O elektrickém proudu, napětí a výkonu ze sovětské dětské knihy: jednoduché a jasné

V Sovětském svazu, který dosáhl velmi vážných úspěchů v rozvoji vědy a techniky, se radioamatérské hnutí rozšířilo. Mnoho tisíc mladých občanů vystudovalo radiotechniku ​​pod vedením instruktorů v rozhlasových kroužcích a radioklubech, které mají speciální odbornou literaturu, nástroje a přístroje. Mnozí z nich se v budoucnu stali kvalifikovanými inženýry, konstruktéry, vědci.

K takovým radiovým obvodům byla vydávána populárně naučná literatura, ve které byly jednoduchým jazykem s velkým množstvím ilustrací vysvětleny různé otázky fyziky, mechaniky, elektrotechniky a elektroniky.

Jedním z příkladů takových knih je kniha Cheslova Klimčevského „Abeceda radioamatéra“, kterou vydalo nakladatelství „Svyazizdat“ v roce 1962. První oddíl knihy se nazývá „Elektrotechnika“, druhý oddíl „Rozhlas Engineering“, třetí je „Praktické rady“. , čtvrtá část — „Instalujeme sami“.

Samotnou knihu si můžete stáhnout zde: Abeceda amatérského rádia (divoká)

Tento typ knih v 60. letech nepatřil do vysoce odborné literatury.Vycházely v nákladech desetitisíců výtisků a byly určeny masovému čtenáři.

Rádio Raz bylo tak úplně aplikováno v každodenním životě lidí, takže se v té době věřilo, že nemůžete být omezeni pouze schopností otáčet knoflíky. A každý vzdělaný člověk by měl studovat rádio, aby pochopil, jak probíhá rádiový přenos a rádiový příjem, aby se seznámil se základními elektrickými a magnetickými jevy, které jsou klíčem k teorii radiotechniky. Je také nutné, obecně řečeno, seznámit se se systémy a konstrukcí přijímacích zařízení.

Pojďme se společně podívat a posuďme, jak tenkrát uměli složité věci vysvětlit jednoduchými obrázky.

Začínající radioamatér naší doby:

O elektrickém proudu

Všechny látky na světě, a tedy i všechny předměty kolem nás, hory, moře, vzduch, rostliny, zvířata, lidé, se skládají z nezměrně malých částic, molekul, a ty zase z atomů. Kus železa, kapka vody, nepatrné množství kyslíku, jsou nahromaděním miliard atomů, jeden druh v železe, jiný ve vodě nebo kyslíku.

Podíváte-li se na les z dálky, vypadá jako tmavý pruh, který je z jednoho kusu (srovnejte např. s kusem železa). Jak se blíží k okraji lesa, jsou vidět jednotlivé stromy (v kusu železa — atomy železa). Les se skládá ze stromů; podobně je látka (např. železo) tvořena atomy.

V jehličnatém lese jsou stromy jiné než v listnatém lese; podobně jsou molekuly každého chemického prvku složeny z atomů odlišných od molekul jiných chemických prvků. Atomy železa se tedy liší od, řekněme, atomů kyslíku.

Když se přiblížíme ještě blíže ke stromům, vidíme, že každý z nich se skládá z kmene a listů. Stejně tak se atomy látky skládají z t. zv Jádro (kmen) a elektrony (plechy).

Kmen je těžký a jádro je těžké; představuje kladný elektrický náboj (+) atomu. Listy jsou lehké a elektrony jsou lehké; vytvářejí na atomu záporný elektrický náboj (-).

Různé stromy mají kmeny s různým počtem větví a počet listů není stejný. Stejně tak atom, v závislosti na chemickém prvku, který představuje, sestává (v nejjednodušší formě) z jádra (kmene) s několika kladným nábojem — tzv. protony (větve) a řada záporných nábojů — elektronů (listů).

V lese, na zemi mezi stromy, se hromadí mnoho spadaného listí. Vítr zvedá tyto listy ze země a ony cirkulují mezi stromy. Takže v látce (například v kovu) mezi jednotlivými atomy existuje určité množství volných elektronů, které nepatří žádnému z atomů; tyto elektrony se mezi atomy pohybují náhodně.

