Par elektrisko strāvu, spriegumu un jaudu no padomju bērnu grāmatas: vienkārši un skaidri
Padomju Savienībā, kas guva ļoti nopietnus panākumus zinātnes un tehnikas attīstībā, radioamatieru kustība kļuva plaši izplatīta. Daudzi tūkstoši jauno pilsoņu ir apguvuši radiotehniku radio aprindās un radio klubos, kuriem ir īpaša tehniskā literatūra, instrumenti un instrumenti, instruktoru vadībā. Daudzi no viņiem nākotnē kļuva par kvalificētiem inženieriem, dizaineriem, zinātniekiem.
Par šādām radio shēmām tika izdota populārzinātniska literatūra, kurā vienkāršā valodā ar lielu ilustrāciju skaitu tika izskaidroti dažādi fizikas, mehānikas, elektrotehnikas un elektronikas jautājumi.
Viens no šādu grāmatu piemēriem ir Česlova Klimčevska grāmata "Radioamatiera ābece", ko izdevniecība "Svjazizdat" izdeva 1962. gadā. Grāmatas pirmā sadaļa saucas "Elektrotehnika", otrā sadaļa ir "Radio". Inženierzinātnes", trešā ir "Praktiskie padomi". , ceturtā sadaļa - "Mēs uzstādām paši".
Pati grāmata lejupielādējama šeit: Radioamatieru alfabēts (savvaļas)
Šāda veida grāmatas 60. gados nepiederēja īpaši specializētai literatūrai.Tie tika izdoti desmitiem tūkstošu eksemplāru tirāžā un bija paredzēti masu lasītājam.
Raz radio tika tik pilnībā izmantots cilvēku ikdienas dzīvē, tāpēc tajā laikā tika uzskatīts, ka jūs nevarat ierobežot tikai ar spēju pagriezt pogas. Nika. Un katram izglītotam cilvēkam būtu jāmācās radio, lai saprastu, kā notiek radio pārraide un radio uztveršana, lai iepazītos ar pamata elektriskajām un magnētiskajām parādībām, kas ir radiotehnikas teorijas atslēga. Ir arī nepieciešams, vispārīgi runājot, iepazīties ar uztveršanas ierīču sistēmām un dizainu.
Paskatīsimies kopā un spriedīsim, kā viņi tolaik prata sarežģītas lietas izskaidrot ar vienkāršiem attēliem.
Mūsu laika iesācējs radioamatieris:
Par elektrisko strāvu
Visas pasaules vielas un attiecīgi visi objekti mums apkārt, kalni, jūras, gaiss, augi, dzīvnieki, cilvēki, sastāv no neizmērojami mazām daļiņām, molekulām, bet pēdējās savukārt no atomiem. Dzelzs gabals, ūdens piliens, nenozīmīgs skābekļa daudzums ir miljardu atomu uzkrāšanās, viena veida dzelzē, cita veida ūdenī vai skābeklī.
Ja paskatās uz mežu no attāluma, tas izskatās kā tumša sloksne, kas ir viens gabals (salīdziniet to, piemēram, ar dzelzs gabalu). Tuvojoties mežmalai, redzami atsevišķi koki (dzelzs gabalā — dzelzs atomi). Mežs sastāv no kokiem; līdzīgi viela (piemēram, dzelzs) sastāv no atomiem.
Skujkoku mežā koki ir savādāki nekā lapu koku mežā; tāpat katra ķīmiskā elementa molekulas sastāv no atomiem, kas atšķiras no citu ķīmisko elementu molekulām. Tātad, dzelzs atomi atšķiras no, piemēram, skābekļa atomiem.
Pieejot vēl tuvāk kokiem, redzam, ka katrs no tiem sastāv no stumbra un lapām. Tādā pašā veidā vielas atomi sastāv no t.s Kodols (stumbrs) un elektroni (loksnes).
Stumbrs ir smags, un kodols ir smags; tas apzīmē atoma pozitīvo elektrisko lādiņu (+). Lapas ir vieglas un elektroni ir gaiši; tie veido negatīvu elektrisko lādiņu (-) uz atoma.
