Om elektrisk ström, spänning och effekt från en sovjetisk barnbok: enkelt och tydligt

I Sovjetunionen, som uppnådde mycket allvarliga framgångar i utvecklingen av vetenskap och teknik, blev radioamatörrörelsen utbredd. Många tusen unga medborgare har studerat radioteknik under ledning av instruktörer i radiokretsar och radioklubbar som har speciell teknisk litteratur, verktyg och instrument. Många av dem blev i framtiden kvalificerade ingenjörer, designers, vetenskapsmän.

Populärvetenskaplig litteratur publicerades för sådana radiokretsar, där olika frågor om fysik, mekanik, elektroteknik och elektronik förklarades i ett enkelt språk med ett stort antal illustrationer.

Ett av exemplen på sådana böcker är Cheslov Klimchevskys bok "The Alphabet of a Radio Amateur", utgiven av förlaget "Svyazizdat" 1962. Den första delen av boken heter "Electrical Engineering", den andra delen är "Radio". Engineering", den tredje är "Praktiska råd". , den fjärde delen — "Vi ​​installerar oss själva".

Själva boken kan laddas ner här: Amatörradioalfabetet (vild)

Denna typ av böcker på 1960-talet hörde inte till högspecialiserad litteratur.De gavs ut i upplagor på tiotusentals exemplar och var avsedda för en massläsare.

Raz-radion användes så fullständigt i människors dagliga liv, så vid den tiden trodde man att man inte bara kunde begränsas av möjligheten att vrida på rattarna. Och varje utbildad person bör studera radio för att förstå hur radiosändning och radiomottagning går till, för att bekanta sig med de grundläggande elektriska och magnetiska fenomen som är nyckeln till teorin om radioteknik. Det är också nödvändigt, generellt sett, att bekanta sig med systemen och designen av mottagningsanordningar.

Låt oss titta tillsammans och bedöma hur de vid den tiden visste hur man förklarar komplexa saker med enkla bilder.

En nybörjare på vår tids radioamatör:

Om elektrisk ström

Alla ämnen i världen och följaktligen alla föremål runt omkring oss, berg, hav, luft, växter, djur, människor, består av omätligt små partiklar, molekyler och de senare i sin tur av atomer. En bit järn, en droppe vatten, en obetydlig mängd syre, är en ansamling av miljarder atomer, en sort i järn, en annan i vatten eller syre.

Om du tittar på skogen på avstånd så ser den ut som en mörk remsa som är en bit (jämför t.ex. med en bit järn). När de närmar sig kanten av skogen kan enskilda träd ses (i en bit järn - järnatomer). En skog består av träd; på samma sätt är ett ämne (som järn) uppbyggt av atomer.

I en barrskog är träden annorlunda än i en lövskog; likaså är molekylerna i varje kemiskt element sammansatta av atomer som skiljer sig från molekylerna i andra kemiska element. Så järnatomer skiljer sig från till exempel syreatomer.

När vi närmar oss ännu närmare träden ser vi att var och en av dem består av en stam och löv. På samma sätt består ämnets atomer av de sk Kärna (stam) och elektroner (ark).

Stammen är tung och kärnan är tung; det representerar den positiva elektriska laddningen (+) av atomen. Blad är lätta och elektroner är lätta; de bildar en negativ elektrisk laddning (-) på atomen.

Olika träd har stammar med olika antal grenar och antalet löv är inte detsamma. Likaså består en atom, beroende på vilket kemiskt grundämne den representerar, (i sin enklaste form) av en kärna (stam) med flera positiva laddningar — de så kallade protonerna (grenarna) och ett antal negativa laddningar — elektroner (ark).

I skogen, på marken mellan träden, samlas många nedfallna löv. Vinden lyfter dessa löv från marken och de cirkulerar bland träden. Så i ett ämne (till exempel en metall) bland enskilda atomer finns det en viss mängd fria elektroner som inte tillhör någon av atomerna; dessa elektroner rör sig slumpmässigt bland atomerna.

Om du ansluter kablarna som kommer från ett elektriskt batteri till ändarna av en metallbit (till exempel en stålkrok): anslut den ena änden av den till batteriets plus - ta med den så kallade positiva elektriska potentialen (+) till den, och den andra änden till batteriets minus — ta med negativ elektrisk potential (-), då kommer de fria elektronerna (negativa laddningarna) att börja röra sig mellan atomerna inuti metallen och rusa till den positiva sidan av batteriet.

