Elektrivoolust, pingest ja võimsusest nõukogude lasteraamatust: lihtne ja selge
Teaduse ja tehnika arengus väga tõsiseid edusamme saavutanud Nõukogude Liidus levis raadioamatööride liikumine laialt. Tuhanded noored kodanikud on õppinud raadiotehnikat instruktorite käe all raadioringkondades ja raadioklubides, kus on spetsiaalne tehniline kirjandus, tööriistad ja instrumendid. Paljud neist said tulevikus kvalifitseeritud insenerid, disainerid, teadlased.
Selliste raadioahelate kohta avaldati populaarteaduslikku kirjandust, milles selgitati lihtsas keeles koos suure hulga illustratsioonidega erinevaid füüsika, mehaanika, elektrotehnika ja elektroonika küsimusi.
Üks selliste raamatute näidetest on Tšeslov Klimtševski raamat "Raadioamatööri tähestik", mis ilmus kirjastuse "Svjazizdat" poolt aastal 1962. Raamatu esimene osa kannab nime "Elektritehnika", teine osa on "Raadio". Tehnika", kolmas on "Praktilised nõuanded". , neljas jaotis - "Paigaldame ise".
Raamatu enda saab alla laadida siit: Raadioamatöörtähestik (metsik)
Seda tüüpi raamatud 1960. aastatel ei kuulunud eriti erialakirjanduse hulka.Neid anti välja kümnetes tuhandetes eksemplarides ja need olid mõeldud massilugejale.
Razi raadiot rakendati inimeste igapäevaelus nii põhjalikult, nii et tol ajal arvati, et ainult nuppude keeramise võime ei saa piirata. Ja iga haritud inimene peaks õppima raadiot, et mõista, kuidas toimub raadioedastus ja raadiovastuvõtt, et tutvuda põhiliste elektriliste ja magnetiliste nähtustega, mis on raadiotehnika teooria võtmeks. Samuti on üldiselt vaja tutvuda vastuvõtuseadmete süsteemide ja disainiga.
Vaatame koos ja hindame, kuidas tollal osati keerulisi asju lihtsate piltidega seletada.
Meie aja algaja raadioamatöör:
Elektrivoolu kohta
Kõik maailmas leiduvad ained ja vastavalt kõik meid ümbritsevad objektid, mäed, mered, õhk, taimed, loomad, inimesed, koosnevad mõõtmatult väikestest osakestest, molekulidest ja viimased omakorda aatomitest. Rauatükk, tilk vett, tähtsusetu kogus hapnikku on miljardite aatomite kogum, ühte tüüpi rauas, teist tüüpi vees või hapnikus.
Kui vaadata metsa eemalt, siis tundub see tumeda ribana, mis on ühest tükist (võrrelge näiteks rauatükiga). Metsa servale lähenedes on näha üksikuid puid (rauatükis — raua aatomid). Mets koosneb puudest; samamoodi koosneb aine (näiteks raud) aatomitest.
Okasmetsas on puud teistsugused kui lehtmetsas; samuti koosnevad iga keemilise elemendi molekulid aatomitest, mis erinevad teiste keemiliste elementide molekulidest. Seega erinevad rauaaatomid näiteks hapnikuaatomitest.
Puudele veelgi lähemale lähenedes näeme, et igaüks neist koosneb tüvest ja lehtedest. Samamoodi koosnevad aine aatomid nn Tuum (pagasiruumi) ja elektronid (lehed).
Tüvi on raske ja südamik on raske; see tähistab aatomi positiivset elektrilaengut (+). Lehed on kerged ja elektronid on kerged; nad moodustavad aatomile negatiivse elektrilaengu (-).
Erinevatel puudel on erineva okste arvuga tüved ja lehtede arv ei ole sama, samuti koosneb aatom, olenevalt keemilisest elemendist, mida ta esindab (lihtsamal kujul) mitme positiivse laenguga tuumast (tüvest) niinimetatud prootonid (oksad) ja hulk negatiivseid laenguid — elektronid (lehed).
Metsas, maapinnal puude vahel koguneb palju mahalangenud lehti. Tuul tõstab need lehed maast üles ja need liiguvad puude vahel ringi. Seega on aines (näiteks metallis) üksikute aatomite hulgas teatud hulk vabu elektrone, mis ei kuulu ühegi aatomi juurde; need elektronid liiguvad juhuslikult aatomite vahel.