Dažādiem kokiem ir stumbri ar atšķirīgu zaru skaitu un lapu skaits nav vienāds, tāpat atoms, atkarībā no ķīmiskā elementa, ko tas pārstāv, sastāv (vienkāršākajā formā) no kodola (stumbra) ar vairākiem pozitīviem lādiņiem — tā sauktie protoni (zari) un vairāki negatīvie lādiņi - elektroni (loksnes).
Mežā, uz zemes starp kokiem, sakrājas daudzas nokritušas lapas. Vējš paceļ šīs lapas no zemes, un tās cirkulē starp kokiem. Tātad vielā (piemēram, metālā) starp atsevišķiem atomiem ir noteikts brīvo elektronu daudzums, kas nepieder nevienam no atomiem; šie elektroni nejauši pārvietojas starp atomiem.
Ja vadus, kas nāk no elektriskā akumulatora, savienojat ar metāla gabala (piemēram, tērauda āķa) galiem: savienojiet vienu tā galu ar akumulatora plusu — ienesiet tā saukto pozitīvo elektrisko potenciālu (+) uz to, bet otrs gals līdz akumulatora mīnusam — ienes negatīvu elektrisko potenciālu (-), tad brīvie elektroni (negatīvie lādiņi) sāks kustēties starp atomiem metāla iekšienē, steidzoties uz akumulatora pozitīvo pusi.
Tas izskaidrojams ar šādu elektrisko lādiņu īpašību: pretēji lādiņi, tas ir, pozitīvie un negatīvie lādiņi pievelk viens otru; tāpat kā lādiņi, tas ir, pozitīvi vai negatīvi, gluži pretēji, atgrūž viens otru.
Brīvie elektroni (negatīvie lādiņi) metālā tiek piesaistīti akumulatora pozitīvi lādētajam (+) spailei (strāvas avotam) un tāpēc metālā pārvietojas nevis nejauši, bet gan uz strāvas avota plusu.
Kā mēs jau zinām, elektrons ir elektriskais lādiņš. Liels skaits elektronu, kas kustas vienā virzienā metāla iekšpusē, veido elektronu plūsmu, t.i. elektriskie lādiņi. Šie elektriskie lādiņi (elektroni), kas pārvietojas metālā, veido elektrisko strāvu.
Kā jau minēts, elektroni pārvietojas pa vadiem no mīnusa uz plusu. Tomēr mēs vienojāmies uzskatīt, ka strāva plūst pretējā virzienā: no plusa uz mīnusu, tas ir, it kā ne negatīvi, bet pozitīvi lādiņi pārvietojas pa vadiem (šādi pozitīvi lādiņi tiktu piesaistīti strāvas avota mīnusam) .
Jo vairāk lapu mežā dzen vējš, jo biezākas tās piepilda gaisu; tāpat, jo vairāk lādiņu plūst metālā, jo lielāks ir elektriskās strāvas daudzums.
Ne katra viela var pārvadāt elektrisko strāvu tikpat viegli. Brīvie elektroni viegli pārvietojas, piemēram, metālos.
Materiālus, kuros elektriskie lādiņi pārvietojas viegli, sauc par elektriskās strāvas vadītājiem. Dažiem materiāliem, ko sauc par izolatoriem, nav brīvu elektronu, un tāpēc caur izolatoriem neplūst elektriskā strāva. Starp citiem materiāliem izolatori ietver stiklu, porcelānu, vizlu, plastmasu.
Brīvos elektronus, kas atrodas vielā, kas vada elektrisko strāvu, var salīdzināt arī ar ūdens pilieniem.
Atsevišķi pilieni miera stāvoklī nerada ūdens plūsmu. Liels skaits no tiem kustībā veido straumi vai upi, kas plūst vienā virzienā. Ūdens pilieni šajā straumē vai upē pārvietojas plūsmā, kuras spēks ir lielāks, jo lielāka ir kanāla līmeņu atšķirība tā ceļā un līdz ar to, jo lielāka ir indivīda "potenciālu" (augstumu) atšķirība. atsevišķi šī ceļa segmenti.
Elektriskās strāvas lielums
Lai saprastu elektriskās strāvas izraisītās parādības, salīdziniet to ar ūdens plūsmu. Neliels ūdens daudzums plūst strautos, savukārt lielas ūdens masas plūst upēs.
Pieņemsim, ka ūdens plūsmas vērtība straumē ir vienāda ar 1; Ņemsim, piemēram, plūsmas vērtību upē kā 10. Visbeidzot, spēcīgai upei ūdens plūsmas vērtība ir, teiksim, 100, kas ir simts reizes lielāka par plūsmas vērtību straumē.
