Om elektrisk strøm, spenning og kraft fra en sovjetisk barnebok: enkelt og oversiktlig

I Sovjetunionen, som oppnådde svært alvorlige suksesser i utviklingen av vitenskap og teknologi, ble radioamatørbevegelsen utbredt. Mange tusen unge borgere har studert radioteknikk under veiledning av instruktører i radiokretser og radioklubber som har spesiell teknisk litteratur, verktøy og instrumenter. Mange av dem ble i fremtiden kvalifiserte ingeniører, designere, forskere.

Populærvitenskapelig litteratur ble publisert for slike radiokretser, der ulike problemstillinger innen fysikk, mekanikk, elektroteknikk og elektronikk ble forklart i enkelt språk med et stort antall illustrasjoner.

Et av eksemplene på slike bøker er Cheslov Klimchevskys bok "The Alphabet of a Radio Amateur", utgitt av forlaget "Svyazizdat" i 1962. Den første delen av boken heter "Electrical Engineering", den andre delen er "Radio". Engineering", den tredje er "Praktiske råd". , den fjerde delen — «Vi installerer oss selv».

Selve boken kan lastes ned her: Amatørradioalfabetet (vill)

Denne typen bøker på 1960-tallet tilhørte ikke høyspesialisert litteratur.De ble gitt ut i opplag på titusenvis av eksemplarer og var beregnet på en masseleser.

Raz-radioen ble brukt så fullstendig i folks daglige liv, så på den tiden ble det antatt at du ikke bare kunne begrenses av muligheten til å vri på knottene. Og enhver utdannet person bør studere radio for å forstå hvordan radiooverføring og radiomottak utføres, for å bli kjent med de grunnleggende elektriske og magnetiske fenomenene som er nøkkelen til teorien om radioteknikk. Det er også nødvendig, generelt sett, å bli kjent med systemene og designen til mottaksenheter.

La oss se sammen og bedømme hvordan de på den tiden visste hvordan de skulle forklare komplekse ting med enkle bilder.

En nybegynner radioamatør av vår tid:

Om elektrisk strøm

Alle stoffer i verden og følgelig alle gjenstander rundt oss, fjell, hav, luft, planter, dyr, mennesker, består av umåtelig små partikler, molekyler, og sistnevnte på sin side av atomer. Et stykke jern, en dråpe vann, en ubetydelig mengde oksygen, er en ansamling av milliarder av atomer, en type i jern, en annen i vann eller oksygen.

Hvis du ser på skogen på avstand, ser den ut som en mørk stripe som er ett stykke (sammenlign det for eksempel med et jernstykke). Når de nærmer seg kanten av skogen, kan individuelle trær sees (i et stykke jern - jernatomer). En skog består av trær; på samme måte består et stoff (som jern) av atomer.

I en barskog er trærne annerledes enn i en løvskog; på samme måte er molekylene til hvert kjemisk element sammensatt av atomer som er forskjellige fra molekylene til andre kjemiske elementer. Så jernatomer er forskjellige fra for eksempel oksygenatomer.

Når vi nærmer oss trærne enda nærmere ser vi at hver av dem består av en stamme og blader. På samme måte består stoffets atomer av de såkalte Kjerne (stamme) og elektroner (ark).

Stammen er tung og kjernen er tung; det representerer den positive elektriske ladningen (+) til atomet. Blader er lette og elektroner er lette; de danner en negativ elektrisk ladning (-) på atomet.

Ulike trær har stammer med forskjellig antall grener og antallet blader er ikke det samme. Likeledes består et atom, avhengig av det kjemiske elementet det representerer, (i sin enkleste form) av en kjerne (stamme) med flere positive ladninger — de såkalte protonene (grenene) og en rekke negative ladninger — elektroner (ark).

I skogen, på bakken mellom trærne, samler det seg mange nedfallne løv. Vinden løfter disse bladene fra bakken og de sirkulerer blant trærne. Så i et stoff (for eksempel et metall) blant individuelle atomer er det en viss mengde frie elektroner som ikke tilhører noen av atomene; disse elektronene beveger seg tilfeldig mellom atomene.

