Книга: Электроника для начинающих (2-е издание)
Назад: Эксперимент 4. Переменное сопротивление
Дальше: Глава 2 УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Эксперимент 5. Давайте изготовим гальванический элемент
Давным-давно, еще до существования Всемирной паутины, детских игр было так мало, что малыши пытались развлекаться самостоятельно с помощью экспериментов на кухонном столе, например, собирая гальванический элемент, вставив гвоздь и монетку в лимон. Трудно поверить, но это правда!
Современные светодиоды светятся, когда через них протекает ток всего в несколько миллиампер, и старинный эксперимент с «лимонной» батарейкой станет гораздо интереснее. Если вы никогда не пробовали его осуществить, сейчас самое время.
Что вам понадобится
• Лимоны (2 шт.) или пластиковая бутылка со 100%-ным лимонным соком (1 шт.)
• Медная монетка (4 шт.)
• Крепежные скобы шириной 2,5 см (или больше) из оцинкованной стали (4 шт.)
• Тестовые провода с зажимами «крокодил» на концах (5 шт.)
• Мультиметр (1 шт.)
• Слаботочный светодиод (1 шт.)
ЗамечаниеЧтобы вспомнить о различиях между обычными и слаботочными светодиодами, загляните в раздел «Светоизлучающие диоды» этой главы.
Подготовка к эксперименту
Гальванический элемент — электрохимическое устройство, и это означает, что электричество возникает в результате химических реакций. Естественно, эксперимент удастся только при правильном выборе химических веществ. Я собираюсь использовать медь, цинк и лимонный сок.
С соком у вас не должно быть проблем. Лимоны стоят недорого, можно также купить концентрированный сок в пластиковой бутылке. Подойдет любой вариант.
Мелочь сейчас делают не из меди, но монеты имеют тонкое медное покрытие, которого должно хватить. Убедитесь, что ваша монетка новая и сверкает. Если медь окислилась, она станет бурой и эксперимент пройдет не вполне гладко.
С цинком дело обстоит немного сложнее. Потребуются гальванизированные металлические изделия, т. е. такие, которые для защиты от коррозии покрыты цинком. Небольшие оцинкованные стальные крепежные скобы должны быть в продаже в вашем местном строительном магазине, и стоят они недорого. Подойдут скобы с размером каждой стороны около 2,5 см.
Лимонный тест: часть первая
Разрежьте лимон пополам и вставьте в него монетку. Как можно ближе к монетке (но не касаясь ее) вставьте оцинкованную скобу. Теперь настройте мультиметр для измерения постоянного напряжения до 2 В и приложите один щуп к монетке, а другой к скобе. Ваш мультиметр должен показать напряжение в пределах от 0,8 до 1 В.
Чтобы зажечь обычный светодиод, требуется большее напряжение. Как его получить? Соединив гальванические элементы последовательно. Другими словами — больше лимонов! Соедините элементы батареи тестовыми проводами, как показано на рис. 1.59. Обратите внимание на то, что каждый провод соединяет скобу с монеткой. Не соединяйте монетку с монеткой или скобу со скобой.
Если вы все аккуратно соединили, установив монетки и скобы как можно ближе, но так, чтобы они не касались друг друга, то сможете зажечь ваш светодиод с помощью трех последовательных лимонных элементов.
Рис. 1.59. Три гальванических элемента из лимонов должны вырабатывать достаточное напряжение, чтобы зажечь слаботочный светодиод
Рис. 1.60. Лимонный сок из лимонов или из бутылки обеспечит надежный результат, хотя конструкция выглядит не так изящно. В этом варианте четырехэлементная батарея собрана из коробки для мелких деталей, отсеки которой заполнены соком
Другой вариант предусматривает использование коробки с секциями для мелких деталей, как показано на рис. 1.60. Когда вы соберете всю конструкцию, налейте в отсеки немного концентрированного лимонного сока. Уксус или грейпфрутовый сок также могут сработать.