Vāja ūdens straume var iedzīt tikai vienas dzirnavas. Mēs pieņemsim šīs straumes vērtību, kas vienāda ar 1.
Divreiz ūdens plūsma var vadīt divas no šīm dzirnavām. Šajā gadījumā ūdens plūsmas vērtība ir vienāda ar 2.
Piecas reizes ūdens straume var vadīt piecas identiskas dzirnavas; ūdens plūsmas vērtība tagad ir 5. Var novērot ūdens plūsmas plūsmu upē; elektriskā strāva plūst pa mūsu acīm neredzamiem vadiem.
Nākamajā attēlā parādīts elektromotors (elektromotors), ko darbina elektriskā strāva. Ņemsim šajā gadījumā elektriskās strāvas vērtību, kas vienāda ar 1.
Kad elektriskā strāva darbina divus šādus elektromotorus, tad caur galveno vadu plūstošais strāvas daudzums būs divreiz lielāks, tas ir, vienāds ar 2.Visbeidzot, kad elektriskā strāva baro piecus tādus pašus elektromotorus, strāva uz galvenā vada ir piecas reizes lielāka nekā pirmajā gadījumā; tāpēc tā magnitūda ir 5.
Praktiska vienība ūdens vai cita šķidruma plūsmas daudzuma mērīšanai (tas ir, daudzums, kas laika vienībā, piemēram, sekundē, plūst caur upes gultnes, caurules u.c. šķērsgriezumu), ir. litrs sekundē.
Lai izmērītu elektriskās strāvas lielumu, tas ir, lādiņu daudzumu, kas plūst caur stieples šķērsgriezumu laika vienībā, par praktisko mērvienību tiek ņemts ampērs.Tādējādi elektriskās strāvas lielumu nosaka ampēros. Saīsinātais ampērs ir norādīts ar burtu a.
Elektriskās strāvas avots var būt, piemēram, galvaniskais akumulators vai elektriskais akumulators.
Baterijas vai akumulatora izmērs nosaka elektriskās strāvas daudzumu, ko tie var nodrošināt, un to darbības ilgumu.
Lai izmērītu elektriskās strāvas stiprumu elektrotehnikā, izmantojiet īpašas ierīces, ampērmetrus (A). Dažādas elektriskās ierīces pārvadā dažādu daudzumu elektriskās strāvas.
spriegums
Otrs elektriskais lielums, kas ir cieši saistīts ar strāvas lielumu, ir spriegums. Lai vieglāk saprastu, kas ir elektriskās strāvas spriegums, salīdzināsim to ar kanāla līmeņu starpību (ūdens kritums upē), tāpat kā mēs salīdzinājām elektrisko strāvu ar ūdens plūsmu. Ar nelielu atšķirību kanālu līmeņos mēs pieņemsim starpību, kas vienāda ar 1.
Ja kanālu līmeņu atšķirība ir lielāka, tad ūdens kritums ir attiecīgi lielāks. Pieņemsim, piemēram, ka tas ir vienāds ar 10, tas ir, desmit reizes vairāk nekā pirmajā gadījumā.Visbeidzot, ar vēl lielāku ūdens krišanas līmeņu atšķirību, tas ir, teiksim, 100.
Ja ūdens straume krīt no maza augstuma, tad tā var iedzīt tikai vienas dzirnavas. Šajā gadījumā mēs ņemsim ūdens pilienu, kas vienāds ar 1.
Viena un tā pati straume, kas krīt no divreiz lielāka augstuma, var pagriezt divu līdzīgu dzirnavu riteņus. Šajā gadījumā ūdens piliens ir vienāds ar 2.
Ja kanālu līmeņu atšķirība ir piecas reizes lielāka, tad viena un tā pati plūsma virza piecas šādas dzirnavas. Ūdens piliens ir 5.
Līdzīgas parādības tiek novērotas, apsverot elektrisko spriegumu. Pietiek aizstāt terminu "ūdens piliens" ar terminu "elektriskais spriegums", lai saprastu, ko tas nozīmē turpmākajos piemēros.
Lai deg tikai viena lampiņa. Pieņemsim, ka tam tiek pielikts spriegums, kas vienāds ar 2.