Hvis du kobler ledningene som kommer fra et elektrisk batteri til endene av et metallstykke (for eksempel en stålkrok): koble den ene enden av den til pluss på batteriet - ta med det såkalte positive elektriske potensialet (+) til den, og den andre enden til batteriets minus — ta med negativt elektrisk potensial (-), så vil de frie elektronene (negative ladninger) begynne å bevege seg mellom atomene inne i metallet og skynde seg til den positive siden av batteriet.

Dette forklares av følgende egenskap ved elektriske ladninger: motsatte ladninger, det vil si positive og negative ladninger tiltrekker hverandre; som ladninger, det vil si positive eller negative, tvert imot, frastøter hverandre.

Frie elektroner (negative ladninger) i metallet tiltrekkes til den positivt ladede (+) polen til batteriet (strømkilden) og beveger seg derfor i metallet ikke lenger tilfeldig, men til plusssiden av strømkilden.

Som vi allerede vet, er et elektron en elektrisk ladning. Et stort antall elektroner som beveger seg i én retning inne i metallet utgjør elektronstrømmen, dvs. elektriske ladninger. Disse elektriske ladningene (elektronene) som beveger seg i metallet danner en elektrisk strøm.

Som allerede nevnt beveger elektroner seg langs ledninger fra minus til pluss. Imidlertid ble vi enige om å vurdere at strømmen flyter i motsatt retning: fra pluss til minus, det vil si som om ikke negativ, men positive ladninger beveger seg langs ledningene (slike positive ladninger vil bli tiltrukket av minus av strømkilden) .

Jo flere blader i skogen som drives av vinden, jo tykkere fyller de luften; likeledes, jo flere ladninger som strømmer i metallet, jo større er mengden elektrisk strøm.

Ikke alle stoffer kan bære en elektrisk strøm med samme letthet. Frie elektroner beveger seg lett, for eksempel i metaller.

Materialer der elektriske ladninger beveger seg lett kalles ledere av elektrisk strøm. Noen materialer, kalt isolatorer, har ingen frie elektroner og derfor flyter ingen elektrisk strøm gjennom isolatorene. Isolatorer inkluderer blant annet glass, porselen, glimmer, plast.

De frie elektronene som finnes i et stoff som leder en elektrisk strøm kan også sammenlignes med vanndråper.

Individuelle dråper i hvile skaper ikke vannstrøm. Et stort antall av dem i bevegelse danner en bekk eller elv som renner i én retning. Vanndråpene i denne bekken eller elven beveger seg i en strøm hvis kraft er større, jo større er forskjellen i nivåene til kanalen langs dens bane, og derfor større er forskjellen i individets "potensiale" (høyder) individuelle segmenter av denne banen.

Størrelsen på den elektriske strømmen

For å forstå fenomenene forårsaket av elektrisk strøm, sammenligne det med vannstrømmen. Små vannmengder renner i bekker, mens store vannmasser renner i elver.

Anta at verdien av vannføring i bekken er lik 1; La oss ta strømningsverdien i elva for eksempel som 10. Til slutt, for en kraftig elv er vannføringsverdien for eksempel 100, det vil si hundre ganger verdien av strømmen i bekken.

En svak vannstrøm kan drive hjulet til bare én mølle. Vi tar verdien av denne strømmen lik 1.

To ganger vannstrømmen kan drive to av disse møllene. I dette tilfellet er vannføringsverdien lik 2.

Fem ganger vannstrømmen kan drive fem identiske møller; verdien av vannføringen er nå 5. Strømningen av vannføringen i elva kan observeres; elektrisk strøm flyter gjennom ledninger som er usynlige for øynene våre.

Følgende figur viser en elektrisk motor (elektrisk motor) drevet av elektrisk strøm. La oss i dette tilfellet ta verdien av elektrisk strøm lik 1.

Når en elektrisk strøm driver to slike elektriske motorer, vil mengden strøm som strømmer gjennom hovedledningen være dobbelt så stor, det vil si lik 2.Til slutt, når en elektrisk strøm mater fem av de samme elektriske motorene, er strømmen på hovedledningen fem ganger høyere enn i det første tilfellet; derfor er dens størrelse 5.

En praktisk enhet for å måle mengden av strømning av vann eller annen væske (det vil si mengden av den som strømmer per tidsenhet, for eksempel per sekund, gjennom tverrsnittet av en elveleie, rør, etc.) er liter per sekund.