Detta förklaras av följande egenskap hos elektriska laddningar: motsatta laddningar, det vill säga positiva och negativa laddningar attraherar varandra; som laddningar, det vill säga positiva eller negativa, tvärtom stöter bort varandra.

Fria elektroner (negativa laddningar) i metallen attraheras till den positivt laddade (+) polen på batteriet (strömkällan) och rör sig därför i metallen inte längre slumpmässigt, utan till plussidan av strömkällan.

Som vi redan vet är en elektron en elektrisk laddning. Ett stort antal elektroner som rör sig i en riktning inuti metallen utgör elektronflödet, d.v.s. elektriska laddningar. Dessa elektriska laddningar (elektroner) som rör sig i metallen bildar en elektrisk ström.

Som redan nämnts rör sig elektroner längs ledningar från minus till plus. Men vi kom överens om att överväga att strömmen flyter i motsatt riktning: från plus till minus, det vill säga som om de inte är negativa, men positiva laddningar rör sig längs ledningarna (sådana positiva laddningar skulle lockas till minus av strömkällan) .

Ju fler löv i skogen som drivs av vinden, desto tjockare fyller de luften; likaså, ju mer laddningar som flödar i metallen, desto större mängd elektrisk ström.

Inte varje ämne kan bära en elektrisk ström med samma lätthet. Fria elektroner rör sig lätt, till exempel i metaller.

Material i vilka elektriska laddningar lätt rör sig kallas ledare av elektrisk ström. Vissa material, som kallas isolatorer, har inga fria elektroner och därför flyter ingen elektrisk ström genom isolatorerna. Isolatorer inkluderar bland annat glas, porslin, glimmer, plast.

De fria elektronerna som finns i ett ämne som leder en elektrisk ström kan också jämföras med vattendroppar.

Enskilda droppar i vila skapar inte ett vattenflöde. Ett stort antal av dem i rörelse bildar en bäck eller flod som flyter i en riktning. Vattendropparna i denna bäck eller flod rör sig i ett flöde vars kraft är större, ju större skillnaden är i kanalens nivåer längs dess väg och därför desto större är skillnaden i individens "potentialer" (höjder) enskilda segment av denna väg.

Storleken på den elektriska strömmen

För att förstå de fenomen som orsakas av elektrisk ström, jämför det med vattenflödet. Små mängder vatten rinner i bäckar, medan stora vattenmassor rinner i floder.

Antag att värdet på vattenflödet i bäcken är lika med 1; Låt oss ta flödesvärdet i älven till exempel som 10. Slutligen, för en kraftfull älv är vattenflödesvärdet, säg, 100, det vill säga hundra gånger värdet av flödet i strömmen.

En svag vattenström kan driva hjulet på endast en kvarn. Vi tar värdet på denna ström lika med 1.

Två gånger vattenflödet kan driva två av dessa kvarnar. I detta fall är vattenflödesvärdet lika med 2.

Fem gånger vattenströmmen kan driva fem identiska kvarnar; värdet av vattenflödet är nu 5. Flödet av vattenflödet i floden kan observeras; elektrisk ström flyter genom ledningar som är osynliga för våra ögon.

Följande bild visar en elmotor (elmotor) som drivs av elektrisk ström. Låt oss i detta fall ta värdet av elektrisk ström lika med 1.

När en elektrisk ström driver två sådana elektriska motorer, kommer mängden ström som flyter genom huvudledningen att vara dubbelt så stor, det vill säga lika med 2.Slutligen, när en elektrisk ström matar fem av samma elektriska motorer, är strömmen på huvudledningen fem gånger högre än i det första fallet; därför är dess magnitud 5.

En praktisk enhet för att mäta mängden flöde av vatten eller annan vätska (det vill säga mängden som strömmar per tidsenhet, till exempel per sekund, genom tvärsnittet av en flodbädd, ett rör, etc.) är liter per sekund.

För att mäta storleken på den elektriska strömmen, det vill säga mängden laddningar som strömmar genom trådens tvärsnitt per tidsenhet, tas amperen som en praktisk enhet.Därmed bestäms storleken på den elektriska strömmen i ampere. Den förkortade amperen indikeras med bokstaven a.