Lai piecas šādas vienādi savienotas spuldzes degtu, spriegumam jābūt vienādam ar 10.
Kad iedegas divas identiskas spuldzes, kas savienotas virknē viena ar otru (kā spuldzes parasti savieno Ziemassvētku eglīšu vītnēs), spriegums ir 4.
Visos aplūkotajos gadījumos caur katru spuldzi iet vienāda lieluma elektriskā strāva un katrai no tām tiek pielikts vienāds spriegums, kas ir daļa no kopējā sprieguma (akumulatora sprieguma), kas katrā atsevišķā piemērā ir atšķirīgs.
Ļaujiet upei ieplūst ezerā. Nosacīti ūdens līmeni ezerā ņemsim par nulli, tad upes kanāla līmenis pie otrā koka attiecībā pret ūdens līmeni ezerā ir vienāds ar 1 m, bet upes kanāla līmenis pie trešā koka. koks būs 2 m garš. Kanāla līmenis pie trešā koka ir par 1 m augstāks nekā tā līmenis pie otrā koka, t.i. starp šiem kokiem ir vienāds ar 1 m.
Kanālu līmeņu atšķirības mēra garuma vienībās, piemēram, kā mēs to darījām, metros. Elektrotehnikā upes gultnes līmenis jebkurā punktā attiecībā pret noteiktu nulles līmeni (mūsu piemērā ezera ūdens līmenis) atbilst elektriskajam potenciālam.
Elektriskā potenciāla starpību sauc par spriegumu. Elektrisko potenciālu un spriegumu mēra ar vienu un to pašu mērvienību - voltu, kas saīsināts ar burtu c. Tādējādi elektriskā sprieguma mērīšanas vienība ir volts.
Elektriskā sprieguma mērīšanai izmanto īpašas mērierīces, ko sauc par voltmetriem (V).
Šāds elektriskās strāvas avots kā akumulators ir plaši pazīstams. Vienai tā sauktā svina-skābes akumulatora šūnai (kurā svina plāksnes ir iegremdētas sērskābes ūdens šķīdumā) pēc uzlādes ir aptuveni 2 volti spriegums.
Anoda akumulators, ko izmanto bateriju radio barošanai ar elektrisko strāvu, parasti sastāv no vairākiem desmitiem sausu galvanisko elementu, katrs ar spriegumu aptuveni 1,5 V.
Šie elementi ir savienoti secīgi (tas ir, pirmā elementa pluss ir savienots ar otrā mīnusu, otrā pluss - ar trešā mīnusu utt.). Šajā gadījumā kopējais akumulatora spriegums ir vienāds ar to elementu spriegumu summu, no kuriem tas sastāv.
Tāpēc 150 V akumulatorā ir 100 šādu elementu, kas savienoti virknē viens ar otru.
Apgaismojuma tīkla ligzdā ar spriegumu 220 V var iespraust vienu kvēlspuldzi, kas paredzēta 220 V spriegumam vai 22 virknē savienotas identiskas eglīšu lampiņas, no kurām katra paredzēta 10 V spriegumam.Šajā gadījumā katrai spuldzei būs tikai 1/22 no līnijas sprieguma, tas ir, 10 volti.
Spriegumu, kas iedarbojas uz konkrētu elektrisko ierīci, mūsu gadījumā spuldzi, sauc par sprieguma kritumu. Ja 220 V spuldze patērē tādu pašu strāvu kā 10 V spuldze, tad kopējā strāva, ko vītne paņem no tīkla, būs tāda pati kā strāva, kas plūst caur 220 V spuldzi.
No teiktā ir skaidrs, ka, piemēram, divas identiskas 110 voltu spuldzes var pieslēgt 220 V tīklam, virknē savienotas viena ar otru.
Ir iespējams sildīt radiolampas, kas paredzētas 6,3 V spriegumam, piemēram, no akumulatora, kas sastāv no trim sērijveidā savienotām šūnām; lampas, kas paredzētas kvēldiega spriegumam 2 V, var darbināt ar vienu elementu.
Radioelektrisko lampu kvēldiega spriegums ir norādīts noapaļotā veidā lampas simbola sākumā: 1,2 V — ar ciparu 1; 4,4 collas — 4. numurs; 6,3 collas — 6. numurs; 5 c — cipars 5.
