Чарльз Платт – Электроника для начинающих (2-е издание) (страница 12)

Помните, когда вы замкнули батарею, она стала горячей, так же, как и провода? Определенно, батарея имеет некоторое внутреннее сопротивление. Вы можете игнорировать его, когда работаете с малыми токами в миллиамперах, но при сильных токах батарея активно участвует в процессе.

Вот почему я предупредил вас о том, чтобы вы не использовали мощную батарею (и особенно автомобильный аккумулятор). Такие батареи имеют намного более низкое внутреннее сопротивление и пропускают намного больший ток, который может сгенерировать тепло, приводящее к взрыву. Автомобильный аккумулятор способен обеспечить ток в несколько сотен ампер при запуске стартера. Этого вполне достаточно, чтобы расплавить провода и вызвать ожоги.

В сущности, с помощью автомобильного аккумулятора можно выполнять сварку металла.

Литиевые аккумуляторы также имеют низкое внутреннее сопротивление, что делает их очень опасными при замыкании.

Внимание!

Опасность представляет не только высокое напряжение, но и слишком большой ток. Не забывайте это важное правило электробезопасности.

Единицы измерения мощности

Я до сих пор не упоминал о ваттах, единице измерения, которая знакома всем.

Ватт – это единица измерения мощности. Например, если какая-то сила приложена в течение определенного промежутка времени, то она совершает работу. Инженер мог бы сказать, что работа совершается тогда, когда человек, животное или машина толкает что-либо, чтобы преодолеть механическое сопротивление. Примерами могут служить автомобиль, который едет по горизонтальному участку дороги (преодолевая силу трения и сопротивление воздуха), или человек, поднимающийся по лестнице (преодолевая силу тяжести).

Когда один ватт мощности действует в течение одной секунды, совершенная работа равна одному джоулю, обычно она обозначается буквой J. Если через Р обозначить мощность, то:

J = Р × S

Вот обратная формула:

Р = J / S

Когда электроны проходят по цепи, они преодолевают некоторое сопротивление и поэтому совершают работу. В электротехнике определение ватта очень простое:

ватты = вольты × амперы

Если использовать привычные единицы и обозначить мощность в ваттах через W, то следующие три формулы будут равнозначны:

W = V × I (ватты = вольты × амперы)

V = W / I

I = W / V

Термины милливатты (мВт), киловатты (кВт) и мегаватты (МВт) широко используются в разных ситуациях. Мегаватты обычно относят к мощному оборудованию, например к генераторам на электростанциях. Старайтесь не путать строчную букву «м» в аббревиатуре мВт с прописной «М» в аббревиатуре МВт. Пересчет для единиц мощности приведен в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Мощность старых ламп накаливания указывалась в ваттах. То же и для стереосистем. Ватт был назван в честь Джеймса Уатта, изобретателя парового двигателя. Кстати, ватты могут быть переведены в лошадиные силы, и наоборот.

Резисторы, как правило, рассчитаны на мощность 0,25, 0,5, 1 Вт и выше. Для всех устройств, описываемых в этой книге, подойдут резисторы на 0,25 Вт. Откуда я это знаю?

Вернемся к первой цепи со светодиодом, которая питается от 9-вольтовой батареи. Помните, нам требовалось, чтобы резистор понижал напряжение на 7 В при силе тока в 20 мА. Какая мощность в ваттах пришлась бы на этот резистор?

Запишем известные величины:

V = 7 (разность потенциалов для резистора)

I = 20 мА = 0,02 А

Нужно найти параметр W, поэтому запишем формулу так:

W = V × I

Подставим числа:

W = 7 × 0,02 = 0,14 Вт

Вот какая мощность будет рассеиваться резистором.

Резистор, рассчитанный на 0,25 Вт, без проблем выдержит мощность 0,14 Вт. На самом деле здесь подошел бы резистор и на 0,125 Вт, но в последующих экспериментах нам могут понадобиться и более мощные резисторы (0,25 Вт), поэтому нет ничего страшного в выборе резистора, рассчитанного на более высокую мощность. Такие резисторы стоят немного дороже и чуть больше по размерам.

Происхождение единицы мощности

Джеймс Уатт, изображенный на рис. 1.58, родился в 1736 году в Шотландии и известен как изобретатель парового двигателя. При университете города Глазго он открыл небольшую мастерскую, где добивался идеальной эффективности конструкции с поршнем в цилиндре, приводимым в движение с помощью пара. Финансовые сложности и недостаточный на тот момент уровень обработки металла отсрочили практическое применение изобретения до 1776 года.

