Каждая глава этой книги начинается с изображений и кратких описаний инструментов, оборудования, комплектующих и расходных материалов. Более подробные сведения вы можете почерпнуть из главы 6, где собрана информация обо всех необходимых покупках:

• Для приобретения инструментов и оборудования, смотрите раздел главы 6 «Приобретаемые инструменты и оборудование».

• Для поиска компонентов смотрите раздел «Компоненты».

• Для получения сведений о расходных материалах смотрите раздел «Расходные материалы».

• Если вы предпочитаете купить полностью готовый набор комплектующих, которые вам понадобятся, то можете предварительно его заказать. Для более детальной информации смотрите раздел «Наборы».

Инструменты и оборудование, например кусачки или мультиметр, — это те вещи, которые будут нужны вам постоянно. Расходные материалы, такие как провода и припой, будут постепенно тратиться при изготовлении различных устройств, но рекомендованного количества должно быть достаточно для всех экспериментов книги. Комплектующие будут указаны в конкретных разделах и понадобятся при изготовлении описанных там устройств.

 

Мультиметр

Краткий обзор инструментов и оборудования начнем с мультиметра, поскольку я считаю его самым нужным прибором. Он покажет вам, какова величина напряжения между двумя точками схемы, или какой ток проходит через цепь. Он поможет вам найти ошибку при монтаже компонентов, а также определить электрическое сопротивление резистора или емкость конденсатора.

Рис. 1.1. Этот аналоговый измерительный прибор не подходит для наших целей. Вам понадобится цифровой мультиметр

Если вы пока еще новичок в электронике, сказанное может вам показаться непонятным, а мультиметр — сложным и трудным в использовании. Однако это не так. Мультиметр облегчает процесс исследования, поскольку показывает то, что вы не можете увидеть своими глазами.

Прежде чем я объясню, какой измерительный прибор лучше выбрать, скажу, чего не следует приобретать. Не стоит покупать старомодный мультиметр со стрелочным индикатором, изображенный на рис. 1.1. Это аналоговый прибор.

Для экспериментов вам потребуется цифровой мультиметр с индикатором, отображающим значение в виде набора цифр. Чтобы дать представление о существующих приборах такого типа, я приведу четыре примера.

На рис. 1.2 изображен самый дешевый мультиметр, который мне повстречался. Этот измерительный прибор стоит меньше, чем роман в мягкой обложке или шесть банок содовой. Он не способен измерить слишком большое сопротивление или очень малое напряжение, его точность низкая и он не измеряет емкость вообще. Тем не менее, если ваш бюджет очень ограничен, даже такой простейший мультиметр подойдет для экспериментов, описанных в этой книге.

Рис. 1.2. Самый дешевый мультиметр, который мне удалось найти

Прибор, изображенный на рис. 1.3, обеспечивает большую точность и имеет больше возможностей. Этот мультиметр или аналогичный ему подойдет для тех, кто приступает к более основательному изучению электроники.

Прибор, показанный на рис. 1.4, более дорогой, но и более качественный. Эта конкретная модель была снята с производства, но вы можете найти множество подобных ей. Стоимость таких мультиметров в 2-3 раза выше, чем моделей, типа изображенных на рис. 1.3. Extech — известная компания, которая старается поддерживать свои стандарты, невзирая на снижение цен конкурентами.

Рис. 1.3. Мультиметр, сходный с показанным на этом рисунке, является хорошим начальным выбором

Рис. 1.4. Качественный мультиметр по более высокой цене

На рис. 1.5 изображен мультиметр, которым я лично предпочитаю пользоваться (на момент написания данной книги). Этот прибор изготовлен в особо прочном корпусе и имеет все необходимые мне функции, измеряет широкий диапазон значений с великолепной точностью. Но он стоит в 20 раз больше, чем самый дешевый, уцененный товар. Такое приобретение я считаю долгосрочной инвестицией.

Рис. 1.5. Высококачественный измерительный прибор

Как же решить, какой мультиметр покупать? Если вы только учитесь водить машину, то совсем не обязательно сразу покупать очень дорогой автомобиль. Аналогично, пока вы только изучаете электронику, вам не потребуется дорогостоящий мультиметр. С другой стороны, очень дешевый мультиметр имеет ряд недостатков, например, внутренний плавкий предохранитель, который очень трудно заменить, или поворотный переключатель с контактами, которые быстро изнашиваются. Поэтому приведу «золотое» правило на тот счет, если вы хотите приобрести что-то недорогое, но приемлемое.