Я решил задействовать четыре ячейки для батареи из сока, потому что светодиод несколько снижает напряжение, а наша «лимонная» батарея не способна создать ток, способный повредить светодиод. Установка, показанная на фотографии, заработала сразу.
Природа электричества
Чтобы понять, как работает «лимонная» батарея, следует начать со строения атома. Каждый атом состоит из ядра в центре, которое содержит положительно заряженные частицы, их называют протонами. Ядро окружено электронами, которые несут отрицательный заряд.
Разрушение ядра атома требует больших затрат энергии, но и высвобождает также много энергии — так бывает при ядерном взрыве. Но чтобы заставить пару электронов оставить атом (или присоединиться к нему), требуется совсем немного энергии. Например, электроны могут высвободиться, когда цинк вступает в химическую реакцию с кислотой.
Если покрытые цинком детали не подключены еще к чему-либо, реакция вскоре остановится, поскольку скопившимся электронам больше некуда деться. Они обладают силой взаимного отталкивания. Можно сравнить электроны с толпой враждебно настроенных людей, где каждый хочет, чтобы другие ушли, и не позволяет новичкам присоединиться к ним (рис. 1.61).
Рис. 1.61. Электроны внутри электрода настроены «недружелюбно»; это называется взаимным отталкиванием
Теперь рассмотрим, что происходит, когда цинковый электрод, имеющий избыток электронов, соединен проводом с электродом, сделанным из другого материала (например, из меди), который имеет «свободные места» (так называемые дырки) для электронов. Электроны могут свободно перемещаться по проводу, «перепрыгивая» от одного атома к другому. Как только мы откроем такой путь, взаимное отталкивание вынудит электроны сбежать друг от друга на новое «место жительства» как можно быстрее. Так возникает электрический ток (рис. 1.62).
Рис. 1.62. Электроны перемещаются от цинкового электрода к медному
Теперь, когда «популяция» электронов цинкового электрода уменьшилась, реакция между цинком и кислотой может продолжаться, замещая сбежавшие электроны новыми, которые быстро перенимают манеру своих предшественников и пытаются сбежать от остальных по проводу. Они обладают такой энергией, что мы можем направить электроны через светодиод, где они высвободят некоторое количество энергии, заставив его светиться.
Процесс продолжается, пока реакция между цинком и кислотой не прекратится, это происходит обычно из-за образования слоя вещества, например, оксида цинка, который не взаимодействует с кислотой и не позволяет ей вступать в реакцию с расположенным глубже цинком. (Вот почему цинковые электроды могут выглядеть потемневшими, когда вы вытащите их из кислотного электролита.)
Описанные процессы происходят в первичной батарее. Это значит, что она вырабатывает электричество, как только обеспечено соединение между ее полюсами. Сила тока, которую способна обеспечить первичная батарея, определяется скоростью протекающих химических реакций по высвобождению электронов. Когда необработанный металл электродов полностью используется в химической реакции, батарея больше не сможет производить электричество вследствие истощения. Ее не так просто перезарядить, потому что химические реакции трудно обратить, а электроды могли окислиться.
В перезаряжаемых аккумуляторах, также известных как вторичные батареи, более тщательный подбор электродов и электролита позволяет сделать химические реакции обратимыми.
История о плюсе и минусе
Как я уже упоминал, электричество — это поток электронов, которые имеют отрицательный заряд. В таком случае, почему же в экспериментах, которые вы уже провели, я говорил о том, что электричество перетекает от положительного полюса батареи к отрицательному?
Рассказ начинается с конфузов в истории исследования электричества. Когда Бенджамин Франклин пытался понять природу электрического тока, изучая такой феномен, как молния во время грозы, он считал, что наблюдает поток «электрических флюидов» от положительной стороны к отрицательной. Он выдвинул эту концепцию в 1747 году.
Фактически Франклин сделал досадную ошибку, которая оставалась неисправленной до тех пор, пока в 1897 году физик Джозеф Джон Томсон не сообщил о своем открытии электрона. На самом деле электричество — это поток отрицательно заряженных частиц из области с большим отрицательным зарядом в другую область, которая является «менее отрицательной» или «более положительной». В батарее электроны исходят от отрицательного полюса и текут к положительному.
