O električnoj struji, naponu i snazi ​​iz sovjetske knjige za djecu: jednostavno i jasno

U Sovjetskom Savezu, koji je postigao vrlo ozbiljne uspjehe u razvoju znanosti i tehnologije, radioamaterski pokret postao je raširen. Više tisuća mladih građana studiralo je radiotehniku ​​pod vodstvom instruktora u radio krugovima i radio klubovima koji imaju posebnu tehničku literaturu, alate i instrumente. Mnogi od njih u budućnosti su postali kvalificirani inženjeri, dizajneri, znanstvenici.

Za takve radijske sklopove objavljivana je znanstveno-popularna literatura u kojoj su jednostavnim jezikom s velikim brojem ilustracija objašnjena razna pitanja iz fizike, mehanike, elektrotehnike i elektronike.

Jedan od primjera takvih knjiga je knjiga Česlova Klimčevskog "Abeceda radioamatera", koju je objavila izdavačka kuća "Svyazizdat" 1962. Prvi dio knjige zove se "Elektrotehnika", drugi dio je "Radio Inženjering", treći je "Praktični savjet". , četvrti odjeljak — "Instaliramo sami".

Samu knjigu možete preuzeti ovdje: Radioamaterska abeceda (divlja)

Ova vrsta knjiga šezdesetih godina nije pripadala uskostručnoj literaturi.Izdane su u nakladi od nekoliko desetaka tisuća primjeraka i bile su namijenjene masovnom čitatelju.

Raz radio je tako potpuno primijenjen u svakodnevnom životu ljudi, pa se u to vrijeme vjerovalo da ne možete biti ograničeni samo sposobnošću okretanja gumba Nika. A svaki obrazovan čovjek trebao bi proučavati radio kako bi razumio kako se odvija radijski prijenos i radijski prijem, kako bi se upoznao s osnovnim električnim i magnetskim pojavama koje su ključne za teoriju radiotehnike. Također je potrebno, općenito govoreći, upoznati se sa sustavima i dizajnom prijemnih uređaja.

Pogledajmo zajedno i prosudimo kako su u to vrijeme znali složene stvari objasniti jednostavnim slikama.

Radio amater početnik našeg vremena:

O električnoj struji

Sve tvari u svijetu i, shodno tome, svi predmeti oko nas, planine, mora, zrak, biljke, životinje, ljudi, sastoje se od neizmjerno malih čestica, molekula, a potonji pak od atoma. Komad željeza, kap vode, neznatna količina kisika, nakupina su milijardi atoma, jedne vrste u željezu, druge u vodi ili kisiku.

Ako gledate šumu iz daljine, ona izgleda kao tamna traka koja je iz jednog komada (usporedite je, na primjer, s komadom željeza). Kako se približavaju rubu šume, vide se pojedinačna stabla (u komadu željeza — atomi željeza). Šuma se sastoji od drveća; slično, tvar (kao što je željezo) sastoji se od atoma.

U crnogoričnoj šumi drveće je drugačije nego u listopadnoj; isto tako, molekule svakog kemijskog elementa sastavljene su od atoma koji se razlikuju od molekula drugih kemijskih elemenata. Dakle, atomi željeza razlikuju se od, recimo, atoma kisika.

Približavajući se još bliže drveću, vidimo da se svako od njih sastoji od debla i lišća. Na isti se način atomi tvari sastoje od tzv Jezgra (deblo) i elektroni (listovi).

Deblo je teško i jezgra je teška; predstavlja pozitivan električni naboj (+) atoma. Lišće je svjetlo i elektroni su svjetlo; stvaraju negativan električni naboj (-) na atomu.

Različita stabla imaju debla s različitim brojem grana, a broj listova nije isti.Isto tako, atom se, ovisno o kemijskom elementu koji predstavlja, sastoji (u najjednostavnijem obliku) od jezgre (debla) s nekoliko pozitivnih naboja — takozvani protoni (grane) i brojni negativni naboji — elektroni (listovi).

U šumi, na tlu između drveća, gomila se mnogo opalog lišća. Vjetar podiže ovo lišće s tla i ono kruži među drvećem. Dakle, u tvari (na primjer, metalu) među pojedinačnim atomima postoji određena količina slobodnih elektrona koji ne pripadaju nijednom od atoma; ti se elektroni nasumično kreću među atomima.