Совет

Найдите в интернет-магазине eBay самую дешевую модель, затем умножьте эту цену на два и пользуйтесь ею как ориентиром.

Независимо от того, сколько вы намерены потратить, приведенные далее параметры и функциональные возможности прибора являются важными.

 

Диапазон измерений

Мультиметр может измерять так много различных величин, что он должен иметь возможность сужения диапазона измерений. Некоторые мультиметры имеют ручной выбор диапазона, это означает, что вы вращаете поворотный переключатель, чтобы указать приблизительное значение, которое вас интересует. Например, напряжение в пределах от 2 до 20 вольт.

Есть мультиметры, которые обеспечивают автоматический выбор диапазона, что более удобно, поскольку вам остается только подключить устройство и подождать, пока оно выполнит все необходимые операции. Тем не менее, ключевое слово здесь — «подождать». Каждый раз, когда вы проводите измерение мультиметром с автоматическим выбором диапазона, вы ждете несколько секунд, пока он осуществит внутренний анализ. Лично я не люблю ждать и поэтому предпочитаю мультиметры с ручной установкой режимов измерения.

Другая проблема с автоматическим выбором диапазона заключается в том, что вам приходится присматриваться к маленьким буквам на дисплее, где мультиметр сообщает, какие единицы измерения он решил использовать. Например, значения с индексами «К» и «М» при измерении электрического сопротивления различаются в 1000 раз. Это натолкнуло меня на следующую рекомендацию.

Совет

Для первоначального ознакомления лучше использовать мультиметр с ручным выбором диапазона измерений. У вас будет меньше шансов сделать ошибку, да и стоит он несколько дешевле.

В техническом описании мультиметра должно быть объяснено, какой у него способ выбора диапазона: ручной или автоматический; если же это не указано, то посмотрите на фотографию его переключателя режимов. Если вы не видите цифр вокруг переключателя, то это автоматический мультиметр. Устройство, изображенное на рис. 1.4, выполняет автоматический выбор диапазона. Другие мультиметры, приведенные на фотографиях, настраиваются вручную.

 

Величины

По надписям на шкале мультиметра можно определить виды измерений, обеспечиваемые прибором. По меньшей мере, у вашего мультиметра должны быть следующие единицы измерений: вольты, амперы и омы, которые часто сокращают до букв «В», «А» и символа ома — греческой буквы «омега» (рис. 1.6). Сейчас вы можете и не знать, что означают эти символы, но они непременно будут у любого мультиметра.

Ваш мультиметр должен также быть способным измерить ток в миллиамперах (аббревиатура «мА») и напряжение в милливольтах (сокращенно «мВ»). Возможно, вы не сразу распознаете их на шкале мультиметра, но это будет указано в его технических характеристиках.

Рис. 1.6. Три варианта написания греческого символа «омега», обозначающего электрическое сопротивление

Аббревиатуры «DC/АС» означают постоянный и переменный ток. Эти параметры могут быть выбраны кнопкой «DC/АС» или на основной шкале режимов. Наличие кнопки, возможно, более удобно.

Проверка целостности цепи — полезная функция, позволяющая проверить электрическую цепь на нарушение соединения или наличие обрывов. В идеале мультиметр должен подавать звуковой сигнал («прозвонка» цепи), в этом случае будет изображен символ в виде маленькой точки с отходящими от нее дугами (рис. 1.7).

За небольшую дополнительную сумму вы можете приобрести мультиметр, который выполняет следующие измерения (в порядке значимости):

Измерение емкости. Конденсаторы — это компоненты, которые необходимы в большинстве электронных схем. Поскольку обозначение номинала на маленьких по габаритам компонентах, как правило, отсутствует, возможность измерить емкость может быть важной, особенно если конденсаторы перемешались или (хуже) упали на пол. Очень дешевые мультиметры обычно не способны измерять емкость. Если же эта функция присутствует, она обычно отмечена буквой «F», обозначающей фарад — единицу измерения емкости. Также может использоваться аббревиатура САР.

Проверка транзисторов, на возможность которой указывают маленькие отверстия, помеченные буквами Е, В, С и Е. Вы вставляете выводы транзистора в эти отверстия. Мультиметр позволяет определить, как подключать транзистор в схему, и даст ответ на вопрос, не сожгли ли вы его.