Вы могли бы подумать, что когда этот факт был установлен, всем следовало бы забраковать идею Бена Франклина о потоке частиц от плюса к минусу. Но люди мыслили в этих терминах уже 150 лет. К тому же, когда электрон движется по проводу, вы можете представлять, что соответствующий положительный заряд движется в противоположном направлении. Когда электрон покидает свое место, он забирает небольшой отрицательный заряд с собой, поэтому его исходное место становится немного более положительным. Когда электрон прибывает на место назначения, его отрицательный заряд делает это место чуть менее положительным. Все это во многом подобно тому, как если бы воображаемая положительная частица путешествовала в обратном направлении. Более того, все математические закономерности, описывающие поведение электричества, остаются верными, если применить их к воображаемым положительным зарядам.
По традиции и для удобства ошибочная концепция Бена Франклина о потоке частиц от положи тельного полюса к отрицательному прижилась, поскольку, в конечном счете, это не имеет значения.
На обозначениях таких компонентов, как диоды и транзисторы, вы увидите стрелки, которые подсказывают, в каком направлении необходимо подключать выводы, — и все эти стрелки указывают от плюса к минусу, несмотря на то, что в действительности все устроено совсем не так.
Когда Бен Франклин изучал молнию, он воспринимал ее как электрический разряд, который двигается из положительной области (от облаков на небе) к отрицательному хранилищу (к планете Земля). Действительно, облака являются более положительными, но в реальности это просто означает то, что молния передает электроны от земли в небо. Да, именно так: тот, кого «ударила молния», может пострадать от испускания электронов, а не от их получения, как показано на рис. 1.63.
Рис. 1.63. При определенных погодных условиях поток электронов во время удара молнии может идти от земли, через ваши ноги к макушке головы и выше к облакам. Бенджамин Франклин был бы удивлен
Немного теории
Теперь я собираюсь вернуться назад, к некоторым определениям, которые обычно приводятся в начале книг по электронике.
Электрический потенциал определяется как сумма зарядов отдельных электронов. Основная единица измерения — кулон, который равен общему заряду 6 241 509 629 152 650 000 электронов.
Если вы знаете, сколько электронов проходит через отрезок провода за секунду, то сможете вычислить поток электричества, который можно выразить в амперах:
1 ампер = 1 кулон/секунда
(около 6,24 квинтиллионов электронов за секунду)
Даже если бы вы сумели заглянуть внутрь провода с электрическим током, то не смогли понаблюдать за электронами, поскольку их размеры меньше, чем длина волны видимого света, и кроме того, их слишком много и двигаются они очень быстро. Тем не менее, у нас есть косвенные способы их обнаружения. Например, движение электрона создает электромагнитную силу. Большее число электронов создает большую силу, и ее можно измерить. На ее основе мы можем вычислить силу тока. Ваш домашний электросчетчик работает по такому же принципу.
Сила, необходимая чтобы «протолкнуть» электроны через проводник, — это напряжение, оно создает электрический ток, который производит тепло, как вы заметили, когда замыкали батарею. (Если бы провод, который вы использовали, имел нулевое сопротивление, то электричество проходило бы по нему, не выделяя тепла.) Эту энергию можно напрямую превратить в тепло, как в электроплитах, или, например, запустить двигатель. В обоих случаях за счет энергии электронов выполняется какая-либо работа.
Один вольт можно определить как величину напряжения, которое вам необходимо для создания тока в 1 ампер, совершающего работу в 1 ватт. Как было указано ранее, 1 ватт = 1 вольт × 1 ампер, но это определение чаще записывают по - другому:
1 вольт = 1 ватт/1 ампер
Этот вариант более нагляден, поскольку ватт можно определить в неэлектрических терминах. Если вам интересно, можно раскрыть единицы метрической системы таким образом:
1 ватт = 1 джоуль/секунда1 джоуль = 1 ньютон силы, совершающей работу на расстоянии в 1 метр1 ньютон силы ускоряет 1 кг на 1 м/сек за каждую секунду
На этом основании все электрические единицы могут быть получены через наблюдения за массой, временем и зарядом электронов.
