В данной недлинной статье попробую на пальцах разъяснить базы электротехники. Для тех, кто не соображает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неблагопристойно.
1. Что такое электрический ток.
"Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все резвее и резвее побежал по проводам" (с)
1.1 Пара общих слов по физике вопроса
Электрический ток — это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и чуть-чуть ионы. Ионы — это атомы, которые утратили либо заполучили один либо несколько электронов и потому утратили электрическую нейтральность, заполучили электрический заряд. Так атом электрически нейтрален — заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки. Ионы обычно являются переносчиком заряда в электролитах, в железных проводах носителями являются электроны. Металлы отлично проводят ток, так как некоторые электроны могут перескакивать от 1-го атому к другому. В непроводящих материалах электроны привязаны к собственному атому и передвигаться не могут. (Напомню, данная статья — это разъяснение физики на пальцах! Подробнее находить по "электронная теория проводимости").
Будем рассматривать ток в железных проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике и воды в водопроводной трубе. (На исходном шаге электричество так и считали особенной жидкостью.) Как через стены трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, так как положительно заряженные ядра атомов притянут их назад. Электроны могут передвигаться исключительно в снутри проводника.
1.2 Создание электрического тока.
Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что залить воду в кусочек трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет. В кусочке проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-либо сдвинутся на право, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их назад. Потому электроны могут только прыгать от 1-го атома к другому и назад. Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом вынудить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить вместе, тогда и электроны сумеют передвигаться вдоль проводника, если их вынудить. Если концы проводника соединены вместе, то выходит замкнутая цепь. Неизменный ток может идти исключительно в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Дабы вынудить воду течь по трубе применяется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем делает электрический ток. По научному батарейка именуется генератором. Так в электротехнике именуют насос для сотворения электрического тока.
Бывают два типа генераторов — генератор напряжения и генератор тока.
Это базовая вещь по сути, направьте внимание! См. набросок ниже
рис 1. Генератор напряжения величиной U
рис 2. Генератор тока величиной I
На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней — генератор тока. Насос -генератор напряжения делает неизменное давление, насос-генератор тока делает неизменный поток. Верхняя цепь разомкнута, и нижняя — замкнута. Разглядим, какими качествами обладает генератор напряжения. Представим следующую цепь
рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1
В определениях водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий неизменное давление, выключатель SW1 — это клапан, открывающий\перекрывающий трубу, сопротивление R1 — это кран\вентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть — сопротивление возрастет, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше — сопротивление уменьшится, поток воды возрастет. Вроде все интуитивно понятно. Сейчас представим, что мы открываем кран все в большей и большей степени. Тогда поток воды будет возрастать и возрастать. При всем этом генератор напряжения по определению поддерживает напряжение (давление) неизменным, независимо от величины потока! Если кран открыть на сто процентов и сопротивление станет равно 0, то поток станет равным бесконечности. При всем этом генератор все равно будет выдавать напряжение равное U! Естественно все это происходит в безупречной модели, когда мощность генератора нескончаема. Реальные генераторы (батарейки либо батареи) приблизительно соответствуют этой модели в определенном спектре напряжений и токов.
Разглядим сейчас цепь с генератором тока.
рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2
Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, несмотря на величину сопротивления (как открыт кран). Открыт кран стопроцентно — ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран на сто процентов — ток все равно будет равен I! Но при всем этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Снова таки в модели.
Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники — Закон Ома. ( "С красной строчки. Подчеркни" (с))
2. Закон Ома.
Поначалу c точки зрения генератора напряжения
Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R Сейчас исходя из убеждений генератора тока
Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R
Вот как-то нужно этот момент понять. Эти две формулировки совсем равноправны и использование их зависит только от того, какой генератор рассматривается. Можно естественно еще записать R=U/I. Что-то вроде — если к участку цепи приложено напряжение U, и при всем этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R. Далее по отличному нужно рассматривать варианты цепей с параллельным либо последовательным включением резисторов, но неохота. Это чисто аспекты технического направления. Что-то вроде
рис 5. Последовательное включение резисторов
Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I. Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2?
Используйте закон Ома и все!
