O elektrickom prúde, napätí a sile zo sovietskej detskej knihy: jednoduché a jasné

V Sovietskom zväze, ktorý dosiahol veľmi vážne úspechy v rozvoji vedy a techniky, sa rádioamatérske hnutie rozšírilo. Mnoho tisíc mladých občanov študovalo rádiotechniku ​​pod vedením inštruktorov v rozhlasových krúžkoch a rádiokluboch, ktoré majú špeciálnu odbornú literatúru, nástroje a prístroje. Mnohí z nich sa v budúcnosti stali kvalifikovanými inžiniermi, dizajnérmi, vedcami.

K takýmto rádiovým obvodom vychádzala populárno-náučná literatúra, v ktorej boli jednoduchým jazykom s veľkým množstvom ilustrácií vysvetlené rôzne otázky fyziky, mechaniky, elektrotechniky a elektroniky.

Jedným z príkladov takýchto kníh je kniha Cheslova Klimčevského „Abeceda rozhlasového amatéra“, ktorú vydalo vydavateľstvo „Svyazizdat“ v roku 1962. Prvá časť knihy sa nazýva „Elektrotechnika“, druhá časť je „Rozhlas Inžinierstvo“, tretia je „Praktická rada“. , štvrtá časť — „Nainštalujeme sa sami“.

Samotnú knihu si môžete stiahnuť tu: Abeceda amatérskeho rádia (divoká)

Tento typ kníh v 60. rokoch nepatril do vysoko odbornej literatúry.Vychádzali v nákladoch desaťtisíc kusov a boli určené pre masového čitateľa.

Rádio Raz bolo tak úplne aplikované v každodennom živote ľudí, takže v tom čase sa verilo, že nemôžete byť obmedzení iba schopnosťou otáčať gombíkmi. A každý vzdelaný človek by mal študovať rádio, aby pochopil, ako prebieha rádiový prenos a rádiový príjem, aby sa zoznámil so základnými elektrickými a magnetickými javmi, ktoré sú kľúčom k teórii rádiotechniky. Vo všeobecnosti je tiež potrebné oboznámiť sa so systémami a dizajnom prijímacích zariadení.

Pozrime sa spolu a posúďme, ako vtedy vedeli zložité veci vysvetliť jednoduchými obrázkami.

Začínajúci rádioamatér našej doby:

O elektrickom prúde

Všetky látky na svete a teda aj všetky predmety okolo nás, hory, moria, vzduch, rastliny, zvieratá, ľudia, pozostávajú z nesmierne malých častíc, molekúl, a tie zase z atómov. Kúsok železa, kvapka vody, zanedbateľné množstvo kyslíka sú nahromadením miliárd atómov, jeden druh v železe, iný vo vode alebo kyslíku.

Ak sa na les pozriete z diaľky, vyzerá ako tmavý pás, ktorý je z jedného kusu (porovnajte ho napr. s kusom železa). Ako sa blížia k okraju lesa, vidno jednotlivé stromy (v kuse železa — atómy železa). Les pozostáva zo stromov; podobne aj látka (napríklad železo) sa skladá z atómov.

V ihličnatom lese sú stromy iné ako v listnatom; podobne sú molekuly každého chemického prvku zložené z atómov odlišných od molekúl iných chemických prvkov. Atómy železa sa teda líšia od, povedzme, atómov kyslíka.

Keď sa priblížime ešte bližšie k stromom, vidíme, že každý z nich pozostáva z kmeňa a listov. Rovnakým spôsobom sa atómy látky skladajú z tzv Jadro (kufor) a elektróny (plechy).

Kmeň je ťažký a jadro je ťažké; predstavuje kladný elektrický náboj (+) atómu. Listy sú ľahké a elektróny sú ľahké; vytvárajú na atóme záporný elektrický náboj (-).

Rôzne stromy majú kmene s rôznym počtom vetiev a počet listov nie je rovnaký. Podobne aj atóm v závislosti od chemického prvku, ktorý predstavuje, pozostáva (v najjednoduchšej forme) z jadra (kmeňa) s niekoľkými kladnými nábojmi — takzvané protóny (vetvy) a množstvo záporných nábojov — elektrónov (listov).