А теперь практика
Для практических целей, я думаю, интуитивное понимание электричества полезнее, чем теория. Мне нравится возвращаться к аналогиям с использованием воды, которые десятилетиями приводились в руководствах по электротехнике.
На рис. 1.30 я изобразил, как интенсивность, с которой вытекает вода из отверстия в емкости, можно сравнить с силой тока, в то время как уровень воды в сосуде создает давление, сравнимое с напряжением, а размер отверстия соответствует сопротивлению.
Как же представить по аналогии мощность в ваттах? Предположим, вы поместили небольшое водяное колесо там, где его достигает поток из отверстия, как показано на рис. 1.64. К этому водяному колесу можно прикрепить какой-либо механизм. Теперь поток совершает некоторую работу. (Вспомните, что мощность в ваттах является мерой скорости, с которой совершена работа.)
Рис. 1.64. Если колесо извлекает энергию из потока воды, поток выполняет какую-то работу, которая может быть измерена в ваттах за определенный период времени
Рис. 1.65. Чтобы продолжить функционирование системы, вы должны возвращать работу в нее
Возможно, это выглядит, как будто вы получаете что-то даром, извлекая работу от течения воды без возврата энергии в систему. Учтите, однако, что уровень воды в сосуде снижается. Как только я добавил помощников, перетаскивающих выливающуюся воду обратно в емкость, стало очевидным, что необходимо затратить некоторую энергию, чтобы получить работу на выходе (рис. 1.65).
Аналогично, может казаться, что батарея производит энергию, не получая ничего взамен, но химические реакции внутри нее превращают чистый металл в другие соединения, и получаемая нами энергия обусловлена этим изменением состояния. Если это аккумулятор, мы должны «втолкнуть» энергию обратно в процессе зарядки, чтобы обратить химические реакции.
Вернемся к емкости с водой и предположим, что мы не можем получить энергию в количестве, достаточном для вращения колеса. Первый способ — поднять уровень воды, чтобы создать большую силу, как на рис. 1.66.
Рис. 1.66. При большем давлении воды величина доступной работы увеличится
Это было бы подобно последовательному соединению двух батарей, плюса с минусом (как с лимонами, в лимонной батарее). Две последовательные батареи удвоят напряжение, как показано на рис. 1.67. Поскольку сопротивление цепи остается прежним, более высокое напряжение будет создавать большую силу тока, потому что сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению.
Снова вернемся к аналогии с сосудом. Что если мы захотим, чтобы колесо работало в два раза дольше, а емкость сосуда уже исчерпана? Может быть, нужно поставить второй сосуд и объединить их выходные отверстия в одно. Аналогично, если вы подключите две батареи параллельно, вы получите то же самое напряжение, но батареи прослужат в два раза дольше. Как альтернатива, две батареи способны выдать больший ток, чем одна (рис. 1.68).
Рис. 1.67. Две последовательные батареи обеспечивают удвоение напряжения, при условии, что они обе полностью заряжены
Рис. 1.68. Параллельные батареи питают ту же нагрузку, что и раньше, но в два раза дольше. Кроме того, они могут выдать в два раза больший ток за тот же период времени, что и одна батарея
Подведем итог:
• Две последовательно соединенные батареи обеспечивают удвоение напряжения.
• Две параллельные батареи могут обеспечить ту же силу тока, что и одна, но в два раза дольше, или же удвоенную силу тока за то же время.
Но довольно теории. В следующей главе мы продолжим эксперименты, которые будут построены на основных знаниях об электричестве, чтобы постепенно привести вас к созданию забавных и полезных устройств.
Завершение эксперимента и уборка рабочего места
Металлические изделия, которые вы погружали в лимоны или в лимонный сок, могут изменить цвет, но по-прежнему пригодны к использованию. Помните о том, что ионы цинка могли остаться в лимонах, поэтому не стоит употреблять их в пищу.