Рис. 1.7. Этот символ означает очень полезную функцию «прозвонки» цепи

Определение частоты обозначается символом «Hz» (Гц). Эта функция несущественна для экспериментов из нашей книги, но может пригодиться вам в дальнейшем.

Все остальные функции, кроме указанных ранее, несущественные.

Если вы так и не определились, какой мультиметр приобрести, почитайте описание экспериментов 1, 2, 3 и 4 далее в этой главе и уясните, как пользоваться этим измерительным прибором.

 

Защитные очки

Для эксперимента 2 вам могут понадобиться защитные очки. Для этой небольшой авантюры подойдут недорогие пластиковые очки, поскольку риск разрыва батареи практически отсутствует, но если это и произойдет, то, скорее всего, взрыв будет небольшим.

Вместо защитных подойдут и обычные очки. Во время эксперимента можно смотреть через небольшой кусок прозрачного пластика (отрезанного, например, от пластиковой бутылки).

 

Батареи и соединительные элементы

Поскольку батареи и соединительные элементы являются частью любой схемы, я отнес их к компонентам. Смотрите раздел «Другие компоненты» главы 6 для более подробной информации о заказе этих деталей.

Почти для всех экспериментов этой книги потребуется источник питания на 9 В. Подойдет обычная 9-вольтовая батарея, которую можно купить в супермаркетах и круглосуточных магазинах. Позже я предложу перейти на сетевой адаптер, но сейчас он не понадобится.

Для эксперимента 2 вам потребуется пара щелочных батарей типа АА 1,5 В. Никакие перезаряжаемые аккумуляторы для этого эксперимента использовать нельзя.

Для подачи питания на схему вам понадобится соединительный элемент с разъемом для батареи на 9 В (рис. 1.8) и отсек-держатель для одной батареи АА (рис. 1.9).

Совет

Одного держателя пока будет достаточно, а для дальнейших экспериментов я рекомендую приобрести три соединительных элемента. Не покупайте отсеки для двух (трех или четырех) батарей типа АА.

Рис. 1.8. Соединительный элемент с разъемом для подачи питания от 9-вольтовой батареи типа «Крона»

Рис. 1.9. Отсек-держатель с проводами для одной 1,5-вольтовой батареи типа АА

 

Тестовые провода

Для соединения компонентов между собой в первых нескольких экспериментах вам понадобятся специальные тестовые провода. Подразумеваемые мною провода имеют два конца. Конечно, любой отрезок провода имеет два конца, так почему его называют «с двумя выводами»? Данный термин обычно означает, что каждый конец оснащен зажимом типа «крокодил», как показано на рис. 1.10. Каждый зажим позволяет создать соединение, прихватив что-либо и крепко зажав, что высвобождает ваши руки.

Рис. 1.10. Тестовые провода с двумя выводами с зажимом типа «крокодил» на каждом из концов

Вам не потребуются провода с разъемом на каждом из концов. Иногда они называются монтажными проводами.

Замечание

В этой книге провода относятся к оборудованию. Для получения дополнительной информации смотрите раздел «Приобретаемые инструменты и оборудование» главы 6.

 

Потенциометр

Потенциометр похож на регулятор громкости у старомодных стереосистем. Его разновидности, показанные на рис. 1.11, считаются крупногабаритными по современным стандартам, но большой размер — это как раз то, что вам нужно, поскольку вы будете захватывать клеммы «крокодилами» тестовых проводов. Лучше всего подойдет потенциометр диаметром 2,5 см номиналом 1 кОм. Если вы совершаете покупки самостоятельно, для получения более подробной информации смотрите раздел «Другие компоненты» главы 6.

Рис. 1.11. Потенциометры обычного типа, необходимые для ваших первых экспериментов

 

Плавкий предохранитель

Рис. 1.12. Автомобильный предохранитель такого типа подходит для наших экспериментов лучше всего

Предохранитель разрывает цепь, если через нее проходит слишком большой ток. Было бы идеально купить 3-амперный автомобильный предохранитель, изображенный на рис. 1.12, который легко захватить зажимами тестовых проводов и у которого хорошо видна плавкая вставка. В продаже есть автомобильные предохранители разных размеров, но размер не имеет значения, главное — номинал предохранителя должен быть 3 А. Купите сразу три предохранителя, чтобы не бояться повредить их, случайно или преднамеренно. Если вы не хотите обращаться к поставщикам автозапчастей, то в магазине электронных компонентов можно приобрести 3-амперный стеклянный патронный предохранитель размера 2AG, изображенный на рис. 1.13, хотя его не так легко захватить зажимом «крокодил».