V lese, na zemi medzi stromami, sa hromadí množstvo opadaného lístia. Vietor dvíha tieto listy zo zeme a cirkulujú medzi stromami. Takže v látke (napríklad v kove) medzi jednotlivými atómami je určité množstvo voľných elektrónov, ktoré nepatria žiadnemu z atómov; tieto elektróny sa medzi atómami pohybujú náhodne.

Ak pripojíte vodiče pochádzajúce z elektrickej batérie na konce kusu kovu (napríklad oceľový hák): pripojte jeden jeho koniec k plusu batérie – priveďte takzvaný kladný elektrický potenciál (+) k nej a druhý koniec do mínusu batérie – priveďte záporný elektrický potenciál (-), potom sa voľné elektróny (záporné náboje) začnú pohybovať medzi atómami vo vnútri kovu a ponáhľajú sa na kladnú stranu batérie.

Vysvetľuje to nasledujúca vlastnosť elektrických nábojov: opačné náboje, to znamená kladné a záporné náboje sa navzájom priťahujú; ako náboje, teda kladné alebo záporné, sa naopak navzájom odpudzujú.

Voľné elektróny (záporné náboje) v kove sú priťahované ku kladne nabitej (+) svorke batérie (zdroj prúdu), a preto sa v kove už nepohybujú náhodne, ale na kladnú stranu zdroja prúdu.

Ako už vieme, elektrón je elektrický náboj. Veľké množstvo elektrónov pohybujúcich sa v jednom smere vo vnútri kovu tvorí tok elektrónov, t.j. elektrické náboje. Tieto elektrické náboje (elektróny) pohybujúce sa v kove tvoria elektrický prúd.

Ako už bolo spomenuté, elektróny sa pohybujú pozdĺž vodičov z mínusu do plusu. Dohodli sme sa však na tom, že prúd tečie opačným smerom: od plusu k mínusu, to znamená, že nie záporné, ale kladné náboje sa pohybujú pozdĺž drôtov (takéto kladné náboje by boli priťahované k mínusu zdroja prúdu) .

Čím viac listov v lese poháňa vietor, tým hustejšie napĺňajú vzduch; rovnako, čím viac nábojov prúdi v kove, tým väčšie je množstvo elektrického prúdu.

Nie každá látka dokáže prenášať elektrický prúd s rovnakou ľahkosťou. Voľné elektróny sa ľahko pohybujú, napríklad v kovoch.

Materiály, v ktorých sa elektrický náboj ľahko pohybuje, sa nazývajú vodiče elektrického prúdu. Niektoré materiály, nazývané izolátory, nemajú žiadne voľné elektróny, a preto cez izolátory nepreteká elektrický prúd. Medzi izolanty patria okrem iných materiálov aj sklo, porcelán, sľuda, plasty.

Voľné elektróny, ktoré sú prítomné v látke, ktorá vedie elektrický prúd, možno tiež prirovnať k kvapkám vody.

Jednotlivé kvapky v pokoji nevytvárajú prúd vody. Veľké množstvo z nich v pohybe tvorí potok alebo rieku tečúcu jedným smerom. Kvapky vody v tomto potoku alebo rieke sa pohybujú v prúde, ktorého sila je väčšia, čím väčší je rozdiel hladín kanála pozdĺž jeho dráhy, a teda tým väčší je rozdiel v „potenciáloch“ (výškach) jednotlivca. jednotlivé segmenty tejto cesty.

Veľkosť elektrického prúdu

Aby ste pochopili javy spôsobené elektrickým prúdom, porovnajte ho s prúdením vody. Malé množstvá vody tečú v potokoch, zatiaľ čo veľké množstvá vody tečú v riekach.