Par iemeslu, kas izraisa elektrisko strāvu
Ja divi zemes virsmas apgabali, pat tālu viens no otra, atrodas dažādos līmeņos, tad var rasties ūdens plūsma. Ūdens plūdīs no augstākā punkta uz zemāko.
Tāpat arī elektriskā strāva. Tas var plūst tikai tad, ja ir elektrisko līmeņu (potenciālu) atšķirība. Laikapstākļu kartē augstākais barometriskais līmenis (augsts spiediens) ir atzīmēts ar "+" zīmi un zemākais līmenis ar "-" zīmi.
Līmeņi tiks izlīdzināti bultiņas virzienā. Vējš pūtīs apgabalā ar zemāko barometrisko līmeni. Kad spiediens izlīdzinās, gaisa kustība apstāsies. Tādējādi elektriskās strāvas plūsma apstāsies, ja elektriskie potenciāli izlīdzināsies.
Pērkona negaisa laikā starp mākoņiem un zemi vai starp mākoņiem notiek elektrisko potenciālu izlīdzināšana. Parādās zibens formā.
Pastāv arī potenciāla atšķirība starp katra galvaniskā elementa vai akumulatora spailēm (poliem). Tāpēc, ja tam pievienosi, piemēram, spuldzi, tad caur to plūdīs strāva. Laika gaitā potenciālu starpība samazinās (notiek potenciāla izlīdzināšana) un samazinās arī plūstošās strāvas apjoms.
Ja spuldzīti iespraudīsiet elektrotīklā, tad pa to plūdīs arī elektriskā strāva, jo starp kontaktligzdas ligzdām ir potenciālu atšķirība. Tomēr atšķirībā no galvaniskā elementa vai akumulatora šī potenciāla atšķirība tiek uzturēta pastāvīgi - kamēr spēkstacija darbojas.
Elektroenerģija
Pastāv cieša saikne starp elektrisko spriegumu un strāvu. Elektriskās jaudas apjoms ir atkarīgs no sprieguma un strāvas daudzuma. Paskaidrosim to ar šādiem piemēriem.
Ķirsis krīt no zema augstuma: Zems augstums - neliels sasprindzinājums. Mazs trieciena spēks — zema elektriskā jauda.
Kokosrieksts nokrīt no maza augstuma (attiecībā uz vietu, kur zēns uzkāpa): Liels priekšmets - liela strāva. Zems augstums — zems stress. Salīdzinoši liels trieciena spēks — salīdzinoši liela jauda.
Mazs puķupods nokrīt no liela augstuma: Mazs priekšmets ir maza strāva. Lielais kritiena augstums ir liels stress. Liels trieciena spēks — liela jauda.
No liela augstuma krīt lavīna: lielas sniega masas — liela straume. Lielais kritiena augstums ir liels stress. Lavīnas lielais postošais spēks ir liela elektriskā jauda.
Pie lielas strāvas un augsta sprieguma tiek iegūta liela elektriskā jauda.Bet tādu pašu jaudu var iegūt ar lielāku strāvu un attiecīgi zemāku spriegumu vai, gluži pretēji, ar mazāku strāvu un lielāku spriegumu.
Līdzstrāvas elektriskā jauda ir vienāda ar sprieguma un strāvas vērtību reizinājumu. Elektrisko jaudu izsaka vatos un apzīmē ar burtiem W.
Jau tika teikts, ka noteikta lieluma ūdens plūsma var iedzīt vienas dzirnavas, divreiz lielāka plūsma - divas dzirnavas, četras reizes lielāka - četras dzirnavas utt., neskatoties uz to, ka ūdens kritums (spriegums) būs vienāds. .
Attēlā redzama neliela ūdens plūsma (atbilst elektriskajai strāvai), kas griež četru dzirnavu riteņus, jo ūdens piliens (atbilst elektriskajam spriegumam) ir pietiekami liels.
Šo četru dzirnavu riteņi var griezties ar divreiz lielāku ūdens plūsmu uz pusi no kritiena augstuma. Tad dzirnavas būtu sakārtotas nedaudz savādāk, bet rezultāts būtu tāds pats.
Nākamajā attēlā redzamas divas lampas, kas paralēli savienotas ar 110 V apgaismojuma tīklu. Caur katru no tiem plūst strāva 1 A. Strāva, kas plūst cauri abām lampām, kopā ir 2 ampēri.