Рис. 1.13. Патронный стеклянный предохранитель сложнее захватить зажимами «крокодил»

 

Светоизлучающие диоды

Их часто называют светодиодами и они бывают разных форм и видов. Светодиоды, которые мы будем использовать, более известны как светодиодные индикаторы и в каталогах обычно упоминаются как стандартные светодиоды для установки в монтажные отверстия. Диаметр светодиода, изображенного на рис. 1.14, составляет 5 мм, однако компонент диаметром 3 мм иногда предпочтительнее, особенно если пространство ограничено. Для наших экспериментов подойдет любой вариант.

Рис. 1.14. Светодиод диаметром около 5 мм

На протяжении всей книги я упоминаю стандартные светодиоды, под которыми подразумеваются самые дешевые компоненты, излучающие свет сравнительно небольшой интенсивности; они обычно бывают красными, желтыми или зелеными. Они часто продаются оптом и применяются во многих устройствах, поэтому я рекомендую вам купить минимум десяток компонентов каждого цвета.

Некоторые стандартные светодиоды заключены в прозрачный пластик или смолу, но при подаче питания они излучают окрашенный свет. Другие светодиоды заключены в пластик или смолу того же цвета, который они излучают. Подойдет любой из вариантов.

В нескольких экспериментах лучше использовать слаботочные светодиоды. Они стоят дороже, но работают при меньшем токе. Например, в эксперименте 5, в котором вы будете получать слабый электрический ток с помощью самодельной батареи, вы получите лучший результат со слаботочным светодиодом. Если вы покупаете компоненты по отдельности, а не в наборе, то для дополнительных указаний смотрите раздел «Другие компоненты» главы 6.

 

Резисторы

Чтобы ограничивать напряжение и ток в различных участках схемы, вам понадобятся разнообразные резисторы. Типичные примеры резисторов приведены на рис. 1.15. Цвет корпуса не имеет значения. Позже я объясню, как по цветным полосам определить номинал резистора.

Рис. 1.15. Два подходящих резистора 0,25 Вт.

Резисторы очень малы по размерам и стоят недорого, поэтому неразумно каждый раз заново приобретать компоненты только тех номиналов, которые указаны в очередном эксперименте. Купите расфасованный стандартный набор оптом на распродаже остатков, по скидке, или в интернет-магазине eBay. Чтобы узнать подробную информацию о резисторах, включая полный список всех номиналов, используемых в этой книге, смотрите раздел «Компоненты» главы 6.

Для проведения экспериментов с 1 по 5 другие компоненты вам не понадобятся. Давайте же начнем!

 

Знаете ли вы, каково электричество на вкус? Если решитесь попробовать, то вы почувствуете его.

 

Что вам понадобится

• 9-вольтовая батарея (1 шт.)

• Мультиметр (1 шт.)

И это все!

 

Предупреждение: не более 9 вольт

Используйте в этом эксперименте элемент питания только на 9 В. Не пытайтесь экспериментировать с более высоким напряжением и с источником, который дает больший ток. Если у вас металлические брекеты на зубах, не касайтесь ими батареи. И самое важное: никогда не прикладывайте электрический ток от батареи любого типа к поврежденной коже.

 

Методика проведения

Смочите язык слюной и коснитесь его кончиком металлических клемм 9-вольтовой батареи, как показано на рис. 1.16. Вы ощущаете пощипывание? Теперь отложите батарею, высуньте язык и тщательно высушите его кончик тканью. Снова прикоснитесь кончиком языка к батарее, вы должны почувствовать меньшее пощипывание.

Замечание

Возможно, у вас не такой большой язык, как на рисунке. Мой определенно меньше. Но этот эксперимент удастся, независимо от того, большой у вас язык или маленький.

Что же происходит в данном случае? Мультиметр поможет выяснить это.

 

Подготовка мультиметра

Прежде всего проверьте, установлена ли в мультиметре батарея питания. Выберите любую функцию на шкале и подождите, пока дисплей не покажет цифры. Если на индикаторе ничего не видно, возможно, вам придется открыть мультиметр и вставить батарею, прежде чем вы сможете им пользоваться. Чтобы узнать, как это сделать, посмотрите инструкцию, которая прилагается к мультиметру.