Predpokladajme, že hodnota prietoku vody v prúde sa rovná 1; Vezmime si hodnotu prietoku v rieke napríklad 10. Napokon pre silnú rieku je hodnota prietoku vody povedzme 100, čo je stonásobok hodnoty prietoku v potoku.

Slabý prúd vody dokáže poháňať koleso len jedného mlyna. Vezmeme hodnotu tohto prúdu rovnú 1.

Dva z týchto mlynov môže poháňať dvojnásobný prietok vody. V tomto prípade sa hodnota prietoku vody rovná 2.

Päťnásobný prúd vody môže poháňať päť rovnakých mlynov; hodnota prietoku vody je teraz 5. Dá sa pozorovať prietok vodného toku v rieke; Elektrický prúd preteká cez drôty neviditeľné pre naše oči.

Na nasledujúcom obrázku je znázornený elektromotor (elektromotor) poháňaný elektrickým prúdom. Vezmime si v tomto prípade hodnotu elektrického prúdu rovnú 1.

Keď elektrický prúd poháňa dva takéto elektromotory, potom množstvo prúdu pretekajúceho cez hlavný vodič bude dvakrát väčšie, to znamená 2.Nakoniec, keď elektrický prúd napája päť rovnakých elektromotorov, potom je prúd na hlavnom vodiči päťkrát vyšší ako v prvom prípade; preto je jeho veľkosť 5.

Praktickou jednotkou na meranie množstva pretečenej vody alebo inej kvapaliny (teda množstva, ktoré pretečie za jednotku času, napr. za sekundu, cez prierez koryta rieky, potrubia a pod.) je liter za sekundu.

Na meranie veľkosti elektrického prúdu, teda množstva nábojov, ktoré pretečú prierezom drôtu za jednotku času, sa ako praktická jednotka berie ampér, teda veľkosť elektrického prúdu sa určuje v ampéroch. Skrátený ampér je označený písmenom a.

Zdrojom elektrického prúdu môže byť napríklad galvanická batéria alebo elektrický akumulátor.

Veľkosť batérie alebo akumulátora určuje množstvo elektrického prúdu, ktoré môžu poskytnúť, a dĺžku ich pôsobenia.

Na meranie veľkosti elektrického prúdu v elektrotechnike použite špeciálne prístroje, ampérmetre (A). Rôzne elektrické zariadenia prenášajú rôzne množstvá elektrického prúdu.

Napätie

Druhou elektrickou veličinou úzko súvisiacou s veľkosťou prúdu je napätie. Aby sme ľahšie pochopili, aké je napätie elektrického prúdu, porovnajme ho s rozdielom hladín kanála (spád vody v rieke), tak ako sme porovnávali elektrický prúd s prúdom vody. S malým rozdielom v úrovniach kanálov vezmeme rozdiel rovný 1.

Ak je rozdiel hladín kanálov výraznejší, potom je pád vody zodpovedajúcim spôsobom väčší. Predpokladajme napríklad, že sa rovná 10, teda desaťkrát viac ako v prvom prípade.Nakoniec, s ešte väčším rozdielom v úrovni vodopádov, je to povedzme 100.

Ak prúd vody padá z malej výšky, môže poháňať iba jeden mlyn. V tomto prípade vezmeme kvapku vody rovnú 1.

Ten istý prúd padajúci z dvojnásobnej výšky dokáže roztočiť kolesá dvoch podobných mlynov. V tomto prípade sa kvapka vody rovná 2.

Ak je rozdiel hladín kanálov päťkrát väčší, potom rovnaký prietok poháňa päť takýchto mlynov. Kvapka vody je 5.

Podobné javy sa pozorujú pri zvažovaní elektrického napätia. Aby ste pochopili, čo to v nasledujúcich príkladoch znamená, stačí nahradiť výraz «kvapka vody» pojmom «elektrické napätie».

Nechajte horieť iba jednu lampu. Predpokladajme, že sa naň aplikuje napätie rovné 2.

Aby päť takýchto žiaroviek zapojených rovnakým spôsobom vyhorelo, napätie sa musí rovnať 10.

