Cхема электрическая. Принципиальная.

Мы уже затрагивали в наших разговорах как минимум три электрических элемента: батарейку, лампочку и соединительный проводник (провод). Возьмем простейшую конструкцию: лампочка подключена к батарейке двумя проводками. Нарисуем это:

Неправда ли, нужно обладать некоторыми данными художника, чтобы изобразить подобную картину. А ведь это – самое простое, что вообще можно представить! Если бы мы, допустим, захотели включать лампочку при помощи выключателя – пришлось бы рисовать еще и выключатель… А если лампочек и батареек несколько? Ужас!!! Вот поэтому, умные люди придумали каждому элементу свое условное обозначение. Вот как обозначаются элементы нашей конструкции:

 - батарейка. Длинная полоска – «+», короткая – «-».
 - лампочка
 - проводник. 

Обозначения всех элементов схемы можно поворачивать в любую сторону под углом 90град. Проводники можно изгибать в любую сторону, также под углом 90градусов. Если два проводника соединены электрически, то на схеме в месте их соединения ставится жирная точка.

 - проводники пересекаются без соединения
 - пересекающиеся проводники соединены

Нарисуем теперь схему нашего устройства по всем правилам:

До неприличия просто :-).
Если мы захотим теперь добавить орган управления – выключатель, это сделать легко и просто. Вот как он обозначается:

Рисуем схему:

Заметим, что лампочки бывают разные: маленькие и большие, на 5 и на 220 В, на 40 и на 150 Вт. А на схеме они все обозначаются одинаково, и имеют одинаковый размер. Распространенная ошибка – рисовать увеличенными в размере элементы с большей мощностью, большим напряжением и т.п. То же и с батарейками, и с проводами, и с любыми другими электрическими элементами. Дальше мы будем узнавать все больше новых элементов: резисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы, и т.д. И не раз убедимся в том, что между внешним видом элемента и его обозначением на схеме порой вообще нет ничего общего…

Как работают батарейки и аккумуляторы

Для каждого нового опыта с бутылками нам приходилось переливать воду из правой в левую. Для чего? А для того, чтобы создать разность уровней, чтобы возник ток воды в шланге. Постепенно вода перетекала из левой бутылки в правую, уровни сравнивались и ток прекращался. Мы снова переливали воду, и процесс начинался заново. Значит, идея такова: чтобы ток воды не прекращался, надо постоянно поддерживать разность уровней воды.

Попробуем! Для этого надо взять какой-нибудь черпачок, например – кофейную чашечку. Этим черпачком мы будем вычерпывать воду из правой бутылки, и выливать её в левую. Причем надо вычерпывать с такой скоростью, чтобы количество переливаемой воды было не меньше количества поступающей по шлангу за то же время. Иначе, если отчерпывать меньше, чем за то же время переливается по шлангу – через некоторое время уровни все равно сравняются и ток прекратится.

Переходим к электричеству.
Итак, у нас есть две заряженные гайки от трактора Беларусь. Или лучше, давайте возьмем просто две металлические пластины. Потенциал одной – 10 В, другой – 15 В. Между ними напряжение – 5В. Подключаем к ним лампочку. Лампочка светится, ток идет. Идет, идет, идет… И вот уже не идет, и лампочка не горит! Почему? А потому что ток уровнял потенциалы двух пластин, и напряжение между ними стало 0В. Чтобы лампочка загорелась снова, надо что? Надо перенести заряд с одной пластины на другую и тем самым снова создать разность потенциалов. Для этого надо привлечь к работе какие-то сторонние силы, которые бы занялись перекачкой зарядов. В опыте с бутылками этой сторонней силой являлся тот, кто вычерпывал воду. В электротехнике такой силой может служить, например, химическая реакция.

Любая батарейка или аккумулятор – это ни что иное, как две металлические пластины, помещенные в специальное химическое вещество – электролит. Одна пластина подключена к выводу «+», другая – к выводу «-». Допустим, батарейка рассчитана на 9 Вольт. Пока ее не трогают, напряжение между пластинами остается равным 9В. Но стоит подключить к батарейке нагрузку, например, лампочку, как от пластины «+» к пластине «-» потечет ток. Напряжение начнет уменьшаться. И тут же «включится» химическая реакция в электролите, которая начнет перекидывать электроны с «-» (отрицательной) пластины обратно на положительную, поддерживая тем самым разность потенциалов между ними. Чем больше сила тока в нагрузке (чем больше мощность лампочки), тем интенсивнее будет протекать реакция.