Ako spojite žice koje dolaze iz električne baterije na krajeve komada metala (na primjer, čelične kuke): spojite jedan kraj na plus baterije - dovedite takozvani pozitivni električni potencijal (+) na njega, a drugi kraj na minus baterije — dovedite negativni električni potencijal (-), tada će se slobodni elektroni (negativni naboji) početi kretati između atoma unutar metala, jureći na pozitivnu stranu baterije.

To se objašnjava sljedećim svojstvom električnih naboja: suprotni naboji, odnosno pozitivni i negativni naboji se međusobno privlače; poput naboja, to jest pozitivnih ili negativnih, naprotiv, odbijaju se.

Slobodni elektroni (negativni naboji) u metalu privučeni su pozitivno nabijenom (+) terminalu baterije (izvor struje) i stoga se u metalu više ne kreću nasumično, već na plus strani izvora struje.

Kao što već znamo, elektron je električni naboj. Veliki broj elektrona koji se kreću u jednom smjeru unutar metala čine tok elektrona, tj. električni naboji. Ovi električni naboji (elektroni) koji se kreću u metalu tvore električnu struju.

Kao što je već spomenuto, elektroni se kreću duž žica od minusa do plusa. Međutim, složili smo se da smatramo da struja teče u suprotnom smjeru: od plusa do minusa, to jest, kao da se duž žica ne kreću negativni, već pozitivni naboji (takvi pozitivni naboji bili bi privučeni minusom izvora struje) .

Što više lišća u šumi tjera vjetar, to gušće ispunjava zrak; isto tako, što više naboja teče u metalu, veća je količina električne struje.

Ne može svaka tvar prenositi električnu struju s istom lakoćom. Slobodni elektroni se lako kreću, na primjer u metalima.

Materijali u kojima se električni naboji lako gibaju nazivaju se vodičima električne struje. Neki materijali, koji se nazivaju izolatori, nemaju slobodnih elektrona i stoga kroz izolatore ne teče električna struja. Izolatori uključuju, između ostalih materijala, staklo, porculan, liskun, plastiku.

Slobodni elektroni prisutni u tvari koja provodi električnu struju također se mogu usporediti s kapljicama vode.

Pojedinačne kapljice u mirovanju ne stvaraju protok vode. Velik broj njih u kretanju tvori potok ili rijeku koja teče u jednom smjeru. Kapljice vode u tom potoku ili rijeci kreću se u toku čija je snaga to veća što je veća razlika u razinama kanala na njenom putu i, prema tome, veća je razlika u "potencijalima" (visinama) pojedinca. pojedine segmente ovog puta.

Veličina električne struje

Da biste razumjeli fenomene koje uzrokuje električna struja, usporedite je s protokom vode. U potocima teku male količine vode, dok u rijekama teku velike količine vode.

Pretpostavimo da je vrijednost protoka vode u potoku jednaka 1; Uzmimo, na primjer, vrijednost protoka u rijeci 10. Konačno, za snažnu rijeku vrijednost protoka vode je, recimo, 100, što je stotinu puta veća od vrijednosti protoka u potoku.

Slab mlaz vode može pokrenuti kotač samo jednog mlina. Uzet ćemo vrijednost ovog toka jednaku 1.

Dvostruki protok vode može pokrenuti dva ovakva mlina. U ovom slučaju vrijednost protoka vode jednaka je 2.

Pet puta veći tok vode može pokrenuti pet identičnih mlinova; vrijednost protoka vode sada je 5. Može se promatrati protok protoka vode u rijeci; električna struja teče našim očima nevidljivim žicama.

Na sljedećoj slici prikazan je elektromotor (elektromotor) pogonjen električnom strujom. Uzmimo u ovom slučaju vrijednost električne struje jednaku 1.

Kada električna struja pokreće dva takva elektromotora, tada će količina struje koja teče kroz glavnu žicu biti dvostruko veća, odnosno jednaka 2.Napokon, kad električna struja napaja pet istih elektromotora, tada je struja na glavnoj žici pet puta veća nego u prvom slučaju; stoga je njegova magnituda 5.

Praktična jedinica za mjerenje količine protoka vode ili druge tekućine (tj. količine koja teče po jedinici vremena, na primjer, u sekundi, kroz poprečni presjek riječnog korita, cijevi itd.) je litra u sekundi.