Эта цепь кстати с генератором тока, так как входная переменная тут ток. Ну другими словами самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается неизменным и равным I. Потому вроде бы этот ток гонит генератор тока.
Еще — молвят "падение напряжения на резисторе", так как "производит" напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.
Хотя пару принципиальных практических случаев все же разглядим.
1. Важнейшая схема.
Важнейшая схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело повсевременно в протяжении всей жизни — это делитель напряжения.
( "С красной строчки. Подчеркни" (с))
3. Делитель напряжения
Схема имеет вид.
рис 6. Делитель напряжения
Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно вместе.
Кстати, резистором именуется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) нередко именуют сопротивлением. Выходит малость тавтология — сопротивление имеет сопротивление R. Потому для деталей лучше применять название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, к примеру.
Итак вот. Что все-таки делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При всем этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким макаром U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
Другими словами эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем сейчас, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).
Пример рисунки из веба. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится напополам.
2-ой принципиальный случай — учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)
рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.
Безупречный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, другими словами при нулевом сопротивлении наружной цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить нескончаемый ток не может. Потому при замыкании наружной цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буковкой r.
Кстати, верный метод проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут дать. Другими словами на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А либо больше гласит о том, что батарейка свежайшая. Если ток меньше 0.5А, то можно выбрасывать. Либо испытать в стенных часах, может сколько-то проработает.
Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при всем этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема создана для измерения напряжения U, то она будет лгать!
В следующих статьях планируется разглядеть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Потом диоды, транзисторы и операционные усилители.
Что такое напряжение
Что такое напряжение в электронике и электротехнике? Как его можно трактовать? Обо всем этом мы как раз и побеседуем в нашей статье.
Напряжение исходя из убеждений гидравлики
Все вы лицезрели и представляете, как смотрится водонапорная башня либо просто водобашня. Грубо говоря, это большой высочайший «бокал», заполненный водой.
Итак вот, представим для себя, что башня доверху заполнена водой. Выходит, на этот момент на деньке башни ого-го какое давление!
А что, если слить из башни воду хотя бы наполовину? Давление на дно башни уменьшится в два раза. А давайте-ка нальем в пустую башню одно ведро воды! Давление на дно башни будет маленькое.
Представьте такую ситуацию. У нас есть водонос, а шланг мы закупорили пробкой.
Вода как бы готова бежать, но бежать то некуда! Пробка туго закупоривает шланг. Но на саму пробку на данный момент оказывается давление, которое делает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет большая, то пробка вылетит со скоростью пули, либо давление разорвет шланг, если пробка туго посиживает в шланге. В этом случае давление создается при помощи насоса. Другими словами можно сказать, что это модель башни с водой в горизонтальном положении.
Все то же самое можно сказать и про водобашню. Тут давление на дно создается уже гравитационной силой. Как я уже рассказывал, давление на деньке башни находится в зависимости от того, сколько воды в башне на этот момент. Если башня заполнена водой под завязку, то и давление на деньке башни будет огромное, и напротив.
А сейчас представьте для себя какое давление на деньке океана, в особенности в Марианской впадине! Что можно сказать про давление в этих 2-ух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте и никуда не двигаются. Запомните этот момент. Давление есть, а движухи — нет.
Электрическое напряжение
Это давление на дно и есть то самое напряжение (по аналогии с гидравликой). В этом случае, дно башни – это ноль, исходный уровень отсчёта. За исходный уровень отсчёта в электронике берут вывод батарейки либо аккума со знаком «минус». Можно даже сказать, что уровень «воды в башне» у 12-вольтового авто аккума выше, чем уровень воды 1,5 Вольтовой пальчиковой батарейки.
Итак вот, по аналогии с электроникой, это давление именуется напряжением. К примеру, вы, наверняка, не раз слышали такое выражение, типа «блок питания может выдать от 0 и до 30 Вольт». Либо говоря детским языком, сделать «электрическое давление» на собственных клеммах (отметил на рисунке) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.
Электрическое напряжение — это еще не означает, что в электрической цепи течет электрический ток. Для того, дабы появился электрический ток, электроны должны двигаться в одном направлении, а они на этот момент глупо стоят на месте. А раз нет движения электронов, то и нет электрического тока.