Все реакции можно делить на две большие группы: те, в результате которых выделяется энергия, и те, для проведения которых необходима энергия извне. Реакция внутри батарейки относится к первому типу. К этому же типу относится реакция горения. При горении, в результате соединения молекулы топлива с кислородом, выделяется энергия в виде тепла и света, и образуется новое вещество – окисленное топливо. Например, если топливом является уголь (состоящий, в-основном, из углерода) – при соединении с воздухом получается оксид углерода (углекислый газ). Углекислый газ не горит, и его мы больше использовать не можем. То есть – он является отходом, бесполезным продуктом реакции. По мере горения, количество исходных веществ (топлива и кислорода) уменьшается, а количество бесполезного продукта (углекислого газа) увеличивается. В конечном итоге, наступает момент, когда продукты реакции сгорают полностью, и реакция прекращается.

В электролите тоже протекает реакция, в ходе которой выделяется энергия в виде электрического тока. При этом, расходуются исходные вещества, и выделяется бесполезный продукт. Чем меньше остается расходных веществ – тем тяжелее батарейке поддерживать нужное напряжение между пластинами. Батарейка «садится».

Мы уже делили все реакции на два вида. Поделим еще раз, но по-другому.
Реакции бывают обратимыми и необратимыми.

Если продукт реакции можно снова преобразовать в исходные вещества – то такая реакция обратима. То есть, она идет «в обе стороны».

Если в результате реакции получается продукт, который нельзя преобразовать обратно, то реакция необратима.

«Фарш невозможно провернуть назад
И мясо из котлет не восстановишь…»

Чем отличается батарейка от аккумулятора? Тем что батарейку нельзя заряжать, а аккумулятор – можно. То есть, в батарейке протекает необратимая реакция, а в аккумуляторе – обратимая. Когда мы подключаем аккумулятор к зарядному устройству, ток внутри него начинает течь в обратном направлении, то есть – от «+» к «-». И реакция в электролите также начинает идти в обратном направлении. В результате, продукт реакции разлагается на исходные вещества. Аккумулятор «заряжается»

Пожалуй, это все о батарейках и аккумуляторах.

От воды – к электричеству. Закон Ома

 Итак, в прошлой главе мы пользовались тремя понятиями:

- сила тока,
- разность уровней,
- сопротивление.

Теперь привожу три термина, используемых в электронике:
- сила тока,
- разность потенциалов, или напряжение,
- электрическое сопротивление.

Ну а теперь – игра: «найди 10 различий!» :).

Различие 1-е – все что было «водяным» – стало «электрическим». Электрический ток, электрическое сопротивление.

Различие 2-е – появилась непонятная «разность потенциалов». Что это такое??? Объясняю.

Потенциал – это заряд какой-то частицы, измеренный относительно глобального нуля. Измеряется в вольтах. Глобальным нулем всегда принято считать заряд матушки Земли. Значит так: возьмем две железяки, например, гайки от трактора Беларусь, и зарядим их так, чтобы потенциал одной был 10 Вольт, другой – 15 Вольт. Очевидно, что разность потенциалов двух гаек составляет 5 Вольт. Разность потенциалов – это и есть электрическое напряжение между ними. Если соединить гайки проволокой, то по ней потечет ток. Он будет течь до тех пор, пока потенциалы гаек не уравняются, то есть, их разность не станет равна нулю. Не правда ли, похоже на уровни воды в бутылках! Заряженные гайки = бутылки с водой, проволока = шланг.

Раз уж так все похоже, и так все просто – тогда что нам мешает вывести такой же закон для электричества.
Итак:

Чем больше напряжение и меньше сопротивление, тем больше электрический ток.

В физике вообще, и в частности – в электротехнике, каждая величина обозначается буквой и измеряется в определенных единицах. Например, масса обозначается m, измеряется в граммах [г], скорость – v [м/с] и т.д. Так же дело обстоит и с силой тока, напряжением и сопротивлением.

	Обозначение	Единицы измерения	Единицы измерения (сокращенно)
Сила тока	I	Ампер	А
Напряжение	U	Вольт	В
Сопротивление	R	Ом	Ом

Теперь попробуем записать все тот же закон совсем по-научному, с помощью букв. Вот как он будет выглядеть:

I = U/R
Ампер = Вольт / Ом

Сила тока (I) прямо пропорциональна напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению (R) Формула, которую мы получили называется «Закон Ома». Это самый главный закон электротехники. Его надо помнить лучше, чем свой адрес и год рождения…

На последок, две формулы, которые получаются из закона Ома. По ним можно вычислить соответственно, напряжение и сопротивление.

U = I*R
R = U/I

Эти формулы не обязательно запоминать, если уметь их выводить. Если выводить не умеем, а запоминать – лениво, есть еще один способ – треугольник:

Пользоваться им очень легко. Нужно просто закрыть пальцем ту величину, которую мы ищем. Если две оставшиеся величины находятся на одном уровне – значит надо их перемножить. Если одна над другой – значит надо разделить верхнюю на нижнюю.

Пожалуй, все.