For å måle størrelsen på den elektriske strømmen, det vil si mengden ladninger som strømmer gjennom ledningens tverrsnitt per tidsenhet, tas amperen som en praktisk enhet.Dermed bestemmes størrelsen på den elektriske strømmen i ampere. Den forkortede amperen er angitt med bokstaven a.

Kilden til elektrisk strøm kan for eksempel være et galvanisk batteri eller en elektrisk akkumulator.

Størrelsen på batteriet eller akkumulatoren bestemmer mengden elektrisk strøm de kan gi og varigheten av deres handling.

For å måle størrelsen på elektrisk strøm i elektroteknikk, bruk spesielle enheter, amperemeter (A). Ulike elektriske enheter bærer forskjellige mengder elektrisk strøm.

Spenning

Den andre elektriske størrelsen som er nært knyttet til strømmens størrelse er spenning. For lettere å forstå hva spenningen til en elektrisk strøm er, la oss sammenligne den med forskjellen i nivåene til kanalen (fallet av vannet i elven), akkurat som vi sammenlignet den elektriske strømmen med vannstrømmen. Med en liten forskjell i kanalnivåer tar vi forskjellen lik 1.

Hvis forskjellen i kanalnivåer er mer signifikant, er vannfallet tilsvarende større. Anta for eksempel at det er lik 10, det vil si ti ganger mer enn i det første tilfellet.Til slutt, med en enda større forskjell i vannfallsnivåer, er den for eksempel 100.

Hvis vannstrømmen faller fra en liten høyde, kan den bare drive en mølle. I dette tilfellet tar vi en dråpe vann lik 1.

Den samme bekken som faller fra to ganger høyden kan snu hjulene til to like møller. I dette tilfellet er vanndråpen lik 2.

Hvis forskjellen i kanalnivåer er fem ganger større, driver den samme strømmen fem slike møller. Vanndråpen er 5.

Lignende fenomener observeres når man vurderer elektrisk spenning. Det er nok å erstatte begrepet «vanndråpe» med begrepet «elektrisk spenning» for å forstå hva det betyr i de følgende eksemplene.

La bare én lampe brenne. Anta at det påføres en spenning lik 2.

For at fem slike pærer koblet på samme måte skal brenne, må spenningen være lik 10.

Når to identiske pærer koblet i serie med hverandre tennes (som pærer vanligvis kobles i juletrekranser), er spenningen 4.

I alle de vurderte tilfellene går en elektrisk strøm av samme størrelse gjennom hver pære og den samme spenningen påføres hver av dem, som er en del av den totale spenningen (batterispenningen), som er forskjellig i hvert enkelt eksempel.

La elva renne ut i innsjøen. Betinget vil vi ta vannstanden i innsjøen som 0. Da er nivået på elveløpet nær det andre treet i forhold til vannstanden i innsjøen lik 1 m, og nivået på elveløpet nær det tredje. treet blir 2 m. Nivået på kanalen nær det tredje treet er 1 m høyere enn nivået nær det andre treet, dvs. mellom disse trærne er lik 1 m.

Forskjellen i kanalnivåer måles i lengdeenheter, for eksempel, som vi gjorde, i meter. I elektroteknikk tilsvarer nivået av elveleiet på ethvert punkt i forhold til et visst nullnivå (i vårt eksempel vannstanden i innsjøen) et elektrisk potensial.

Forskjellen i elektrisk potensial kalles spenning. Elektrisk potensial og spenning måles med samme enhet - volten, forkortet med bokstaven c. Enheten for å måle elektrisk spenning er således volt.

Spesielle måleapparater kalt voltmetre (V) brukes til å måle elektrisk spenning.

En slik kilde til elektrisk strøm som et batteri er viden kjent. En celle i det såkalte blybatteriet (hvor blyplatene er nedsenket i en vandig løsning av svovelsyre) når den er ladet, har en spenning på ca. 2 volt.

Et anodebatteri, som brukes til å drive batteriradioer med elektrisk strøm, består vanligvis av flere dusin tørre galvaniske celler, hver med en spenning på omtrent 1,5 V.

Disse elementene er koblet sekvensielt (det vil si at plusset til det første elementet er koblet til minus til det andre, pluss til det andre - til minus til det tredje, etc.). I dette tilfellet er den totale spenningen til batteriet lik summen av spenningene til cellene som det er sammensatt av.

Derfor inneholder et 150 V-batteri 100 slike celler koblet i serie med hverandre.