Za mjerenje veličine električne struje, odnosno količine naboja koji protječu kroz poprečni presjek žice u jedinici vremena, kao praktična jedinica uzima se amper.Dakle, veličina električne struje se određuje u amperima. Skraćeni amper označen je slovom a.

Izvor električne struje može biti npr. galvanska baterija ili električni akumulator.

Veličina baterije ili akumulatora određuje količinu električne struje koju mogu dati i trajanje njihova djelovanja.

Za mjerenje jakosti električne struje u elektrotehnici koriste se posebni uređaji, ampermetri (A). Različiti električni uređaji nose različite količine električne struje.

napon

Druga električna veličina usko povezana s jakošću struje je napon. Da bismo lakše razumjeli što je napon električne struje, usporedimo ga s razlikom u razinama kanala (pad vode u rijeku), kao što smo električnu struju usporedili s protokom vode. Uz malu razliku u razinama kanala, uzet ćemo razliku jednaku 1.

Ako je razlika u razinama kanala značajnija, tada je i pad vode veći. Pretpostavimo, na primjer, da je jednak 10, odnosno deset puta više nego u prvom slučaju.Konačno, uz još veću razliku u razinama pada vode, ona iznosi, recimo, 100.

Ako vodeni tok pada s male visine, onda može pokrenuti samo jedan mlin. U ovom slučaju uzet ćemo kap vode jednaku 1.

Isti potok koji pada s dvostruko veće visine može pokrenuti kotače dva slična mlina. U ovom slučaju, pad vode je jednak 2.

Ako je razlika u razinama kanala pet puta veća, tada isti protok pokreće pet takvih mlinova. Kap vode je 5.

Slični se fenomeni uočavaju kada se razmatra električni napon. Dovoljno je pojam «vodena kap» zamijeniti pojmom «električni napon» da bismo razumjeli što to znači u sljedećim primjerima.

Neka gori samo jedna svjetiljka. Pretpostavimo da je na njega doveden napon jednak 2.

Da bi pet ovakvih žarulja povezanih na isti način gorjelo, napon mora biti jednak 10.

Kada svijetle dvije identične žarulje međusobno spojene u seriju (kao što se obično spajaju žarulje u girlandama božićnog drvca), napon je 4.

U svim razmatranim slučajevima kroz svaku žarulju prolazi električna struja iste jakosti i na svaku od njih se dovodi isti napon koji je dio ukupnog napona (napona baterije), koji je različit u svakom pojedinom primjeru.

Neka rijeka teče u jezero. Uvjetno ćemo razinu vode u jezeru uzeti kao nulu.Tada je razina riječnog kanala kod drugog stabla u odnosu na razinu vode u jezeru jednaka 1 m, a razina riječnog kanala kod trećeg stabla iznosi 1 m. stablo će biti 2 m. Nivo kanala kod trećeg stabla je 1 m viši od njegove kote kod drugog stabla, tj. između ovih stabala je jednaka 1 m.

Razlika u razinama kanala mjeri se u jedinicama duljine, na primjer, kao što smo mi učinili, u metrima. U elektrotehnici, razina riječnog korita u bilo kojoj točki u odnosu na određenu nultu razinu (u našem primjeru razina vode u jezeru) odgovara električnom potencijalu.

Razlika u električnom potencijalu naziva se napon. Električni potencijal i napon mjere se istom jedinicom - voltom, skraćeno slovom c. Dakle, jedinica za mjerenje električnog napona je volt.

Za mjerenje električnog napona koriste se posebni mjerni uređaji koji se nazivaju voltmetri (V).

Takav izvor električne struje kao što je baterija nadaleko je poznat. Jedna ćelija takozvane olovne baterije (u kojoj su olovne ploče uronjene u vodenu otopinu sumporne kiseline) kad je napunjena ima napon od oko 2 volta.

Anodna baterija, koja se koristi za napajanje baterijskih radija električnom strujom, obično se sastoji od nekoliko desetaka suhih galvanskih članaka, svaki s naponom od oko 1,5 V.

Ovi elementi su povezani sekvencijalno (to jest, plus prvog elementa povezan je s minusom drugog, plus drugog - s minusom trećeg itd.). U tom slučaju, ukupni napon baterije jednak je zbroju napona ćelija od kojih se sastoji.