Källan till elektrisk ström kan till exempel vara ett galvaniskt batteri eller en elektrisk ackumulator.

Storleken på batteriet eller ackumulatorn bestämmer mängden elektrisk ström som de kan ge och hur länge de fungerar.

För att mäta storleken på elektrisk ström inom elektroteknik, använd speciella enheter, amperemetrar (A). Olika elektriska enheter bär olika mängder elektrisk ström.

Spänning

Den andra elektriska storheten som är nära relaterad till strömmens storlek är spänning. För att lättare förstå vad spänningen för en elektrisk ström är, låt oss jämföra den med skillnaden i kanalens nivåer (vattenfallet i floden), precis som vi jämförde den elektriska strömmen med vattenflödet. Med en liten skillnad i kanalnivåer tar vi skillnaden lika med 1.

Om skillnaden i kanalnivåer är mer signifikant är vattenfallet i motsvarande grad större. Antag till exempel att det är lika med 10, det vill säga tio gånger mer än i det första fallet.Slutligen, med en ännu större skillnad i vattenfallsnivåer, är det till exempel 100.

Om vattenströmmen faller från en liten höjd, kan den bara driva en kvarn. I det här fallet tar vi en droppe vatten lika med 1.

Samma bäck som faller från dubbelt så hög höjd kan vända hjulen på två liknande kvarnar. I det här fallet är vattendroppen lika med 2.

Om skillnaden i kanalnivåer är fem gånger större, driver samma flöde fem sådana kvarnar. Vattendroppen är 5.

Liknande fenomen observeras när man överväger elektrisk spänning. Det räcker att ersätta termen «vattendroppe» med termen «elektrisk spänning» för att förstå vad det betyder i följande exempel.

Låt bara en lampa brinna. Antag att en spänning lika med 2 appliceras på den.

För att fem sådana glödlampor anslutna på samma sätt ska brinna måste spänningen vara lika med 10.

När två identiska glödlampor som är seriekopplade med varandra tänds (som glödlampor vanligtvis kopplas i julgransgirlanger) är spänningen 4.

I alla övervägda fall passerar en elektrisk ström av samma storlek genom varje glödlampa och samma spänning appliceras på var och en av dem, vilket är en del av den totala spänningen (batterispänningen), som är olika i varje enskilt exempel.

Låt floden rinna ut i sjön. Villkorligt kommer vi att ta vattennivån i sjön som noll. Då är nivån på älvfåran nära det andra trädet i förhållande till vattennivån i sjön lika med 1 m, och nivån på älvfåran nära den tredje trädet blir 2 m. Nivån på kanalen nära det tredje trädet är 1 m högre än dess nivå nära det andra trädet, dvs. mellan dessa träd är lika med 1 m.

Skillnaden i kanalnivåer mäts i längdenheter, till exempel, som vi gjorde, i meter. Inom elektroteknik motsvarar flodbäddens nivå vid vilken punkt som helst med avseende på en viss nollnivå (i vårt exempel sjöns vattennivå) en elektrisk potential.

Skillnaden i elektrisk potential kallas spänning. Elektrisk potential och spänning mäts med samma enhet - volten, förkortad med bokstaven c. Enheten för att mäta elektrisk spänning är således volt.

Speciella mätanordningar som kallas voltmetrar (V) används för att mäta elektrisk spänning.

En sådan elektrisk strömkälla som ett batteri är allmänt känd. En cell i det så kallade blybatteriet (i vilket blyplattorna är nedsänkta i en vattenlösning av svavelsyra) när den är laddad har en spänning på cirka 2 volt.

Ett anodbatteri, som används för att driva batteriradioapparater med elektrisk ström, består vanligtvis av flera dussin torra galvaniska celler, var och en med en spänning på cirka 1,5 V.

Dessa element är anslutna sekventiellt (det vill säga, pluset för det första elementet är kopplat till minus för det andra, plus för det andra - till minus för det tredje, etc.). I det här fallet är batteriets totala spänning lika med summan av spänningarna i de celler som det består av.

Därför innehåller ett 150 V-batteri 100 sådana celler kopplade i serie med varandra.