I stikkontakten til belysningsnettverket med en spenning på 220 V kan du koble til en glødepære designet for en spenning på 220 V eller 22 identiske juletrelys koblet i serie, som hver er designet for en spenning på 10 V.I dette tilfellet vil hver pære bare ha 1/22 av linjespenningen, det vil si 10 volt.

Spenningen som virker på en bestemt elektrisk enhet, i vårt tilfelle en lyspære, kalles spenningsfallet. Hvis en 220 V-pære bruker samme strøm som en 10 V-pære, vil den totale strømmen som trekkes fra nettverket av kransen være den samme i størrelse som strømmen som flyter gjennom 220 V-pæren.

Av det som er sagt er det klart at for eksempel to like 110-volts pærer kan kobles til et 220 V-nett, seriekoblet med hverandre.

Det er mulig å varme opp radiorør designet for en spenning på 6,3 V, for eksempel fra et batteri som består av tre celler koblet i serie; lamper som er designet for en glødetrådspenning på 2 V kan drives av en enkelt celle.

Glødetrådspenningen til radioelektriske rør er angitt i avrundet form i begynnelsen av lampesymbolet: 1,2 V — med tallet 1; 4,4 tommer - nummer 4; 6,3 tommer - nummer 6; 5 c - nummer 5.

For årsaken som forårsaker elektrisk strøm

Hvis to områder av jordoverflaten, selv langt fra hverandre, ligger på forskjellige nivåer, kan vannstrøm oppstå. Vannet vil strømme fra det høyeste punktet til det laveste.

Det samme er elektrisk strøm. Det kan flyte bare hvis det er en forskjell i elektriske nivåer (potensialer). På et værkart er det høyeste barometriske nivået (høytrykk) markert med et "+"-tegn og det laveste nivået med et "-"-tegn.

Nivåene vil bli justert i pilens retning. Vinden vil blåse i retning av området med det laveste barometriske nivået. Når trykket utjevner, vil luftbevegelsen stoppe. Dermed vil strømmen av elektrisk strøm stoppe hvis de elektriske potensialene utjevnes.

Under et tordenvær skjer det en utjevning av elektriske potensialer mellom skyene og bakken eller mellom skyene. Vises i form av lyn.

Det er også en potensialforskjell mellom terminalene (polene) til hver galvanisk celle eller batteri. Derfor, hvis du fester for eksempel en lyspære til den, vil strøm flyte gjennom den. Over tid avtar potensialforskjellen (potensialutjevning skjer) og mengden strøm som flyter avtar også.

Hvis du kobler en lyspære til strømnettet, vil det også strømme en elektrisk strøm gjennom den, da det er en potensiell forskjell mellom stikkontaktene. Imidlertid, i motsetning til en galvanisk celle eller batteri, opprettholdes denne potensielle forskjellen konstant - så lenge kraftverket er i gang.

Elektrisk energi

Det er en nær sammenheng mellom elektrisk spenning og strøm. Mengden elektrisk kraft avhenger av mengden spenning og strøm. La oss forklare dette med følgende eksempler.

Kirsebær faller fra lav høyde: Lav høyde - lett spenning. Lav slagkraft — lav elektrisk kraft.

En kokosnøtt faller fra liten høyde (i forhold til hvor gutten klatret): Stor gjenstand - stor strøm. Lav høyde - lavt stress. Relativt høy slagkraft - relativt høy effekt.

En liten blomsterpotte faller fra stor høyde: En liten gjenstand er en liten strøm. Den store fallhøyden er stort stress. Høy slagkraft - høy kraft.

Skred fra stor høyde: Store snømasser — en stor strøm. Den store fallhøyden er stort stress. Den store ødeleggende kraften til et snøskred er stor elektrisk kraft.

Ved høy strøm og høy spenning oppnås stor elektrisk effekt.Men samme effekt kan oppnås med høyere strøm og tilsvarende lavere spenning eller omvendt med lavere strøm og høyere spenning.

Likestrøms elektrisk effekt er lik produktet av spennings- og strømverdiene. Elektrisk effekt er uttrykt i watt og er merket med bokstavene W.

Det er allerede sagt at en vannstrøm av en viss størrelse kan drive en mølle, dobbelt så stor - to møller, fire ganger strømmen - fire møller osv., til tross for at vannfallet (spenningen) vil være det samme .