Исходя из убеждений электроники, на одном щупе блока питания есть давление, а на другом его нет. Другими словами это земля, на которой стоит башня, если провести аналогию с гидравликой. Потому, положительный щуп блока питания ну и вообщем всех устройств стараются выполнить красным, дескать типа берегитесь, тут высочайшее давление! А отрицательный щуп — черным либо синим.
В электронике, дабы указать, на каком выводе больше » электрическое давление», а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе лишнее «давление», а на минусе — ноль.
Потому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но впрямую этого делать очень не рекомендуется, так как это уже будет называться маленьким замыканием.
Формула напряжения
В физике есть формула, хотя практического использования она не имеет. Официальная формула записывается так.
A — это работа электрического поля по перемещению заряда по участку цепи, Джоули
U — напряжение на участке электрической цепи, Вольты
На практике напряжение на участке цепи выводится через закон Ома.
Напряжение тока — что это значит?
Этот термин очень нередко можно услышать в разговорной речи. Ток, в этом случае, это электрический ток. Выходит, напряжение тока — это напряжение электрического тока. Просто у нас так уменьшают. Как я уже рассказывал выше, ток бывает переменным и неизменным. Неизменный ток и неизменное напряжение — это синонимы, как и переменный ток и переменное напряжение. Выходит фраза «напряжение тока» гласит нам о том, какое напряжение между 2-мя точками либо проводами в электрической цепи.
К примеру, на вопрос «какое напряжение тока в розетке» вы сможете смело ответить: переменный ток 220 Вольт», а на вопрос «какое напряжение тока тока у авто аккума», вы сможете ответить «12 Вольт неизменного тока». Так что не стоит пугаться).
Неизменное и переменное напряжение
Напряжение бывает бывает неизменным и переменным. В разговорной речи нередко можно услышать «неизменный ток» и «переменный ток. Неизменный ток и неизменное напряжение — это синонимы, то же что и переменный ток и переменное напряжение.
На примере выше мы с вами разглядели неизменное напряжение. Другими словами давление воды на дно башни в течение времени повсевременно. Пока в башне есть вода, она оказывает давление на дно башни. Как бы все тривиально и просто. Но какое же напряжение именуют переменным?
Все обожают качаться на качелях:
Поначалу вы летите в одном направлении, позже происходит торможение, а позже уже летите назад спиной и весь процесс опять повторяется. Переменное напряжение ведёт себя точно так же. Поначалу «электрическое давление» давит в одну сторону, позже происходит процесс торможения, позже оно давит в другую сторону, опять происходит торможение и весь процесс опять повторяется, как на качелях.
Тяжко для осознания? Тогда вот для вас очередной пример из известной книги «1-ые шаги в электронике» Шишкова. Берем замкнутую систему труб с водой и поршень. Поршень у нас находится в движении. Поэтому, молекулы воды у нас отклоняются то в одну сторону:
Так же ведут себя и электроны. В вашей домашней сети 220 В они колеблются 50 раз за секунду. Туда-сюда, туда-сюда. Столько-то колебаний за секунду именуется Герцем. В литературе пишется просто «Гц». Тогда выходит, что колебание напряжения в наших розетках 50 Гц, а в Америке 60 Гц. Это связано со скоростью вращения генератора на электрических станциях. В разговорной речи неизменное напряжение именуют «постоянкой», а переменное — «переменкой».
Осциллограммы неизменного и переменного напряжения
Давайте разглядим, как смотрится переменное и неизменное напряжение на дисплее осциллографа. Как вы понимаете, осциллограф указывает изменение напряжения во времени. Если на щуп осциллографа не подавать никакое напряжение, то на осциллограмме мы увидим ординарную прямую линию на нулевом уровне по оси Y. Ось Y — это значение напряжения, а ось Х — это время.
Давайте подадим неизменное напряжение. Как вы могли увидеть, осциллограмма неизменного напряжения — это также ровная линия, параллельная оси времени. Это гласит нам о том, что со временем значение неизменного напряжение не изменяется, о чем нам еще раз обосновывает осциллограмма.
А вот так смотрится осциллограмма переменного напряжения. Как вы видите, напряжение с течением времени меняет свое значение. То оно больше нуля, то оно меньше нуля.