Prema tome, baterija od 150 V sadrži 100 takvih ćelija međusobno spojenih u seriju.

U utičnicu rasvjetne mreže s naponom od 220 V možete uključiti jednu žarulju sa žarnom niti za napon od 220 V ili 22 identična božićna drvca spojena u seriju, od kojih je svaka za napon od 10 V.U tom slučaju će svaka žarulja imati samo 1/22 mrežnog napona, odnosno 10 volti.

Napon koji djeluje na određeni električni uređaj, u našem slučaju žarulju, naziva se pad napona. Ako žarulja od 220 V troši istu struju kao žarulja od 10 V, tada će ukupna struja koju vijenac izvlači iz mreže biti iste veličine kao i struja koja teče kroz žarulju od 220 V.

Iz rečenog je jasno da se npr. dvije jednake žarulje od 110 volti mogu spojiti na mrežu od 220 V, međusobno spojene u seriju.

Moguće je zagrijati radio cijevi dizajnirane za napon od 6,3 V, na primjer, iz baterije koja se sastoji od tri ćelije spojene u seriju; žarulje koje su dizajnirane za napon žarne niti od 2 V mogu se napajati iz jedne ćelije.

Napon žarne niti radioelektričnih cijevi označen je zaokruženo na početku simbola žarulje: 1,2 V - s brojem 1; 4,4 in — broj 4; 6,3 in — broj 6; 5 c — broj 5.

Za uzrok koji uzrokuje električnu struju

Ako dva područja zemljine površine, čak i međusobno udaljena, leže na različitim razinama, tada može doći do protoka vode. Voda će teći od najviše točke do najniže.

Isto tako i električna struja. Može teći samo ako postoji razlika u električnim razinama (potencijalima). Na vremenskoj karti najviša barometarska razina (visoki tlak) označena je znakom "+", a najniža razina znakom "-".

Razine će biti poravnate u smjeru strelice. Vjetar će puhati u smjeru područja s najnižom barometrijom. Kada se tlak izjednači, kretanje zraka će prestati. Dakle, tijek električne struje će prestati ako se električni potencijali izjednače.

Za vrijeme grmljavinske oluje dolazi do izjednačavanja električnih potencijala između oblaka i tla ili između oblaka. Pojavljuje se u obliku munje.

Također postoji potencijalna razlika između stezaljki (polova) svakog galvanskog članka ili baterije. Stoga, ako na njega pričvrstite, na primjer, žarulju, tada će struja teći kroz nju. Tijekom vremena razlika potencijala se smanjuje (dolazi do izjednačavanja potencijala) i količina struje koja teče također se smanjuje.

Ako uključite žarulju u električnu mrežu, tada će i kroz nju teći električna struja, jer postoji razlika potencijala između grla utičnice. Međutim, za razliku od galvanskog članka ili baterije, ova potencijalna razlika se održava konstantno - sve dok elektrana radi.

Električna energija

Između električnog napona i struje postoji tijesan odnos. Količina električne energije ovisi o količini napona i struje. Objasnimo to na sljedećim primjerima.

Trešnja pada s niske visine: Mala visina - lagana napetost. Mala udarna sila — mala električna snaga.

Kokosov orah pada s male visine (u odnosu na mjesto na koje se dječak popeo): Veliki predmet - velika struja. Mala nadmorska visina — mali stres. Relativno velika udarna sila — relativno velika snaga.

Mala saksija pada s velike visine: Mali predmet je mala struja. Velika visina pada veliki je stres. Velika udarna sila — velika snaga.

Lavina koja pada s velike visine: Velike mase snijega — velika struja. Velika visina pada veliki je stres. Velika razorna snaga lavine velika je električna snaga.

Pri velikoj struji i visokom naponu dobiva se velika električna snaga.Ali ista se snaga može dobiti s većom strujom i odgovarajućim nižim naponom ili, obrnuto, s manjom strujom i višim naponom.

Električna snaga istosmjerne struje jednaka je umnošku vrijednosti napona i struje. Električna snaga se izražava u vatima i označava se slovima W.

Već je rečeno da protok vode određene veličine može pokrenuti jedan mlin, dvostruki protok - dva mlina, četiri puta veći protok - četiri mlina itd., unatoč činjenici da će pad vode (napon) biti isti .