Мультиметры укомплектованы красным и черным проводами. К одному концу провода присоединен штекер, к другому — металлический щуп. Вы вставляете штекеры в мультиметр, затем касаетесь щупами того участка цепи, на котором проводите измерение (рис. 1.17). Щупы служат лишь для контроля электрических цепей. Когда вы имеете дело с малыми токами и напряжением в экспериментах из этой книги, щупы не причинят вам вреда (если вы только не уколетесь об их острые концы).

Рис. 1.17. Провода мультиметра, заканчивающиеся металлическими щупами

В большинстве мультиметров есть три гнезда, в некоторых — четыре. Примеры смотрите на рис. 1.18-1.20.

Рис. 1.18. Обратите внимание на маркировку гнезд этого мультиметра

Рис. 1.19. На этом мультиметре функции гнезд разделены

Рис. 1.20. Гнезда на еще одном мультиметре

Вот основные правила:

• Одно гнездо должно быть обозначено символом СОМ. Оно является общим для всех измерений. Вставьте в это гнездо черный провод.

• Другое гнездо должно быть обозначено символом Ω (омега) и буквой V (вольты). Оно служит для измерения либо сопротивления, либо напряжения. Вставьте в это гнездо красный провод.

• Гнездо V/Ω обычно служит также для измерения малых токов (в миллиамперах). Иногда для этого предусмотрено отдельное гнездо, и тогда вам придется переключать красный провод. Мы вернемся к этому позже.

• Еще одно гнездо может быть помечено символами 2А, 5А, 10А, 20А или подобными, обозначающими максимальную силу тока в амперах. Оно предназначено для измерения больших токов. Для экспериментов из этой книги оно не понадобится.

 

Единицы измерения сопротивления

Предположим, вы собираетесь измерить сопротивление вашего языка в омах. Но что такое «ом»?

Мы измеряем расстояние в милях или километрах, массу в фунтах или килограммах, температуру по шкале Фаренгейта или в градусах Цельсия. А электрическое сопротивление мы измеряем в омах — это международная единица, названная в честь Георга Симона Ома, первопроходца в изучении электричества.

Греческая буква Ω обозначает омы, но для сопротивлений выше 999 Ом используется приставка «к», означающая килоом, который равен тысяче ом. Например, сопротивление в 1500 Ом будет записываться как 1,5 кОм.

Для величин выше 999 999 Ом используется прописная буква «М», означающая мегаом миллион ом. В обиходе мегаом часто называется «мег.» Если кто-то использует резистор «два-точка-два мег», то это номинал в 2,2 МОм.

Пересчет единиц сопротивления приведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Замечание

В Европе для уменьшения вероятности ошибок вместо десятичного разделителя используют буквы R, К или М. Таким образом, 5К6 на европейских электрических схемах означает 5,6 кОм, 6М8 означает 6,8 МОм, a 6R8 означает 6,8 Ом. Я не использую здесь европейский вариант, но вы можете встретить его на некоторых электрических схемах.

Материал, который имеет очень высокое сопротивление к электрическому току, называется изолятором. Большинство пластиков, включая цветную оболочку проводов, являются изолирующими материалами.

Материал с очень низким сопротивлением это проводник. Такие металлы, как медь, алюминий, серебро и золото, являются превосходными проводниками.

 

Измерение сопротивления языка

Внимательно рассмотрите диск на передней части мультиметра. Вы увидите как минимум одно положение, обозначенное символом Ω. На мультиметрах с автоматическим выбором диапазона поверните диск так, чтобы он указывал на этот символ, как показано на рис. 1.21, аккуратно коснитесь щупами языка и подождите, пока мультиметр автоматически выберет диапазон. Ожидайте появления буквы К на цифровом дисплее. Не вонзайте щупы в язык!

Рис. 1.21. На мультиметре с автоматическим выбором диапазона просто установите указатель на символ Ω (омега)

На ручном мультиметре вы самостоятельно должны выбрать диапазон значений. Для измерения сопротивления языка недалеко от истины окажется величина 200 кОм (200 000 Ом). Заметьте, что числа рядом с диском — это максимальные значения, и поэтому 200 кОм означает «не более 200 000 Ом», а 20 кОм — «не более 20 000 Ом». Посмотрите на фотографии переключателей мультиметра с ручным выбором диапазона, показанные крупным планом на рис. 1.22 и 1.23.