Kui ühendate elektriakust tulevad juhtmed metallitüki (näiteks teraskonksu) otstega: ühendage selle üks ots aku plussiga — tooge nn positiivne elektripotentsiaal (+) selle külge ja teine ots aku miinusesse — too negatiivne elektripotentsiaal (-), siis hakkavad vabad elektronid (negatiivsed laengud) liikuma metalli sees olevate aatomite vahel, tormades aku positiivsele poolele.
Seda seletatakse elektrilaengute järgmise omadusega: vastandlaengud ehk positiivsed ja negatiivsed laengud tõmbavad teineteist; nagu laengud, st positiivsed või negatiivsed, vastupidi, tõrjuvad üksteist.
Metallis olevad vabad elektronid (negatiivsed laengud) tõmbuvad aku positiivselt laetud (+) klemmi (vooluallika) poole ja liiguvad seetõttu metallis mitte enam juhuslikult, vaid vooluallika plusspoolele.
Nagu me juba teame, on elektron elektrilaeng. Suur hulk metalli sees ühes suunas liikuvaid elektrone moodustavad elektronide voolu, s.t. elektrilaengud. Need metallis liikuvad elektrilaengud (elektronid) moodustavad elektrivoolu.
Nagu juba mainitud, liiguvad elektronid mööda juhtmeid miinusest plussi. Leppisime aga kokku arvestama, et vool liigub vastupidises suunas: plussist miinusesse, see tähendab, et mööda juhtmeid liiguvad justkui mitte negatiivsed, vaid positiivsed laengud (sellised positiivsed laengud tõmbaksid vooluallika miinusesse) .
Mida rohkem lehti metsas tuul ajab, seda paksemalt täidavad need õhku; samuti, mida rohkem laenguid metallis voolab, seda suurem on elektrivoolu hulk.
Mitte iga aine ei suuda elektrivoolu sama kergesti kanda. Vabad elektronid liiguvad kergesti, näiteks metallides.
Materjale, milles elektrilaengud kergesti liiguvad, nimetatakse elektrivoolujuhtideks. Mõnel materjalil, mida nimetatakse isolaatoriteks, ei ole vabu elektrone ja seetõttu ei liigu isolaatorite kaudu elektrivool. Isolaatorite hulka kuuluvad muu hulgas klaas, portselan, vilgukivi, plast.
Elektrivoolu juhtivas aines leiduvaid vabu elektrone võib võrrelda ka veepiiskadega.
Üksikud tilgad puhkeolekus ei tekita veevoolu. Suur hulk neist moodustab liikumises ühes suunas voolava oja või jõe. Veepiisad selles ojas või jões liiguvad voolus, mille jõud on suurem, seda suurem on kanali tasandite erinevus selle teekonnal ja sellest tulenevalt seda suurem on indiviidi "potentsiaalide" (kõrguste) erinevus. selle tee üksikud lõigud.
Elektrivoolu suurus
Elektrivoolu põhjustatud nähtuste mõistmiseks võrrelge seda veevooluga. Ojades voolavad väikesed veekogused, jõgedes aga suured veemassid.
Oletame, et veevoolu väärtus ojas on võrdne 1-ga; Võtame jõe vooluhulga väärtuseks näiteks 10. Lõpuks on võimsa jõe veevoolu väärtus näiteks 100, mis on sada korda suurem vooluhulgast ojas.
Nõrk veejuga võib juhtida vaid ühe veski ratast. Võtame selle voo väärtuseks 1.
Kahekordne veevool võib juhtida kahte neist veskidest. Sel juhul on veevoolu väärtus võrdne 2-ga.
Viis korda suurem veejoa võib ajada viis identset veskit; veevoolu väärtus on nüüd 5. Jälgida saab veevoolu voolu jões; elektrivool liigub läbi meie silmadele nähtamatute juhtmete.
Järgmisel joonisel on kujutatud elektrimootorit (elektrimootorit), mida juhib elektrivool. Võtame sel juhul elektrivoolu väärtuseks 1.
Kui elektrivool juhib kahte sellist elektrimootorit, on põhijuhtme kaudu voolav vooluhulk kaks korda suurem, see tähendab 2.Lõpuks, kui elektrivool toidab viit sama elektrimootorit, on põhijuhtme vool viis korda suurem kui esimesel juhul; seega on selle suurusjärk 5.
Praktiline mõõtühik vee või muu vedeliku vooluhulga (ehk selle ajaühikus, näiteks sekundis läbi jõesängi, toru vms ristlõike voolava koguse) mõõtmiseks on liitrit sekundis.