Pokud připojíte dráty vycházející z elektrické baterie na konce kusu kovu (například ocelového háku): připojte jeden jeho konec ke kladnému pólu baterie — přiveďte takzvaný kladný elektrický potenciál (+) k ní a druhý konec do mínusu baterie — přiveďte záporný elektrický potenciál (-), pak se volné elektrony (záporné náboje) začnou pohybovat mezi atomy uvnitř kovu a spěchají na kladnou stranu baterie.

To je vysvětleno následující vlastností elektrických nábojů: opačné náboje, tj. kladné a záporné náboje se navzájem přitahují; jako náboje, tedy kladné či záporné, se naopak vzájemně odpuzují.

Volné elektrony (záporné náboje) v kovu jsou přitahovány ke kladně nabité (+) svorce baterie (zdroj proudu), a proto se v kovu již nepohybují náhodně, ale na kladnou stranu zdroje proudu.

Jak již víme, elektron je elektrický náboj. Velké množství elektronů pohybujících se v jednom směru uvnitř kovu tvoří tok elektronů, tzn. elektrické náboje. Tyto elektrické náboje (elektrony) pohybující se v kovu tvoří elektrický proud.

Jak již bylo zmíněno, elektrony se pohybují po drátech z mínusu do plusu. Dohodli jsme se však na tom, že proud teče opačným směrem: od plusu k mínusu, to znamená, že jako by se po drátech nehýbaly záporné, ale kladné náboje (takové kladné náboje by byly přitahovány k mínusu zdroje proudu) .

Čím více listů v lese je poháněno větrem, tím hustěji naplňuje vzduch; stejně tak čím více nábojů v kovu proudí, tím větší je množství elektrického proudu.

Ne každá látka může přenášet elektrický proud se stejnou lehkostí. Volné elektrony se snadno pohybují, například v kovech.

Materiály, ve kterých se elektrický náboj snadno pohybuje, se nazývají vodiče elektrického proudu. Některé materiály, nazývané izolanty, nemají žádné volné elektrony, a proto izolanty neprotéká elektrický proud. Mezi izolanty patří mimo jiné sklo, porcelán, slída, plasty.

Volné elektrony, které jsou přítomné v látce, která vede elektrický proud, lze také přirovnat ke kapkám vody.

Jednotlivé kapky v klidu nevytvářejí vodní tok. Velké množství z nich v pohybu tvoří potok nebo řeku tekoucí jedním směrem. Kapky vody v tomto toku nebo řece se pohybují v toku, jehož síla je větší, čím větší je rozdíl v hladinách koryta podél jeho dráhy, a tím větší je tedy rozdíl v „potenciálech“ (výškách) jednotlivce. jednotlivé segmenty této cesty.

Velikost elektrického proudu

Abyste pochopili jevy způsobené elektrickým proudem, porovnejte jej s prouděním vody. Malé množství vody teče v potocích, zatímco velké množství vody teče v řekách.

Předpokládejme, že hodnota průtoku vody v proudu je rovna 1; Vezměme hodnotu průtoku v řece například 10. A konečně, pro silnou řeku je hodnota průtoku vody řekněme 100, což je stonásobek hodnoty průtoku v toku.

Slabý proud vody může pohánět kolo pouze jednoho mlýna. Vezmeme hodnotu tohoto proudu rovnou 1.

Dva z těchto mlýnů může pohánět dvojnásobný proud vody. V tomto případě je hodnota průtoku vody rovna 2.

Pětinásobek proudu vody může pohánět pět stejných mlýnů; hodnota průtoku vody je nyní 5. Lze pozorovat průtok vodního toku v řece; elektrický proud protéká pro naše oči neviditelnými dráty.

Na následujícím obrázku je znázorněn elektromotor (elektromotor) poháněný elektrickým proudem. Vezměme v tomto případě hodnotu elektrického proudu rovnou 1.

Když elektrický proud pohání dva takové elektromotory, pak množství proudu protékajícího hlavním drátem bude dvakrát větší, to znamená 2.Konečně, když elektrický proud napájí pět stejných elektromotorů, pak je proud na hlavním drátu pětkrát vyšší než v prvním případě; takže jeho velikost je 5.

Praktickou jednotkou pro měření průtoku vody nebo jiné kapaliny (tedy množství, které proteče za jednotku času, např. za sekundu, průřezem koryta řeky, potrubí apod.) je litr za sekundu.