Коснитесь щупами вашего языка на расстоянии около 2,5 см друг от друга. Обратите внимание на показание мультиметра, которое должно быть около 50 кОм. Отложите щупы в сторону, высуньте язык, с помощью ткани тщательно высушите его, как вы это делали ранее. Не допуская, чтобы язык снова стал влажным, повторите измерение. На этот раз показания должны быть выше. При использовании мультиметра с ручной установкой режима измерения вам, возможно, придется выбрать более высокий диапазон, чтобы увидеть значение сопротивления.

Замечание

Когда кожа влажная (например, при потении), ее электрическое сопротивление уменьшается. Этот принцип используется в детекторах лжи, поскольку тот, кто сознательно лжет, в условиях стресса обычно потеет.

Ваше исследование приводит к следующему выводу: меньшее сопротивление позволяет проводить больший ток, и поэтому в первом эксперименте больший ток создает большее пощипывание.

 

Как устроена батарея

Когда вы в первом эксперименте исследовали батарею с помощью языка, я не стал рассказывать, как она работает. Теперь самое время исправить это упущение.

Рис. 1.22. Ручной мультиметр подразумевает, что вы самостоятельно выбираете диапазон

Рис. 1.23. Другой циферблат мультиметра с ручным выбором  режима, но принцип тот же

Батарея на 9 В содержит химические вещества, высвобождающие электроны (частицы электрического тока), которые в результате химической реакции желают переместиться от одного вывода к другому. Представьте ячейки внутри батареи в виде двух резервуаров для воды — один из них полон, второй пуст. Если резервуары соединить друг с другом трубой с вентилем, то при открытии вентиля вода будет перетекать между ними, пока уровень воды в них не станет одинаковым. Эта картина схематично изображена на рис. 1.24. Аналогично, когда вы открываете путь электрическому току от одного полюса батареи к другому, между ними начинают перемещаться электроны, даже если проводящий путь представлен только влагой вашего языка.

В некоторых веществах (таких как влажный язык) электроны передвигаются гораздо свободнее, чем в других (таких как сухой язык).

Рис. 1.24. Электрическую батарею можно представить в виде пары сообщающихся сосудов для воды

 

Еще несколько опытов с сопротивлением

Исследование языка с помощью мультиметра — это плохо контролируемый эксперимент, поскольку расстояние между щупами может немного отличаться при каждой пробе. Как вы думаете, существенно ли это? Давайте выясним.

Держите щупы мультиметра так, чтобы их концы находились друг от друга на расстоянии в 5 мм. Коснитесь ими влажного языка. Затем разведите щупы на 2 см и попробуйте снова. Какие показания вы получили?

Когда путь протекания электрического тока короткий, сопротивление меньше. В результате сила тока увеличивается.

Попробуйте провести аналогичный эксперимент на руке, как показано на рис. 1.25. Вы можете изменять расстояние между щупами с постоянным шагом, например 5 мм, и отмечать сопротивление, которое показывает ваш мультиметр. Полагаете, что увеличение расстояния между щупами в два раза также вдвое увеличивает показание сопротивления на мультиметре? Как вы можете это доказать или опровергнуть?

Рис. 1.25. Изменяйте расстояние между щупами и записывайте показания мультиметра

Если сопротивление превысит максимально возможное значение для вашего измерительного прибора, то вы увидите ошибку, например, символ «L» вместо цифр. Попробуйте увлажнить кожу и повторите исследование, у вас должен получиться результат. Единственная проблема заключается в том, что при испарении влаги с вашей кожи сопротивление изменится. Видите, насколько сложно контролировать в эксперименте все факторы. Случайные факторы называют также неконтролируемыми переменными.

Осталась еще одна переменная, которую я не упомянул — это величина давления щупа на кожу. Я полагаю, что если вы надавите сильнее, то сопротивление уменьшится. Вы можете это доказать? Подумайте, как можно изменить эксперимент, чтобы исключить эту переменную?

Если вам надоело измерять сопротивление кожи, вы можете попробовать погрузить щупы в стакан с водой. Затем растворите в воде немного соли и проведите измерения еще раз. Не сомневаюсь, вы знаете, что вода проводит электричество, но все не так просто. Важную роль играют примеси в воде.

Как вы думаете, что произойдет, если вы попробуете измерить сопротивление воды, которая вообще не содержит примесей? Первым вашим шагом будет попытка найти чистую воду. Так называемая очищенная вода обычно содержит минералы, добавленные после очистки, поэтому это не то, что вам нужно. Ключевая вода тоже не совсем чистая. То, что вам нужно, — это дистиллированная вода, также известная как деионизированная вода. Ее можно найти в супермаркетах. Скорее всего, вы обнаружите, что сопротивление дистиллированной воды при расстоянии в 2 см между щупами мультиметра окажется выше, чем сопротивление вашего языка. Попробуйте проверить это.