Электрический ток

Начнем с начала. У всех дома есть электрические розетки. Возьмем два гвоздя… Впрочем, нет, давайте сначала подойдем с теоретической стороны, к практике приступим несколько позже.

Радиоэлектроника, электротехника, электрика - всего этого не могло бы быть, если бы не было электрического тока. И уж коль скоро Вы решились познать науку Радиоэлектронику, надо бы разобраться в начале, а что, собственно, такое - электрический ток. В учебнике физики дано такое определение: электрический ток - это направленное движение заряженных частиц. Движущиеся заряженные частицы - это электроны, причем их заряд отрицателен. Есть еще протоны - частицы с положительным зарядом и нейтроны - с нейтральным зарядом, но ни те ни другие не движутся. Значит, говоря об электрическом токе, мы будем иметь ввиду некую оголтелую толпу именно электронов, несущихся из пункта А в пункт Б, с очень большой скоростью… Это в общем.

Даже под самым наисовременнейшим микроскопом, нам ни за что не разглядеть электрон. А уж пощупать его - тем более никак. Вы, уважаемый читатель, можете, конечно возразить, мол, если сунуть два гвоздя в розетку, а потом за них схватиться - вот тут то как раз и можно очень мило все пощупать. Да еще как пощупать!!! "А вот ни фига" - отвечу я. То мы почувствуем - это всего лишь результат прохождения тока через живые ткани организма. А один отдельно взятый электрон пощупать НЕЛЬЗЯ! К чему все это? Да к тому, что в физике полно таких вот виртуальных вещей: они как бы есть, но на что они похожи - никто толком не знает. Как же тогда можно их изучать?.. Вот поэтому физику и чтят в народе наукой темной и безнадежно свирепой. А меж тем, дело решается очень просто. Надо только найти что-то более знакомое, то, что каждый человек тысячу раз видел, щупал, нюхал, пробовал на зуб и т.д. Причем, это что-то по поведению должно быть похожим на то, что мы изучаем. В данный момент мы изучаем электрический ток. Давайте попробуем подобрать что-то такое, что на него похоже, и что каждый видел.

Вот часто говорят: "ток течет". Это наводит на хорошую аналогию. А не сравнить ли нам электрический ток с током воды? Итак. Ток течет по проводам - вода течет по трубам. Ток течет от "+" к "-" - вода течет сверху вниз… Как видим - общего много. Поехали!

Для начала, давайте соберем хитроумную экспериментально-научную установку для выяснения свойств электрического тока на водяной модели. Для этого нам потребуется:
- 2 одинаковые пластиковые бутылки любого объема с пробками,
- кусок тонкого шланга (примерно 30 см).
- два гвоздя.

Отрезаем у бутылок дно, в пробочке ковыряем (сверлим) дырочки, вставляем туда концы шланга. Подвешиваем конструкцию на стенку при помощи гвоздей на одном уровне:

Приступаем к проведению научных экспериментов.
После каждого эксперимента мы будем делать вывод на основании полученных результатов. Если эксперименты и выводы покажутся Вам идиотскими - не удивляйтесь. Оно так и есть - все до идиотизма просто! Значит все у нас получится :). 

Эксперимент 1.
Заполним левую бутылку водой (правая пока пуста), и смотрим, что происходит.
А происходит вот чего: вода начинает перетекать по шлангу из левой бутылки в правую. Сначала, когда в правой бутылке еще почти нет воды, а левая полна до краев - скорость перетекания воды большая. Но постепенно, по мере того, как заполняется правая и опустошается левая бутылка, скорость уменьшается. В тот момент, когда уровни воды в обеих бутылках сравняются, скорость станет равна нулю. Иначе говоря, ток воды в шланге исчезнет.
Вывод 1: Вода течет из бутылки, уровень воды в которой больше.
Вывод 2: Чем больше разность уровней - тем сильнее ток воды в шланге
Вывод 3: Если уровни равны, вода не течет вообще.

Эксперимент 2. Для него нам понадобится секундомер.
Перельем воду из правой бутылки в левую. То есть, снова сделаем так, чтобы в левой было много, а в правой - ничего. Запустим секундомер. Когда уровни в бутылках уровняются - остановим секундомер. Время запишем.
Повторим то же самое, но слегка зажмем шланг (но так, чтобы вода могла течь).
Сравним результаты измерений времени в первом и втором опыте. Время 2-го опыта, очевидно, будет больше.
Вывод: Чем тоньше шланг - тем меньше в нем сила водяного тока.

По результатам проделанных экспериментов, подведем итоги. А именно - выясним, от чего зависит сила тока в шланге.
Итак,

1. Чем больше разность уровней в бутылках - тем больше сила тока.
2. Чем сильнее сжат шланг, то есть, чем больше сопротивление шланга текущей по нему воде - тем меньше сила тока. 

Объединим это в один закон:
Чем больше разность уровней и чем меньше сопротивление - тем больше сила тока