Elektrivoolu suuruse ehk ajaühikus läbi juhtme ristlõike voolavate laengute hulga mõõtmiseks võetakse praktilise ühikuna amprit Seega määratakse elektrivoolu suurus amprites. Lühendatud amprit tähistatakse tähega a.
Elektrivoolu allikaks võib olla näiteks galvaaniline patarei või elektriaku.
Patarei või aku suurus määrab nende poolt pakutava elektrivoolu koguse ja nende toimimise kestuse.
Elektrivoolu suuruse mõõtmiseks elektrotehnikas kasutage spetsiaalseid seadmeid, ampermeetreid (A). Erinevad elektriseadmed kannavad erineval hulgal elektrivoolu.
Pinge
Teine elektriline suurus, mis on tihedalt seotud voolu suurusega, on pinge. Et paremini aru saada, mis on elektrivoolu pinge, võrdleme seda kanali tasandite erinevusega (vee langemine jõkke), nagu me võrdlesime elektrivoolu veevooluga. Kanalitasemete väikese erinevuse korral võtame erinevuseks 1.
Kui kanalite tasemete erinevus on suurem, on ka veelangus vastavalt suurem. Oletame näiteks, et see on võrdne 10-ga, st kümme korda rohkem kui esimesel juhul.Lõpuks, kui vee langemise tasemed on veelgi suuremad, on see näiteks 100.
Kui veejuga langeb väikeselt kõrguselt, suudab see ajada ainult ühe veski. Sel juhul võtame tilga vett, mis on võrdne 1-ga.
Kaks korda kõrgemalt kukkuv sama oja võib keerata kahe sarnase veski rattad. Sel juhul on veetilk võrdne 2-ga.
Kui kanalite tasemete erinevus on viis korda suurem, ajab sama vooluhulk viis sellist veskit. Veetilk on 5.
Sarnaseid nähtusi täheldatakse elektripinge arvestamisel. Piisab, kui asendada mõiste «veetilk» mõistega «elektripinge», et mõista, mida see järgmistes näidetes tähendab.
Las põleb ainult üks lamp. Oletame, et sellele rakendatakse pinge, mis võrdub 2-ga.
Selleks, et viis sellist samamoodi ühendatud pirni põleksid, peab pinge olema võrdne 10-ga.
Kui süttivad kaks identset jadamisi ühendatud pirni (nagu pirnid ühendatakse tavaliselt jõulukuuse vanikutes), on pinge 4.
Kõigil vaadeldavatel juhtudel läbib iga pirni sama tugevusega elektrivool ja igale neist rakendatakse sama pinge, mis on osa kogupingest (aku pingest), mis on iga üksiku näite puhul erinev.
Las jõgi voolab järve. Tinglikult võtame veetaseme järves nulliks, siis teise puu juures oleva sängi tase järve veetaseme suhtes võrdub 1 m ja sängi tase kolmanda lähedal puu saab olema 2 m. Kanali tase kolmanda puu juures on 1 m kõrgem selle tasemest teise puu juures, s.o. nende puude vahel on 1 m.
Kanalitasemete erinevust mõõdetakse näiteks pikkusühikutes, nagu meiegi, meetrites. Elektrotehnikas vastab jõesängi tase mis tahes punktis teatud nulltaseme suhtes (meie näites järve veetase) elektripotentsiaalile.
Elektripotentsiaali erinevust nimetatakse pingeks. Elektrilist potentsiaali ja pinget mõõdetakse sama ühikuga - voltiga, mida lühendatakse tähega c. Seega on elektripinge mõõtmise ühikuks volt.
Elektripinge mõõtmiseks kasutatakse spetsiaalseid mõõteseadmeid, mida nimetatakse voltmeetriteks (V).
Selline elektrivoolu allikas nagu aku on laialt tuntud. Nn plii-happeaku (milles pliiplaadid on kastetud väävelhappe vesilahusesse) ühe elemendi pinge on laetuna umbes 2 volti.
Anoodpatarei, mida kasutatakse akuraadio elektrivoolu toiteks, koosneb tavaliselt mitmekümnest kuivgalvaanilisest elemendist, millest igaühe pinge on umbes 1,5 V.
Need elemendid ühendatakse järjestikku (see tähendab, et esimese elemendi pluss on ühendatud teise miinusega, teise pluss - kolmanda miinusega jne). Sel juhul on aku kogupinge võrdne elementide pingete summaga, millest see koosneb.