На данный момент это все эксперименты, связанные с сопротивлением, которые я смог придумать. Но у меня еще осталось для вас немного интересных исторических фактов.

Человек, который открыл сопротивление Георг Симон Ом, изображенный на рис. 1.26, родился в Баварии в 1787 году и большую часть жизни работал в безызвестности, изучая природу электричества с помощью металлической проволоки, которую смастерил самостоятельно (в начале XIX в. не было возможности заехать в строительный магазин за катушкой монтажного провода).

Рис. 1.26. Георг Симон Ом, после того как его наградили за новаторскую работу, большую часть которой он проделал в относительной безызвестности

Невзирая на ограниченность ресурсов и недостаточное знание математики, в 1827 году Ом смог показать, что электрическое сопротивление медного проводника изменяется обратно пропорционально площади его поперечного сечения, а сила протекающего через него тока пропорциональна приложенному напряжению в условиях постоянной температуры. Четырнадцать лет спустя Королевское общество в Лондоне наконец-то признало значимость его работы и наградило медалью Копли. Сегодня его открытие известно как закон Ома. Я объясню его подробнее в эксперименте 4.

 

Уборка рабочего места и повторное использование компонентов

В предыдущих экспериментах ваша батарея не должна была повредиться или значительно разрядиться. Вы сможете использовать ее снова.

Не забывайте выключить мультиметр перед тем, как убрать его. Многие устройства будут подавать звуковой сигнал как напоминание о выключении, если вы не пользуетесь ими продолжительное время, но некоторые не имеют такой функции. Во включенном состоянии мультиметр потребляет небольшое количество электроэнергии, даже если вы не проводите измерений.

 

Теперь, чтобы ближе познакомиться с электричеством, вам предстоит сделать то, что в других книгах просят не делать. Вам предстоит накоротко замкнуть батарею (короткое замыкание — это соединение двух полюсов источника питания).

 

Используйте низковольтную батарею

Эксперимент, который я собираюсь вам предложить, безопасен, но иногда короткое замыкание может быть опасным. Никогда не замыкайте сетевую розетку в доме: будет громкий взрыв, яркая вспышка, провода или инструмент, который вы используете, частично оплавятся, а разлетающиеся частицы расплавленного металла могут обжечь или ослепить вас.

Если вы замкнете автомобильный аккумулятор, ток будет настолько сильным, что батарея может даже взорваться, обдав вас кислотой. Чтобы убедиться в этом, взгляните на парня, изображенного на рис. 1.27.

Рис. 1.27. Падение ключа на клеммы автомобильного аккумулятора может привести к печальным последствиям. Короткое замыкание может быть очень сильным даже при напряжении «всего лишь» 12 В, если аккумулятор достаточно энергоемкий

Литиевые аккумуляторы часто можно встретить в электроинструментах, ноутбуках и в других портативных устройствах. Никогда не замыкайте накоротко такой аккумулятор: он может загореться и обжечь вас. Литиевые аккумуляторы могут загореться, даже если вы не замыкаете их (рис. 1.28). Некоторые старые модели ноутбуков даже взрывались при работе. Инженерам пришлось существенно усовершенствовать литиевые аккумуляторы, чтобы предотвратить такой ход событий. Но замыкание их накоротко по-прежнему очень опасно.

В описанном далее эксперименте используйте только одну щелочную батарею типа АА. Возможно, вам понадобятся защитные очки на тот случай, если батарея окажется дефектной.

 

Что вам понадобится

• Батарея типа АА на 1,5 В (2 шт.)

• Держатель для батареи (1 шт.)

• Плавкий предохранитель на 3 А (2 шт.)

• Защитные очки (подойдут обычные или солнцезащитные очки)

• Тестовые провода с зажимами типа «крокодил» на концах (2 шт.)

Рис. 1.28. Никогда не шутите с литиевыми аккумуляторами

 

Получение тепла с помощью электричества

Внимание!

Экспериментируйте только со щелочной батареей.

Не используйте перезаряжаемый аккумулятор!