I uttaget på belysningsnätverket med en spänning på 220 V kan du koppla in en glödlampa designad för en spänning på 220 V eller 22 identiska julgransljus kopplade i serie, som var och en är designad för en spänning på 10 V.I det här fallet kommer varje glödlampa att ha bara 1/22 av linjespänningen, det vill säga 10 volt.

Spänningen som verkar på en viss elektrisk anordning, i vårt fall en glödlampa, kallas spänningsfallet. Om en 220 V-glödlampa förbrukar samma ström som en 10 V-glödlampa, kommer den totala ström som dras från nätverket av kransen att vara samma i storlek som strömmen som flyter genom 220 V-lampan.

Av det sagda framgår att exempelvis två likadana 110-voltslampor kan anslutas till ett 220 V-nät, seriekopplade med varandra.

Det är möjligt att värma radiorör konstruerade för en spänning på 6,3 V, till exempel från ett batteri som består av tre celler kopplade i serie; lampor som är designade för en glödtrådsspänning på 2 V kan drivas av en enda cell.

Glödtrådsspänningen för radioelektriska rör anges i rundad form i början av lampsymbolen: 1,2 V — med siffran 1; 4,4 tum — nummer 4; 6,3 tum — nummer 6; 5 c — nummer 5.

För orsaken som orsakar elektrisk ström

Om två områden av jordens yta, även långt ifrån varandra, ligger på olika nivåer, kan vattenflöde uppstå. Vattnet kommer att rinna från den högsta punkten till den lägsta.

Så är elektrisk ström. Det kan bara flöda om det finns en skillnad i elektriska nivåer (potentialer). På en väderkarta är den högsta barometriska nivån (högtryck) markerad med ett "+"-tecken och den lägsta nivån med ett "-"-tecken.

Nivåerna kommer att justeras i pilens riktning. Vinden kommer att blåsa i riktning mot området med den lägsta barometriska nivån. När trycket utjämnas stannar luftrörelsen. Således kommer flödet av elektrisk ström att stoppa om de elektriska potentialerna utjämnas.

Under ett åskväder sker en utjämning av elektriska potentialer mellan molnen och marken eller mellan molnen. Visas i form av blixtar.

Det finns också en potentialskillnad mellan terminalerna (polerna) på varje galvanisk cell eller batteri. Därför, om du fäster till exempel en glödlampa på den, kommer ström att flyta genom den. Med tiden minskar potentialskillnaden (potentialutjämning sker) och mängden ström som flyter minskar också.

Om du kopplar in en glödlampa till elnätet kommer det också att flyta en elektrisk ström genom den, eftersom det finns en potentialskillnad mellan uttagen i uttaget. Men till skillnad från en galvanisk cell eller batteri bibehålls denna potentialskillnad konstant - så länge som kraftverket är igång.

Elektrisk energi

Det finns ett nära samband mellan elektrisk spänning och ström. Mängden elektrisk effekt beror på mängden spänning och ström. Låt oss förklara detta med följande exempel.

Körsbär faller från låg höjd: Låg höjd - lätt spänning. Låg slagkraft — låg elektrisk effekt.

En kokosnöt faller från liten höjd (i förhållande till var pojken klättrade): Stort föremål - stor ström. Låg höjd — låg stress. Relativt hög slagkraft — relativt hög effekt.

En liten blomkruka faller från stor höjd: Ett litet föremål är en liten ström. Fallhöjden är stor stress. Hög slagkraft — hög effekt.

Lavin som faller från stor höjd: Stora snömassor — en stor ström. Fallhöjden är stor stress. Den stora destruktiva kraften hos en lavin är stor elektrisk kraft.

Vid hög ström och hög spänning erhålls stor elektrisk effekt.Men samma effekt kan erhållas med högre ström och motsvarande lägre spänning eller omvänt med lägre ström och högre spänning.

Likström elektrisk effekt är lika med produkten av spänningen och strömvärdena. Elektrisk effekt uttrycks i watt och betecknas med bokstäverna W.

Det har redan sagts att ett vattenflöde av en viss storlek kan driva en kvarn, två gånger flödet - två kvarnar, fyra gånger flödet - fyra kvarnar etc., trots att vattenfallet (spänningen) blir detsamma .