Рис. 1.58. Разработка паровой тяги Джеймсом Уаттом послужила основанием для промышленной революции. После смерти ученого в его честь назвали основную единицу мощности электричества

Невзирая на сложности с получением патентов (который в те времена мог быть выдан на основании акта Парламента), Уатт и его компаньоны в конечном итоге заработали на инновациях много денег. И хотя Уатт жил раньше первооткрывателей электричества, в 1889 году (70 лет спустя его смерти) его именем назвали основную единицу электрической мощности, которая является произведением силы тока (в амперах) на напряжение (в вольтах).

Повторное использование

Сгоревший светодиод можно выбросить. Все остальное пригодится повторно.

Эксперимент 5. Давайте изготовим гальванический элемент

Давным-давно, еще до существования Всемирной паутины, детских игр было так мало, что малыши пытались развлекаться самостоятельно с помощью экспериментов на кухонном столе, например, собирая гальванический элемент, вставив гвоздь и монетку в лимон. Трудно поверить, но это правда!

Современные светодиоды светятся, когда через них протекает ток всего в несколько миллиампер, и старинный эксперимент с «лимонной» батарейкой станет гораздо интереснее. Если вы никогда не пробовали его осуществить, сейчас самое время.

Что вам понадобится

• Лимоны (2 шт.) или пластиковая бутылка со 100 %-ным лимонным соком (1 шт.)

• Медная монетка (4 шт.)

• Крепежные скобы шириной 2,5 см (или больше) из оцинкованной стали (4 шт.)

• Тестовые провода с зажимами «крокодил» на концах (5 шт.)

• Мультиметр (1 шт.)

• Слаботочный светодиод (1 шт.)

Замечание

Чтобы вспомнить о различиях между обычными и слаботочными светодиодами, загляните в раздел «Светоизлучающие диоды» этой главы.

Подготовка к эксперименту

Гальванический элемент – электрохимическое устройство, и это означает, что электричество возникает в результате химических реакций. Естественно, эксперимент удастся только при правильном выборе химических веществ. Я собираюсь использовать медь, цинк и лимонный сок.

С соком у вас не должно быть проблем. Лимоны стоят недорого, можно также купить концентрированный сок в пластиковой бутылке. Подойдет любой вариант.

Мелочь сейчас делают не из меди, но монеты имеют тонкое медное покрытие, которого должно хватить. Убедитесь, что ваша монетка новая и сверкает. Если медь окислилась, она станет бурой и эксперимент пройдет не вполне гладко.

С цинком дело обстоит немного сложнее. Потребуются гальванизированные металлические изделия, т. е. такие, которые для защиты от коррозии покрыты цинком. Небольшие оцинкованные стальные крепежные скобы должны быть в продаже в вашем местном строительном магазине, и стоят они недорого. Подойдут скобы с размером каждой стороны около 2,5 см.

Лимонный тест: часть первая

Разрежьте лимон пополам и вставьте в него монетку. Как можно ближе к монетке (но не касаясь ее) вставьте оцинкованную скобу. Теперь настройте мультиметр для измерения постоянного напряжения до 2 В и приложите один щуп к монетке, а другой к скобе. Ваш мультиметр должен показать напряжение в пределах от 0,8 до 1 В.

Чтобы зажечь обычный светодиод, требуется большее напряжение. Как его получить? Соединив гальванические элементы последовательно. Другими словами – больше лимонов! Соедините элементы батареи тестовыми проводами, как показано на рис. 1.59. Обратите внимание на то, что каждый провод соединяет скобу с монеткой. Не соединяйте монетку с монеткой или скобу со скобой.

Если вы все аккуратно соединили, установив монетки и скобы как можно ближе, но так, чтобы они не касались друг друга, то сможете зажечь ваш светодиод с помощью трех последовательных лимонных элементов.

Рис. 1.59. Три гальванических элемента из лимонов должны вырабатывать достаточное напряжение, чтобы зажечь слаботочный светодиод

Рис. 1.60. Лимонный сок из лимонов или из бутылки обеспечит надежный результат, хотя конструкция выглядит не так изящно. В этом варианте четырехэлементная батарея собрана из коробки для мелких деталей, отсеки которой заполнены соком

Другой вариант предусматривает использование коробки с секциями для мелких деталей, как показано на рис. 1.60. Когда вы соберете всю конструкцию, налейте в отсеки немного концентрированного лимонного сока. Уксус или грейпфрутовый сок также могут сработать.

Я решил задействовать четыре ячейки для батареи из сока, потому что светодиод несколько снижает напряжение, а наша «лимонная» батарея не способна создать ток, способный повредить светодиод. Установка, показанная на фотографии, заработала сразу.

Природа электричества