Pro měření velikosti elektrického proudu, tedy množství nábojů, které protečou průřezem drátu za jednotku času, se jako praktická jednotka bere ampér, velikost elektrického proudu se tedy určuje v ampérech. Zkrácený ampér je označen písmenem a.

Zdrojem elektrického proudu může být např. galvanická baterie nebo elektrický akumulátor.

Velikost baterie nebo akumulátoru určuje množství elektrického proudu, který mohou poskytnout, a dobu jejich působení.

Pro měření velikosti elektrického proudu v elektrotechnice používejte speciální přístroje, ampérmetry (A). Různá elektrická zařízení přenášejí různé množství elektrického proudu.

Napětí

Druhou elektrickou veličinou úzce související s velikostí proudu je napětí. Abychom lépe pochopili, co je napětí elektrického proudu, srovnejme ho s rozdílem hladin kanálu (spád vody v řece), stejně jako jsme přirovnali elektrický proud k průtoku vody. S malým rozdílem v úrovních kanálů vezmeme rozdíl rovný 1.

Je-li rozdíl hladin kanálů významnější, je spád vody odpovídajícím způsobem větší. Předpokládejme například, že se rovná 10, tedy desetkrát více než v prvním případě.Nakonec, s ještě větším rozdílem v hladinách vodopádu, je to řekněme 100.

Padne-li proud vody z malé výšky, pak může pohánět pouze jeden mlýn. V tomto případě vezmeme kapku vody rovnající se 1.

Stejný proud padající z dvojnásobné výšky dokáže roztočit kola dvou podobných mlýnů. V tomto případě je kapka vody rovna 2.

Pokud je rozdíl hladin kanálů pětkrát větší, pak stejný průtok pohání pět takových mlýnů. Kapka vody je 5.

Podobné jevy jsou pozorovány při uvažování elektrického napětí. Abychom pochopili, co to v následujících příkladech znamená, stačí nahradit výraz „vodní kapka“ pojmem „elektrické napětí“.

Nechte hořet pouze jednu lampu. Předpokládejme, že je na něj aplikováno napětí rovné 2.

Aby pět takových žárovek zapojených stejným způsobem shořelo, musí se napětí rovnat 10.

Když svítí dvě stejné žárovky zapojené do série (jako jsou žárovky obvykle zapojeny v girlandách vánočních stromků), napětí je 4.

Ve všech uvažovaných případech prochází každou žárovkou elektrický proud stejné velikosti a na každou je přivedeno stejné napětí, které je součástí celkového napětí (napětí baterie), které je v každém jednotlivém příkladu jiné.

Nechte řeku vtéct do jezera. Podmíněně budeme hladinu vody v jezeře považovat za nulovou, pak hladina koryta u druhého stromu vůči hladině vody v jezeře je rovna 1 m a hladina koryta u třetího stromu. strom bude mít 2 m. Hladina koryta u třetího stromu je o 1 m výše než jeho hladina u druhého stromu, tzn. mezi těmito stromy se rovná 1 m.

Rozdíl v úrovních kanálů se měří v jednotkách délky, například jako my, v metrech. V elektrotechnice odpovídá hladina koryta v kterémkoli bodě vzhledem k určité nulové hladině (v našem příkladu hladina jezera) elektrickému potenciálu.

Rozdíl v elektrickém potenciálu se nazývá napětí. Elektrický potenciál a napětí se měří stejnou jednotkou – voltem, zkráceným písmenem c. Jednotkou pro měření elektrického napětí je tedy volt.

K měření elektrického napětí se používají speciální měřicí přístroje zvané voltmetry (V).

Takový zdroj elektrického proudu, jako je baterie, je široce známý. Jeden článek tzv. olověného akumulátoru (ve kterém jsou olověné destičky ponořeny do vodného roztoku kyseliny sírové) má při nabíjení napětí asi 2 volty.

Anodová baterie, která se používá k napájení bateriových rádií elektrickým proudem, se obvykle skládá z několika desítek suchých galvanických článků, každý o napětí asi 1,5 V.

Tyto prvky jsou spojeny postupně (to znamená, že plus prvního prvku je spojeno s mínusem druhého, plus druhého - s mínusem třetího atd.). V tomto případě se celkové napětí baterie rovná součtu napětí článků, ze kterých se skládá.