Seetõttu sisaldab 150 V aku 100 sellist elementi, mis on üksteisega järjestikku ühendatud.
220 V pingega valgustusvõrgu pistikupessa saab ühendada ühe 220 V pingele mõeldud hõõglambi või 22 järjestikku ühendatud identset jõulupuuvalgustit, millest igaüks on mõeldud 10 V pingele.Sel juhul on igal pirnil ainult 1/22 võrgupingest, see tähendab 10 volti.
Pinge, mis mõjub konkreetsele elektriseadmele, meie puhul lambipirnile, nimetatakse pingelanguks. Kui 220 V pirn tarbib sama voolu kui 10 V pirn, on vaniku poolt võrgust võetav koguvool sama suur kui 220 V pirni läbiv vool.
Öeldu põhjal on selge, et näiteks kaks ühesugust 110-voldist pirni saab ühendada 220 V võrku, ühendades need omavahel järjestikku.
Kolmest järjestikku ühendatud elemendist koosnevast akust on võimalik soojendada näiteks 6,3 V pingele mõeldud raadiolampe; lambid, mis on mõeldud hõõgniidi pingele 2 V, saavad toidet ühest elemendist.
Raadio elektritorude hõõgniidi pinge on näidatud ümardatud kujul lambi sümboli alguses: 1,2 V — numbriga 1; 4,4 tolli — number 4; 6,3 tolli — number 6; 5 c — number 5.
Elektrivoolu põhjustaval põhjusel
Kui kaks maakera pindala, isegi üksteisest kaugel, asuvad eri tasanditel, võib tekkida veevool. Vesi hakkab voolama kõrgeimast punktist madalaima.
Nii ka elektrivool. See saab voolata ainult siis, kui elektritasemed (potentsiaalid) erinevad. Ilmakaardil on kõrgeim õhutase (kõrgrõhkkond) tähistatud märgiga "+" ja madalaim tase "-" märgiga.
Tasemed joondatakse noolega näidatud suunas. Tuul puhub madalaima baromeetrilise tasemega piirkonna suunas. Kui rõhk ühtlustub, peatub õhu liikumine. Seega peatub elektrivoolu vool, kui elektripotentsiaalid ühtlustuvad.
Äikese ajal toimub pilvede ja maapinna või pilvede vahel elektripotentsiaalide ühtlustumine. Ilmub välgu kujul.
Samuti on potentsiaalide erinevus iga galvaanilise elemendi või aku klemmide (pooluste) vahel. Seega, kui kinnitate selle külge näiteks lambipirni, siis voolab vool sellest läbi. Aja jooksul potentsiaalide vahe väheneb (toimub potentsiaali ühtlustumine) ja väheneb ka voolava voolu hulk.
Kui lülitate elektripirni vooluvõrku, siis läbib sellest ka elektrivool, kuna pistikupesa pesade vahel on potentsiaalide vahe. Erinevalt galvaanilisest elemendist või akust säilib see potentsiaalide erinevus aga pidevalt – seni, kuni elektrijaam töötab.
Elektrienergia
Elektripinge ja voolu vahel on tihe seos. Elektrienergia hulk sõltub pinge ja voolu suurusest. Selgitame seda järgmiste näidetega.
Kirss kukub madalalt alla: Madal kõrgus – kerge pinge. Väike löögijõud – väike elektrivõimsus.
Kookospähkel kukub väikeselt kõrguselt (poisi ronimise koha suhtes): suur objekt – suur vool. Madal kõrgus – madal stress. Suhteliselt suur löögijõud — suhteliselt suur võimsus.
Väike lillepott kukub suurelt kõrguselt: Väike objekt on väike vool. Suur kukkumise kõrgus on suur stress. Suur löögijõud – suur võimsus.
Suurelt kõrguselt langev laviin: suured lumemassid — suur hoovus. Suur kukkumise kõrgus on suur stress. Laviini suur hävitav jõud on suur elektrijõud.
Suure voolu ja kõrge pinge korral saadakse suur elektrivõimsus.Kuid sama võimsuse saab saada suurema voolu ja vastavalt madalama pingega või vastupidi, väiksema voolu ja kõrgema pingega.
Alalisvoolu elektrivõimsus võrdub pinge ja voolu väärtuste korrutisega. Elektrivõimsust väljendatakse vattides ja seda tähistatakse tähtedega W.
On juba öeldud, et teatud suurusjärgu veevool võib ajada ühe veski, kahekordne vooluhulk - kaks veskit, neli korda suurem vool - neli veskit jne, hoolimata sellest, et veetilk (pinge) on sama. .