Na slici je prikazan mali protok vode (koji odgovara električnoj struji) koji okreće kotače četiri mlina zbog činjenice da je pad vode (što odgovara električnom naponu) dovoljno velik.

Kotači ova četiri mlina mogu se okretati s dvostruko većim protokom vode na polovici visine pada. Tada bi mlinovi bili malo drugačije raspoređeni, ali bi rezultat bio isti.

Sljedeća slika prikazuje dvije žarulje spojene paralelno na rasvjetnu mrežu od 110 V. Kroz svaku od njih teče struja od 1 A. Struja koja teče kroz dvije žarulje je ukupno 2 ampera.

Umnožak vrijednosti napona i struje određuje snagu koju ove svjetiljke troše iz mreže.

110V x 2a = 220W.

Ako je napon rasvjetne mreže 220 V, iste žarulje moraju biti spojene serijski, a ne paralelno (kao u prethodnom primjeru), tako da zbroj pada napona na njima bude jednak naponu mreža. Struja koja u ovom slučaju teče kroz dvije žarulje je 1 A.

Proizvod vrijednosti napona i struje koja teče kroz krug dat će nam snagu koju troše ove svjetiljke 220 V x 1a = 220 W, odnosno isto kao u prvom slučaju.To je razumljivo, budući da je u drugom slučaju struja uzeta iz mreže dvostruko manja, ali dvostruko veća od napona u mreži.

Watt, kilovat, kilovat sat

Svaki električni uređaj ili stroj (zvono, žarulja, elektromotor itd.) troši određenu količinu električne energije iz rasvjetne mreže.

Za mjerenje električne snage koriste se posebni uređaji koji se nazivaju vatmetri.

Snaga npr. rasvjetne svjetiljke, elektromotora i sl. može se odrediti bez pomoći vatmetra ako su mrežni napon i količina struje koja teče kroz potrošač električne energije priključen na mrežu jednaki. znan.

Slično, ako su poznata potrošnja energije mreže i napon mreže, tada se može odrediti količina struje koja teče kroz potrošač.

Na primjer, rasvjetna mreža od 110 volti uključuje svjetiljku od 50 vata. Koja struja teče kroz njega?

Budući da je umnožak napona izraženog u voltima i struje izraženog u amperima jednak snazi ​​izraženoj u vatima (za istosmjernu struju), tada nakon obrnutog izračuna, to jest, podijelite broj vata s brojem volti ( mrežni napon), dobivamo količinu struje u amperima koja teče kroz žarulju,

a = w / b,

struja je 50 W / 110 V = 0,45 A (približno).

Dakle, kroz žarulju teče struja od oko 0,45 A, koja troši 50 W energije i spojena je na električnu mrežu od 110 V.

Ako se u rasvjetnu mrežu prostorije uključi luster s četiri žarulje od 50 W, stolna svjetiljka s jednom žaruljom od 100 W i glačalo od 300 W, tada je snaga svih potrošača energije 50 W x 4 + 100 W. + 300 W = 600 W.

Budući da je mrežni napon 220 V, električna struja jednaka 600 W / 220 V = 2,7 A (približno) teče kroz uobičajene žice rasvjete prikladne za ovu prostoriju.

Neka elektromotor iz mreže troši 5000 vata, odnosno, kako se kaže, 5 kilovata.

1000 vata = 1 kilovat, kao što je 1000 grama = 1 kilogram. Kilovati se skraćeno označavaju kao kW. Stoga za elektromotor možemo reći da troši snagu od 5 kW.

Da bismo odredili koliko energije troši bilo koji električni uređaj, potrebno je uzeti u obzir duljinu vremena tijekom kojeg je ta energija potrošena.

Ako žarulja od 10 vata svijetli dva sata, tada je potrošnja električne energije 100 vata x 2 sata = 200 vat-sati ili 0,2 kilovat-sata. Ako žarulja od 100 vata svijetli 10 sati, tada je količina potrošene energije 100 vata x 10 sati = 1000 vat-sati ili 1 kilovat-sat. Kilovatsati se skraćeno označavaju kao kWh.

Ima još mnogo toga zanimljivog u ovoj knjizi, ali već i ovi primjeri pokazuju koliko su tadašnji autori odgovorno i iskreno pristupali svome poslu, posebice u poučavanju djece.