150 V baterie tedy obsahuje 100 takových článků zapojených do série.

Do zásuvky osvětlovací sítě s napětím 220 V můžete zapojit jednu žárovku určenou pro napětí 220 V nebo 22 stejných světel vánočního stromku zapojených do série, z nichž každé je určeno pro napětí 10 V.V tomto případě bude mít každá žárovka pouze 1/22 síťového napětí, tedy 10 voltů.

Napětí působící na konkrétní elektrické zařízení, v našem případě žárovku, se nazývá úbytek napětí. Pokud žárovka 220 V spotřebovává stejný proud jako žárovka 10 V, pak celkový proud odebíraný ze sítě girlandou bude mít stejnou velikost jako proud procházející žárovkou 220 V.

Z řečeného je zřejmé, že například dvě stejné 110voltové žárovky lze zapojit do sítě 220 V, zapojené do série.

Rádiové elektronky určené pro napětí 6,3 V je možné ohřívat např. z baterie sestávající ze tří článků zapojených do série; žárovky, které jsou určeny pro napětí vlákna 2 V, mohou být napájeny jedním článkem.

Napětí vlákna rádiových elektronek je uvedeno v zaoblené formě na začátku symbolu žárovky: 1,2 V — s číslem 1; 4,4 palce — číslo 4; 6,3 palce — číslo 6; 5 c – číslo 5.

Pro příčinu způsobující elektrický proud

Pokud dvě oblasti zemského povrchu, byť daleko od sebe, leží na různých úrovních, pak může dojít k proudění vody. Voda poteče z nejvyššího bodu do nejnižšího.

Stejně tak elektrický proud. Může proudit pouze tehdy, pokud existuje rozdíl v elektrických hladinách (potenciálech). Na mapě počasí je nejvyšší barometrická hladina (vysoký tlak) označena znaménkem „+“ a nejnižší hladina znaménkem „-“.

Úrovně budou zarovnány ve směru šipky. Vítr bude foukat ve směru do oblasti s nejnižší barometrickou hladinou. Když se tlak vyrovná, pohyb vzduchu se zastaví. Tok elektrického proudu se tedy zastaví, pokud se elektrické potenciály vyrovnají.

Při bouřce dochází k vyrovnání elektrických potenciálů mezi mraky a zemí nebo mezi mraky. Objevuje se ve formě blesku.

Existuje také potenciální rozdíl mezi svorkami (póly) každého galvanického článku nebo baterie. Pokud na něj tedy připevníte např. žárovku, tak jím poteče proud. Postupem času se rozdíl potenciálů zmenšuje (dochází k vyrovnání potenciálu) a snižuje se i množství protékajícího proudu.

Pokud zapojíte žárovku do sítě, pak jí bude protékat i elektrický proud, protože mezi zásuvkami zásuvky je potenciálový rozdíl. Na rozdíl od galvanického článku nebo baterie je však tento potenciálový rozdíl udržován neustále – dokud elektrárna běží.

Elektrická energie

Mezi elektrickým napětím a proudem existuje úzký vztah. Množství elektrické energie závisí na velikosti napětí a proudu. Vysvětleme si to na následujících příkladech.

Třešeň padá z nízké výšky: Nízká výška - mírné napětí. Nízká rázová síla – nízký elektrický výkon.

Kokos padá z malé výšky (vzhledem k tomu, kam chlapec vylezl): Velký objekt – velký proud. Nízká nadmořská výška — nízký stres. Relativně vysoká rázová síla — relativně vysoká síla.

Malý květináč padá z velké výšky: Malý předmět je malý proud. Velká výška pádu je velký stres. Vysoká rázová síla – vysoký výkon.

Lavina padající z velké výšky: Velké masy sněhu — velký proud. Velká výška pádu je velký stres. Velká ničivá síla laviny je velká elektrická síla.

Při vysokém proudu a vysokém napětí se získá velký elektrický výkon.Ale stejný výkon lze získat s vyšším proudem a odpovídajícím nižším napětím nebo naopak s nižším proudem a vyšším napětím.

Stejnosměrný elektrický výkon se rovná součinu hodnot napětí a proudu. Elektrický výkon se udává ve wattech a označuje se písmeny W.

Již bylo řečeno, že vodní tok určité velikosti může pohánět jeden mlýn, dvojnásobný průtok - dva mlýny, čtyřnásobný průtok - čtyři mlýny atd., a to přesto, že vodní spád (napětí) bude stejný .