Keď sa rozsvietia dve rovnaké žiarovky zapojené do série (ako sú žiarovky zvyčajne zapojené v girlandách na vianočný stromček), napätie je 4.

Vo všetkých uvažovaných prípadoch prechádza každou žiarovkou elektrický prúd rovnakej veľkosti a na každú z nich je privedené rovnaké napätie, ktoré je súčasťou celkového napätia (napätia batérie), ktoré je v každom jednotlivom príklade iné.

Nechajte rieku vtekať do jazera. Podmienečne budeme brať hladinu vody v jazere ako nulovú, potom je hladina koryta pri druhom strome vo vzťahu k hladine vody v jazere rovná 1 m a hladina koryta pri treťom strome strom bude mat 2m. Hladina koryta pri treťom strome je o 1 m vyššie ako jeho hladina pri druhom strome, t.j. medzi týmito stromami sa rovná 1 m.

Rozdiel v úrovniach kanálov sa meria v jednotkách dĺžky, napríklad, ako sme to robili my, v metroch. V elektrotechnike zodpovedá hladina koryta v ktoromkoľvek bode vzhľadom na určitú nulovú hladinu (v našom príklade hladina vody v jazere) elektrickému potenciálu.

Rozdiel v elektrickom potenciáli sa nazýva napätie. Elektrický potenciál a napätie sa merajú rovnakou jednotkou - voltom, skráteným písmenom c. Jednotkou na meranie elektrického napätia je teda volt.

Na meranie elektrického napätia sa používajú špeciálne meracie prístroje nazývané voltmetre (V).

Takýto zdroj elektrického prúdu ako batéria je všeobecne známy. Jeden článok takzvanej olovenej batérie (v ktorej sú olovené platničky ponorené do vodného roztoku kyseliny sírovej) pri nabíjaní má napätie asi 2 volty.

Anódová batéria, ktorá sa používa na napájanie batériových rádií elektrickým prúdom, sa zvyčajne skladá z niekoľkých desiatok suchých galvanických článkov, každý s napätím asi 1,5 V.

Tieto prvky sú spojené postupne (to znamená, že plus prvého prvku je spojený s mínusom druhého, plus druhého - s mínusom tretieho atď.). V tomto prípade sa celkové napätie batérie rovná súčtu napätí článkov, z ktorých sa skladá.

Preto 150 V batéria obsahuje 100 takýchto článkov zapojených do série.

Do zásuvky osvetľovacej siete s napätím 220 V môžete zapojiť jednu žiarovku určenú na napätie 220 V alebo 22 rovnakých svetiel na vianočný stromček zapojených do série, z ktorých každé je určené pre napätie 10 V.V tomto prípade bude mať každá žiarovka iba 1/22 sieťového napätia, to znamená 10 voltov.

Napätie pôsobiace na konkrétne elektrické zariadenie, v našom prípade žiarovku, sa nazýva úbytok napätia. Ak 220 V žiarovka spotrebuje rovnaký prúd ako 10 V žiarovka, potom celkový prúd, ktorý girlanda odoberá zo siete, bude mať rovnakú veľkosť ako prúd pretekajúci 220 V žiarovkou.

Z toho, čo bolo povedané, je zrejmé, že napríklad dve rovnaké 110-voltové žiarovky je možné zapojiť do siete 220 V, zapojené do série navzájom.

Rádiové elektrónky určené na napätie 6,3 V je možné ohrievať napríklad z batérie pozostávajúcej z troch článkov zapojených do série; žiarovky, ktoré sú určené pre napätie vlákna 2 V môžu byť napájané jedným článkom.

Napätie vlákna rádiových elektrónok je uvedené v zaoblenej forme na začiatku symbolu žiarovky: 1,2 V — s číslom 1; 4,4 palca – číslo 4; 6,3 palca — číslo 6; 5 c – číslo 5.

Pre príčinu spôsobujúcu elektrický prúd

Ak dve oblasti zemského povrchu, dokonca aj ďaleko od seba, ležia na rôznych úrovniach, potom môže dôjsť k prúdeniu vody. Voda bude prúdiť z najvyššieho bodu do najnižšieho.