Joonisel on kujutatud väike (elektrivoolule vastav) veevool, mis keerab nelja veski rattaid tänu sellele, et veepiisk (vastab elektripingele) on piisavalt suur.
Nende nelja veski rattad võivad poole kukkumise kõrgusel pöörata kaks korda suurema veevooluga. Siis oleks veskid veidi teistmoodi paigutatud, aga tulemus oleks sama.
Järgmisel joonisel on kaks lampi, mis on paralleelselt ühendatud 110 V valgustusvõrku. Igaüht neist läbib vool 1 A. Kaht lampi läbiv vool on kokku 2 amprit.
Pinge ja voolu väärtuste korrutis määrab võimsuse, mida need lambid võrgust tarbivad.
110V x 2a = 220W.
Kui valgustusvõrgu pinge on 220 V, tuleb samad lambid ühendada järjestikku, mitte paralleelselt (nagu oli eelmises näites), et nende pingelanguse summa oleks võrdne valgustusvõrgu pingega. võrku. Sel juhul läbi kahe lambi voolav vool on 1 A.
Ahelat läbiva pinge ja voolu väärtuste korrutis annab meile nende lampide tarbitava võimsuse 220 V x 1a = 220 W, see tähendab sama, mis esimesel juhul.See on arusaadav, kuna teisel juhul on võrgust võetud vool kaks korda väiksem, kuid võrgu pinge kaks korda väiksem.
Vatt, kilovatt, kilovatt-tund
Iga elektriseade või masin (kell, lambipirn, elektrimootor jne) tarbib valgustusvõrgust teatud koguse elektrienergiat.
Elektrivõimsuse mõõtmiseks kasutatakse spetsiaalseid seadmeid, mida nimetatakse vattmeetriteks.
Näiteks valgustuslambi, elektrimootori vms võimsust saab määrata ilma vattmeetri abita, kui võrgupinge ja vooluhulk, mis läbib vooluvõrku ühendatud elektrienergia tarbijat, on teatud.
Samamoodi, kui on teada võrgu võimsustarve ja võrgupinge, saab määrata tarbijat läbiva vooluhulga.
Näiteks 110-voldine valgustusvõrk sisaldab 50-vatist lampi. Mis vool seda läbib?
Kuna voltides väljendatud pinge ja amprites väljendatud voolu korrutis on võrdne vattides väljendatud võimsusega (alalisvoolu korral), siis pärast pöördarvutuse tegemist jagage vattide arv voltide arvuga ( võrgupinge), saame lampi läbiva vooluhulga amprites,
a = w / b,
vool on 50 W / 110 V = 0,45 A (umbes).
Seega läbib lampi umbes 0,45 A vool, mis tarbib 50 W energiat ja on ühendatud 110 V elektrivõrku.
Kui ruumi valgustusvõrku kuuluvad nelja 50-vatise pirniga lühter, ühe 100-vatise pirniga laualamp ja 300-vatine triikraud, siis on kõigi energiatarbijate võimsus 50 W x 4 + 100 W. + 300 W = 600 W.
Kuna võrgupinge on 220 V, siis läbi selle ruumi jaoks sobivate ühiste valgustusjuhtmete voolab elektrivool 600 W / 220 V = 2,7 A (ligikaudu).
Las elektrimootor tarbib võrgust 5000 vatti või, nagu öeldakse, 5 kilovatti.
1000 vatti = 1 kilovatt, täpselt nagu 1000 grammi = 1 kilogramm. Kilovatid on lühendatud kui kW. Seetõttu võime elektrimootori kohta öelda, et see tarbib võimsust 5 kW.
Et määrata, kui palju energiat mis tahes elektriseade tarbib, on vaja arvesse võtta aega, mille jooksul seda energiat tarbiti.
Kui 10-vatine pirn põleb kaks tundi, on elektrienergia tarbimine 100 vatti x 2 tundi = 200 vatt-tundi või 0,2 kilovatt-tundi. Kui 100-vatine pirn põleb 10 tundi, siis kulub energiat 100 vatti x 10 tundi = 1000 vatt-tundi või 1 kilovatt-tundi. Kilovatt-tunnid on lühendatud kWh.
Selles raamatus on veel palju huvitavat, kuid juba need näited näitavad, kui vastutustundlikult ja siiralt toonased autorid oma töösse suhtusid, eriti laste õpetamise puhul.