Na obrázku je vidět malý průtok vody (odpovídající elektrickému proudu), který roztáčí kola čtyř mlýnů v důsledku toho, že spád vody (odpovídající elektrickému napětí) je dostatečně velký.

Kola těchto čtyř mlýnů se mohou otáčet s dvojnásobným průtokem vody v polovině výšky pádu. Pak by byly mlýny uspořádány trochu jinak, ale výsledek by byl stejný.

Následující obrázek ukazuje dvě svítidla zapojená paralelně do osvětlovací sítě 110V. Každou z nich protéká proud 1 A. Proud tekoucí dvěma lampami je celkem 2 ampéry.

Součin hodnot napětí a proudu určuje výkon, který tyto lampy spotřebovávají ze sítě.

110V x 2a = 220W.

Je-li napětí osvětlovací sítě 220 V, musí být stejné žárovky zapojeny do série, nikoli paralelně (jak tomu bylo v předchozím příkladu), aby se součet úbytků napětí na nich rovnal napětí síť. Proud tekoucí v tomto případě dvěma lampami je 1 A.

Součin hodnot napětí a proudu procházejícího obvodem nám dá výkon spotřebovaný těmito žárovkami 220 V x 1a = 220 W, tedy stejný jako v prvním případě.Je to pochopitelné, protože v druhém případě je proud odebraný ze sítě dvakrát menší, ale dvojnásobné napětí v síti.

Watt, kilowatt, kilowatthodina

Jakékoli elektrické zařízení nebo stroj (zvonek, žárovka, elektromotor atd.) spotřebovává určité množství elektrické energie z osvětlovací sítě.

K měření elektrického výkonu se používají speciální přístroje zvané wattmetry.

Výkon např. osvětlovací lampy, elektromotoru atd. lze určit bez pomoci wattmetru, pokud je síťové napětí a množství proudu, které protéká spotřebičem elektrické energie připojeným k síti, známý.

Podobně, pokud je známa spotřeba elektrické energie a síťové napětí, lze určit množství proudu protékajícího spotřebičem.

Například 110voltová osvětlovací síť zahrnuje 50wattovou lampu. Jaký proud jím protéká?

Protože součin napětí vyjádřeného ve voltech a proudu vyjádřeného v ampérech se rovná výkonu vyjádřenému ve wattech (pro stejnosměrný proud), po provedení opačného výpočtu, tj. vydělte počet wattů počtem voltů ( síťové napětí), získáme velikost proudu v ampérech procházející lampou,

a = w / b,

proud je 50 W / 110 V = 0,45 A (cca).

Svítidlem tedy protéká proud asi 0,45 A, který spotřebuje 50 W energie a je připojen do elektrické sítě 110 V.

Pokud je do osvětlovací sítě místnosti zařazen lustr se čtyřmi 50W žárovkami, stolní lampa s jednou 100W žárovkou a 300W žehlička, pak je výkon všech spotřebičů energie 50 W x 4 + 100 W + 300 W = 600 W.

Protože síťové napětí je 220 V, protéká běžnými osvětlovacími vodiči vhodnými pro tuto místnost elektrický proud o velikosti 600 W / 220 V = 2,7 A (přibližně).

Nechte elektromotor spotřebovat 5000 wattů energie ze sítě, nebo, jak se říká, 5 kilowattů.

1000 wattů = 1 kilowatt, stejně jako 1 000 gramů = 1 kilogram. Kilowatty jsou zkráceny jako kW. O elektromotoru tedy můžeme říci, že spotřebuje výkon 5 kW.

Aby bylo možné určit, kolik energie spotřebuje jakékoli elektrické zařízení, je nutné vzít v úvahu dobu, po kterou byla tato energie spotřebována.

Pokud 10wattová žárovka svítí dvě hodiny, je spotřeba elektrické energie 100 wattů x 2 hodiny = 200 watthodin nebo 0,2 kilowatthodiny. Pokud 100wattová žárovka svítí 10 hodin, pak množství spotřebované energie je 100 wattů x 10 hodin = 1000 watthodin nebo 1 kilowatthodina. Kilowatthodiny jsou zkráceny jako kWh.

Zajímavostí je v této knize mnohem více, ale i tyto ukázky ukazují, jak zodpovědně a upřímně tehdejší autoři přistupovali ke své práci, zejména v případě výuky dětí.