Rovnako aj elektrický prúd. Môže prúdiť iba vtedy, ak existuje rozdiel v elektrických hladinách (potenciáloch). Na mape počasia je najvyššia barometrická hladina (vysoký tlak) označená znakom "+" a najnižšia úroveň znakom "-".

Úrovne budú zarovnané v smere šípky. Vietor bude fúkať v smere do oblasti s najnižšou barometrickou hladinou. Keď sa tlak vyrovná, pohyb vzduchu sa zastaví. Tok elektrického prúdu sa teda zastaví, ak sa elektrické potenciály vyrovnajú.

Počas búrky dochádza k vyrovnávaniu elektrických potenciálov medzi oblakmi a zemou alebo medzi oblakmi. Objavuje sa vo forme blesku.

Existuje tiež potenciálny rozdiel medzi svorkami (pólmi) každého galvanického článku alebo batérie. Ak teda na ňu pripevníte napríklad žiarovku, tak cez ňu potečie prúd. Postupom času sa rozdiel potenciálov zmenšuje (dochádza k vyrovnaniu potenciálu) a znižuje sa aj množstvo pretekajúceho prúdu.

Ak zapojíte žiarovku do siete, potom ňou bude tiecť aj elektrický prúd, keďže medzi zásuvkami zásuvky je potenciálny rozdiel. Na rozdiel od galvanického článku alebo batérie sa však tento potenciálny rozdiel udržiava neustále – pokiaľ je elektráreň v prevádzke.

Elektrická energia

Medzi elektrickým napätím a prúdom je úzky vzťah. Množstvo elektrickej energie závisí od množstva napätia a prúdu. Vysvetlíme si to na nasledujúcich príkladoch.

Čerešňa padá z nízkej výšky: Nízka výška - mierne napätie. Nízka nárazová sila – nízky elektrický výkon.

Kokos padá z malej výšky (vzhľadom na miesto, kde chlapec vyliezol): Veľký objekt - veľký prúd. Nízka nadmorská výška — nízky stres. Relatívne vysoká nárazová sila — relatívne vysoký výkon.

Malý kvetináč padá z veľkej výšky: Malý predmet je malý prúd. Veľká výška pádu je veľkým stresom. Vysoká nárazová sila – vysoký výkon.

Lavína padajúca z veľkej výšky: Veľké masy snehu — veľký prúd. Veľká výška pádu je veľkým stresom. Veľká ničivá sila lavíny je veľká elektrická sila.

Pri vysokom prúde a vysokom napätí sa získava veľký elektrický výkon.Ale rovnaký výkon možno získať s vyšším prúdom a zodpovedajúcim nižším napätím alebo naopak s nižším prúdom a vyšším napätím.

Elektrický výkon jednosmerného prúdu sa rovná súčinu hodnôt napätia a prúdu. Elektrický výkon sa vyjadruje vo wattoch a označuje sa písmenami W.

Už bolo povedané, že prietok vody určitej veľkosti môže poháňať jeden mlyn, dvojnásobný prietok - dva mlyny, štvornásobný prietok - štyri mlyny atď., napriek tomu, že spád vody (napätie) bude rovnaký. .

Obrázok ukazuje malý prietok vody (zodpovedajúci elektrickému prúdu), ktorý otáča kolesá štyroch mlynov v dôsledku skutočnosti, že spád vody (zodpovedajúci elektrickému napätiu) je dostatočne veľký.

Kolesá týchto štyroch mlynov sa môžu otáčať s dvojnásobným prietokom vody v polovici výšky pádu. Potom by boli mlyny usporiadané trochu inak, ale výsledok by bol rovnaký.

Nasledujúci obrázok zobrazuje dve svietidlá zapojené paralelne do 110V osvetľovacej siete. Každou z nich preteká prúd 1 A. Prúd pretekajúci dvoma svietidlami je spolu 2 ampéry.

