунду (во многих странах, включая Европу, 50 раз в секунду). Это переменный ток, который больше похож на пульсирующий поток воды, как при мойке автомобиля.
Переменный ток очень важен для решения таких задач, как, например, повышение напряжения для передачи электричества на дальние расстояния. Он также используется в электродвигателях и в бытовой технике. Внешний вид электрической розетки показан на рис. 1.36. Такие розетки можно встретить в Северной и Южной Америке, Японии и в других странах. Европейские розетки выглядят иначе, но принцип остается тем же.
Рис. 1.36. Устройство электрической розетки
Гнездо А на рис. 1.39 — это «фазный» или «активный» контакт розетки, подающий напряжение, которое изменяется от положительного к отрицательному по отношению к гнезду В, которое является «нейтральным» контактом. Если в каком-либо устройстве произойдет нарушение изоляции внутреннего силового провода, то такое устройство розетки должно защитить вас при помощи отвода напряжения через гнездо С, т. е. на заземление.
В США розетка, показанная на рис. 1.36, рассчитана на напряжение 110-120 В. Другие разновидности розеток предназначены для более высокого напряжения, но они также имеют активный, нейтральный и заземляющий провода (за исключением трехфазных розеток, которые применяются в основном в промышленности).
В этой книге я буду говорить большей частью о постоянном токе по двум причинам: во-первых, самые простые электрические схемы питаются от источника постоянного тока, и во-вторых, его поведение легче понять.
Замечание
Я не стану постоянно упоминать о том, что мы работаем с постоянным током. Просто считайте, что речь идет о постоянном токе, если не указано иное.

Изобретатель гальванического элемента

Алессандро Вольта, изображенный на рис. 1.37, родился в Италии в 1745 году, задолго до того как наука разделилась по отраслям знаний. После изучения химии (в 1776 году он открыл метан), он стал профессором физики и проявил интерес к так называемому гальваническому рефлексу, при котором конечность лягушки дергается в ответ на разряд статического электричества.
Рис. 1.37. Алессандро Вольта обнаружил, что химические реакции могут производить электричество
С помощью стакана, наполненного соленой водой, Вольта продемонстрировал, что в результате химической реакции между двумя электродами (один сделан из меди, а другой из цинка) возникнет стабильный электрический ток. В 1800 году он улучшил свой аппарат, разместив пластины меди и цинка в виде стопки и разделив их смоченным в соленой воде картоном. Этот «Вольтов столб» стал первой электрической батареей в истории Западной цивилизации.

«Отец» электромагнетизма

Родившийся в 1775 году во Франции Андре-Мари Ампер (изображен на рис. 1.38) был гением математики, который стал преподавать науку, несмотря на то, что сам обучался в основном самостоятельно в библиотеке отца. Его самая известная работа — созданная в 1820 году теория электромагнетизма, которая объясняет появление магнитного поля при протекании электрического тока. Он также сконструировал первый прибор для измерения потока электричества (теперь известного как гальванометр) и открыл химический элемент фтор.
Рис. 1.38. Андре-Мари Ампер обнаружил, что проходящий через провод электрический ток создает вокруг него магнитное поле. Он использовал это свойство, чтобы провести первые надежные измерения того, что впоследствии назвали силой тока

Повторное использование компонентов

Батарейка, которую вы привели в негодность коротким замыканием, больше не понадобится вам. Но не стоит выбрасывать ее в мусорное ведро, поскольку она содержит тяжелые металлы, которые не должны попасть в экосистему. В вашем регионе или городе должна быть государственная схема утилизации (например, в штате Калифорния принято, что все батареи должны быть переработаны). Подробности узнавайте в местных нормативных актах.
Сгоревший предохранитель не подлежит дальнейшему использованию, его можно выбросить.
Вторая батарея, которая была защищена предохранителем, должна быть по-прежнему рабочей. Держатель батареи тоже еще пригодится вам.
Назад: Эксперимент 1. Попробуйте электричество на вкус!
Дальше: Эксперимент 3. Ваша первая электрическая цепь