Figuren visar ett litet vattenflöde (motsvarande en elektrisk ström) som vrider på hjulen på fyra kvarnar på grund av att vattenfallet (motsvarande en elektrisk spänning) är tillräckligt stort.

Hjulen på dessa fyra kvarnar kan snurra med dubbelt så mycket vatten vid halva fallhöjden. Då skulle kvarnarna ordnas lite annorlunda, men resultatet skulle bli detsamma.

Följande bild visar två lampor parallellkopplade till ett 110V belysningsnätverk. En ström på 1 A flyter genom var och en av dem. Strömmen som flyter genom de två lamporna är totalt 2 ampere.

Produkten av spännings- och strömvärdena bestämmer den effekt som dessa lampor förbrukar från nätverket.

110V x 2a = 220W.

Om spänningen på belysningsnätverket är 220 V, måste samma lampor anslutas i serie, inte parallellt (som det var i föregående exempel), så att summan av spänningsfallet på dem är lika med spänningen på nätverk. Strömmen som flyter i detta fall genom de två lamporna är 1 A.

Produkten av värdena för spänningen och strömmen som flyter genom kretsen kommer att ge oss den effekt som förbrukas av dessa lampor 220 V x 1a = 220 W, det vill säga samma som i det första fallet.Detta är förståeligt, eftersom i det andra fallet är strömmen som tas från nätverket två gånger mindre, men två gånger spänningen i nätverket.

Watt, kilowatt, kilowattimme

Varje elektrisk anordning eller maskin (klocka, glödlampa, elmotor, etc.) förbrukar en viss mängd elektrisk energi från belysningsnätverket.

Speciella enheter som kallas wattmätare används för att mäta elektrisk effekt.

Effekten av till exempel en belysningslampa, en elmotor etc. kan bestämmas utan hjälp av en wattmätare, om nätspänningen och mängden ström som går genom förbrukaren av elektrisk energi ansluten till elnätet är känd.

På liknande sätt, om nätströmförbrukningen och nätspänningen är kända, kan mängden ström som flyter genom konsumenten bestämmas.

Till exempel inkluderar ett 110-volts belysningsnätverk en 50-watts lampa. Vilken ström flyter genom den?

Eftersom produkten av spänningen uttryckt i volt och strömmen uttryckt i ampere är lika med effekten uttryckt i watt (för likström), så efter att ha gjort den omvända beräkningen, det vill säga dela antalet watt med antalet volt ( nätspänning), får vi mängden ström i ampere som flyter genom lampan,

a = w/b,

strömmen är 50 W / 110 V = 0,45 A (ca).

Således flyter en ström på cirka 0,45 A genom lampan, som förbrukar 50 W energi och är ansluten till ett 110 V elnät.

Om en ljuskrona med fyra 50-watts glödlampor, en bordslampa med en 100-watts glödlampa och ett 300-watts strykjärn ingår i rummets belysningsnätverk, är effekten hos alla energikonsumenter 50 W x 4 + 100 W + 300 W = 600 W.

Eftersom nätspänningen är 220 V, strömmar en elektrisk ström lika med 600 W / 220 V = 2,7 A (ungefär) genom de vanliga belysningskablarna som är lämpliga för detta rum.

Låt elmotorn förbruka 5000 watt effekt från nätverket, eller, som man säger, 5 kilowatt.

1000 watt = 1 kilowatt, precis som 1000 gram = 1 kilogram. Kilowatt förkortas kW. Därför kan vi säga om elmotorn att den förbrukar en effekt på 5 kW.

För att bestämma hur mycket energi som förbrukas av någon elektrisk anordning är det nödvändigt att ta hänsyn till hur lång tid den energin förbrukades.

Om en 10-watts glödlampa lyser i två timmar, är den elektriska energiförbrukningen 100 watt x 2 timmar = 200 watt-timmar eller 0,2 kilowattimmar. Om en 100-watts glödlampa lyser i 10 timmar, är mängden energi som förbrukas 100 watt x 10 timmar = 1000 watt-timmar eller 1 kilowattimme. Kilowattimmar förkortas kWh.

Det finns många fler intressanta saker i den här boken, men även dessa exempel visar hur ansvarsfullt och uppriktigt dåtidens författare tog sig an sitt arbete, särskilt när det gällde att undervisa barn.