Súčin hodnôt napätia a prúdu určuje výkon, ktorý tieto svietidlá spotrebúvajú zo siete.

110V x 2a = 220W.

Ak je napätie osvetľovacej siete 220 V, rovnaké svietidlá musia byť zapojené do série, nie paralelne (ako to bolo v predchádzajúcom príklade), aby sa súčet úbytkov napätia na nich rovnal napätiu siete. Prúd tečúci v tomto prípade cez dve žiarovky je 1 A.

Súčin hodnôt napätia a prúdu pretekajúceho obvodom nám dá výkon spotrebovaný týmito svietidlami 220 V x 1a = 220 W, teda rovnaký ako v prvom prípade.Je to pochopiteľné, keďže v druhom prípade je prúd odoberaný zo siete dvakrát menší, ale dvojnásobné napätie v sieti.

Watt, kilowatt, kilowatthodina

Akékoľvek elektrické zariadenie alebo stroj (zvonček, žiarovka, elektromotor a pod.) spotrebúva určité množstvo elektrickej energie z osvetľovacej siete.

Na meranie elektrického výkonu sa používajú špeciálne prístroje nazývané wattmetre.

Výkon napríklad osvetľovacej lampy, elektromotora atď. je možné určiť bez pomoci wattmetra, ak je sieťové napätie a množstvo prúdu, ktoré preteká spotrebičom elektrickej energie pripojeným k sieti, známy.

Podobne, ak je známa spotreba elektrickej energie a sieťové napätie, potom je možné určiť množstvo prúdu pretekajúceho cez spotrebič.

Napríklad 110-voltová osvetľovacia sieť obsahuje 50-wattovú lampu. Aký prúd ním preteká?

Pretože súčin napätia vyjadreného vo voltoch a prúdu vyjadreného v ampéroch sa rovná výkonu vyjadrenému vo wattoch (pre jednosmerný prúd), potom po vykonaní spätného výpočtu, to znamená, vydeľte počet wattov počtom voltov ( sieťové napätie), dostaneme množstvo prúdu v ampéroch pretekajúceho lampou,

a = w / b,

prúd je 50 W / 110 V = 0,45 A (približne).

Lampou teda tečie prúd cca 0,45 A, ktorá spotrebuje 50 W energie a je napojená na 110 V elektrickú sieť.

Ak je do osvetľovacej siete miestnosti zaradený luster so štyrmi 50-wattovými žiarovkami, stolová lampa s jednou 100-wattovou žiarovkou a 300-wattová žehlička, potom je výkon všetkých spotrebičov energie 50 W x 4 + 100 W + 300 W = 600 W.

Keďže sieťové napätie je 220 V, cez bežné osvetľovacie vodiče vhodné pre túto miestnosť tečie elektrický prúd 600 W / 220 V = 2,7 A (približne).

Nechajte elektrický motor spotrebovať 5000 wattov energie zo siete alebo, ako sa hovorí, 5 kilowattov.

1000 wattov = 1 kilowatt, rovnako ako 1 000 gramov = 1 kilogram. Kilowatty sa označujú skratkou kW. O elektromotore teda môžeme povedať, že spotrebuje výkon 5 kW.

Na určenie množstva energie spotrebovanej ktorýmkoľvek elektrickým zariadením je potrebné vziať do úvahy dĺžku času, počas ktorého bola táto energia spotrebovaná.

Ak 10-wattová žiarovka svieti dve hodiny, potom je spotreba elektrickej energie 100 wattov x 2 hodiny = 200 watthodín alebo 0,2 kilowatthodín. Ak 100-wattová žiarovka svieti 10 hodín, potom množstvo spotrebovanej energie je 100 wattov x 10 hodín = 1000 watthodín alebo 1 kilowatthodina. Kilowatthodiny sa označujú skratkou kWh.

Zaujímavostí je v tejto knihe oveľa viac, ale aj tieto príklady ukazujú, ako zodpovedne a úprimne vtedajší autori pristupovali k svojej práci, najmä v prípade výučby detí.