Figuren viser en liten vannstrøm (tilsvarende en elektrisk strøm) som snur hjulene til fire møller på grunn av at vanndråpen (tilsvarende en elektrisk spenning) er stor nok.

Hjulene til disse fire møllene kan dreie med dobbelt så mye vann ved halve fallhøyden. Da ville møllene blitt ordnet litt annerledes, men resultatet ville bli det samme.

Følgende figur viser to lamper koblet parallelt til et 110V belysningsnettverk. Gjennom hver av dem går en strøm på 1 A. Strømmen som går gjennom de to lampene er totalt 2 ampere.

Produktet av spennings- og strømverdiene bestemmer kraften som disse lampene bruker fra nettverket.

110V x 2a = 220W.

Hvis spenningen til belysningsnettverket er 220 V, må de samme lampene kobles i serie, ikke parallelt (som det var i forrige eksempel), slik at summen av spenningsfallet på dem er lik spenningen til Nettverk. Strømmen som flyter i dette tilfellet gjennom de to lampene er 1 A.

Produktet av verdiene til spenningen og strømmen som strømmer gjennom kretsen vil gi oss effekten som forbrukes av disse lampene 220 V x 1a = 220 W, det vil si det samme som i det første tilfellet.Dette er forståelig, siden i det andre tilfellet er strømmen tatt fra nettverket to ganger mindre, men to ganger spenningen i nettverket.

Watt, kilowatt, kilowattime

Enhver elektrisk enhet eller maskin (klokke, lyspære, elektrisk motor, etc.) bruker en viss mengde elektrisk energi fra belysningsnettverket.

Spesielle enheter kalt wattmålere brukes til å måle elektrisk effekt.

Effekten til for eksempel en belysningslampe, en elektrisk motor osv. kan bestemmes uten hjelp av et wattmeter, hvis nettspenningen og mengden strøm som går gjennom forbrukeren av elektrisk energi koblet til strømnettet er kjent.

På samme måte, hvis strømforbruket og nettspenningen er kjent, kan mengden strøm som flyter gjennom forbrukeren bestemmes.

For eksempel inkluderer et 110-volts belysningsnettverk en 50-watts lampe. Hvilken strøm går gjennom den?

Siden produktet av spenningen uttrykt i volt og strømmen uttrykt i ampere er lik effekten uttrykt i watt (for likestrøm), så etter å ha gjort den omvendte beregningen, det vil si å dele antall watt med antall volt ( nettspenning), får vi mengden strøm i ampere som strømmer gjennom lampen,

a = w / b,

strømmen er 50 W / 110 V = 0,45 A (ca.).

Dermed strømmer en strøm på omtrent 0,45 A gjennom lampen, som bruker 50 W energi og er koblet til et 110 V elektrisk nettverk.

Hvis en lysekrone med fire 50-watts pærer, en bordlampe med en 100-watts pære og et 300-watts strykejern er inkludert i belysningsnettverket i rommet, er effekten til alle energiforbrukere 50 W x 4 + 100 W + 300 W = 600 W.

Siden nettspenningen er 220 V, strømmer en elektrisk strøm lik 600 W / 220 V = 2,7 A (omtrent) gjennom de vanlige belysningsledningene som passer for dette rommet.

La den elektriske motoren forbruke 5000 watt strøm fra nettverket, eller, som de sier, 5 kilowatt.

1000 watt = 1 kilowatt, akkurat som 1000 gram = 1 kilogram. Kilowatt er forkortet til kW. Derfor kan vi si om den elektriske motoren at den bruker en effekt på 5 kW.

For å bestemme hvor mye energi som forbrukes av en elektrisk enhet, er det nødvendig å ta hensyn til hvor lang tid denne energien ble forbrukt.

Hvis en 10-watts lyspære er på i to timer, er det elektriske energiforbruket 100 watt x 2 timer = 200 watt-timer eller 0,2 kilowatt-timer. Hvis en 100-watts lyspære er på i 10 timer, er mengden energi som forbrukes 100 watt x 10 timer = 1000 watt-timer eller 1 kilowatt-time. Kilowatttimer er forkortet til kWh.

Det er mange flere interessante ting i denne boken, men selv disse eksemplene viser hvor ansvarlig og oppriktig forfatterne på den tiden gikk til arbeidet sitt, spesielt når det gjaldt å undervise barn.