Sprieguma un strāvas vērtību reizinājums nosaka jaudu, ko šīs lampas patērē no tīkla.
110V x 2a = 220W.
Ja apgaismojuma tīkla spriegums ir 220 V, vienas un tās pašas lampas jāpievieno virknē, nevis paralēli (kā tas bija iepriekšējā piemērā), lai sprieguma krituma summa uz tām būtu vienāda ar spuldzes spriegumu. tīklu. Šajā gadījumā strāva, kas plūst caur abām lampām, ir 1 A.
Sprieguma un caur ķēdi plūstošās strāvas vērtību reizinājums mums dos šo lampu patērēto jaudu 220 V x 1a = 220 W, tas ir, tādu pašu kā pirmajā gadījumā.Tas ir saprotams, jo otrajā gadījumā no tīkla paņemtā strāva ir divreiz mazāka, bet divas reizes lielāka par spriegumu tīklā.
Vats, kilovats, kilovatstunda
Jebkura elektriskā ierīce vai mašīna (zvans, spuldze, elektromotors u.c.) patērē noteiktu elektroenerģijas daudzumu no apgaismojuma tīkla.
Elektriskās jaudas mērīšanai izmanto īpašas ierīces, ko sauc par vatmetriem.
Jaudu, piemēram, apgaismojuma lampai, elektromotoram utt., var noteikt bez vatmetra palīdzības, ja tīkla spriegums un strāvas daudzums, kas plūst caur elektrotīklam pieslēgto elektroenerģijas patērētāju zināms.
Tāpat, ja ir zināms tīkla jaudas patēriņš un tīkla spriegums, tad var noteikt caur patērētāju plūstošās strāvas daudzumu.
Piemēram, 110 voltu apgaismojuma tīklā ir iekļauta 50 vatu lampa. Kāda strāva plūst caur to?
Tā kā voltos izteiktā sprieguma un ampēros izteiktās strāvas reizinājums ir vienāds ar jaudu, kas izteikta vatos (līdzstrāvai), tad pēc apgrieztā aprēķina veikšanas, tas ir, daliet vatu skaitu ar voltu skaitu ( tīkla spriegums), mēs iegūstam strāvas daudzumu ampēros, kas plūst caur lampu,
a = w / b,
strāva ir 50 W / 110 V = 0,45 A (aptuveni).
Tādējādi caur lampu plūst strāva aptuveni 0,45 A, kas patērē 50 W enerģijas un ir pievienota 110 V elektrotīklam.
Ja telpas apgaismojuma tīklā ir iekļauta lustra ar četrām 50 vatu spuldzēm, galda lampa ar vienu 100 vatu spuldzi un 300 vatu gludeklis, tad visu enerģijas patērētāju jauda ir 50 W x 4 + 100 W + 300 W = 600 W.
Tā kā tīkla spriegums ir 220 V, caur parastajiem šai telpai piemērotajiem apgaismojuma vadiem plūst elektriskā strāva, kas vienāda ar 600 W / 220 V = 2,7 A (aptuveni).
Ļaujiet elektromotoram no tīkla patērē 5000 vatus vai, kā saka, 5 kilovatus.
1000 vati = 1 kilovats, tāpat kā 1000 grami = 1 kilograms. Kilovati ir saīsināti kā kW. Tāpēc par elektromotoru varam teikt, ka tas patērē 5 kW jaudu.
Lai noteiktu, cik daudz enerģijas patērē jebkura elektriskā ierīce, ir jāņem vērā laika ilgums, kurā šī enerģija tika patērēta.
Ja 10 vatu spuldze deg divas stundas, elektroenerģijas patēriņš ir 100 vati x 2 stundas = 200 vatstundas vai 0,2 kilovatstundas. Ja 100 vatu spuldze deg 10 stundas, tad patērētās enerģijas daudzums ir 100 vati x 10 stundas = 1000 vatstundas vai 1 kilovatstunda. Kilovatstundas tiek saīsinātas kā kWh.
Šajā grāmatā ir vēl daudz interesantu lietu, taču arī šie piemēri parāda, cik atbildīgi un sirsnīgi tā laika autori piegāja savam darbam, īpaši bērnu mācīšanas gadījumā.