Вставьте батарею в держатель, с подсоединенными двумя тонкими проводами (см. рис. 1.9). Скрутите вместе неизолированные концы проводов, как показано на рис. 1.29. Вначале может показаться, что ничего не происходит. Но подождите минуту и вы обнаружите, что провода нагреются. А еще через минуту вся батарея также станет горячей.

Тепло вырабатывается электрическим током, протекающим через провода и электролит (проводящую жидкость) внутри батареи. Если вы когда-либо пользовались ручным насосом для нагнетания воздуха в велосипедную шину, то знаете, что насос нагревается. Электричество ведет себя подобным же образом. Можно представить, что электричество состоит из частиц (электронов), которые проходя через провод, нагревают его. Это не идеальная аналогия, но она подходит для наших целей.

Откуда берутся электроны? Их высвобождают химические реакции, происходящие внутри батареи, в результате создается электрическое «давление». Правильное название для такого давления — напряжение, которое измеряется в вольтах, названных в честь Алессандро Вольта, еще одного первопроходца в исследованиях электричества.

Рис. 1.29. Замыкание щелочной батареи может быть безопасным, если вы точно следуете указаниям

Вернемся к нашей аналогии с водой: высота уровня жидкости в емкости пропорциональна давлению воды, это же верно и для напряжения. Рисунок 1.30 может помочь вам это наглядно представить.

Но напряжение — это еще не все. Когда электроны проходят по проводу, величина их потока за определенный период времени называется силой тока, она измеряется в амперах, названных в честь еще одного первооткрывателя, Андре-Мари Ампера. Этот поток электронов носит название электрического тока. Эксперимент можно схематично описать так: электрический ток — сила тока — выделяется тепло. По аналогии можно сформулировать два правила:

• рассматривайте напряжение, как давление;

• рассматривайте силу тока, как скорость потока электронов.

Рис. 1.30. Давление в источнике воды аналогично напряжению в источнике электричества

 

Почему ваш язык не стал горячим?

Когда вы касались языком 9-вольтовой батареи, то чувствовали пощипывание, но не ощущали тепла. Когда вы замкнули 1,5-вольтовую батарею, то получили заметное количество тепла, хотя напряжение было гораздо меньше. Как это объяснить?

Ваш мультиметр показал, что электрическое сопротивление языка очень велико. Это высокое сопротивление уменьшает поток электронов.

Сопротивление провода очень низкое, и поэтому когда провода подключены к полюсам батареи, то через них проходит больший ток, чем через ваш язык, и выделяется больше тепла. Если все другие факторы оставить постоянными, то:

• чем меньше сопротивление, тем больше электрический ток;

• тепло, производимое электричеством, пропорционально количеству электрического тока, которое протекает через проводник за определенный период времени. (Это соотношение перестает быть верным, если сопротивление провода изменяется при нагревании.)

Сформулируем еще несколько принципов.

• Электрический поток за секунду измеряется в амперах, эта единица часто сокращается до буквы А.

• Электрическое напряжение, которое приводит к появлению данного потока, измеряется в вольтах.

• Сопротивление электрическому потоку измеряется в омах.

• Более высокое сопротивление уменьшает силу тока.

• Повышенное напряжение способно преодолеть сопротивление и увеличить силу тока.

Взаимосвязь между напряжением, сопротивлением и силой тока (давлением, сопротивлением и потоком) показана на рис. 1.31.

Рис. 1.31. Сопротивление препятствует давлению и уменьшает поток как воды, так и электричества

 

Единицы измерения напряжения

Вольт — это международная единица измерения, обозначаемая прописной буквой В или V. В США и в некоторых странах Европы переменное напряжение в бытовой электросети составляет 110,115 или 120 В, в других странах напряжение в электрической сети может быть 220, 230 или 240 В. Полупроводниковые компоненты обычно работают от источника постоянного напряжения в диапазоне от 5 вплоть до 20 В, хотя современные элементы для поверхностного монтажа могут функционировать при напряжении менее 2 В. Некоторые компоненты, такие как микрофон, выдают напряжение, измеряемое в милливольтах (сокращенно мВ, один милливольт — это одна тысячная вольта). Когда электричество передается на большие расстояния, то оно измеряется в киловольтах, сокращенно кВ. В некоторых исключительно протяженных силовых линиях используются мегавольты. Пересчет единиц напряжения приведен в табл. 1.2.

Таблица 1.2

 

Единицы измерения силы тока

Ампер — это международная единица измерения силы тока, обозначаемая прописной буквой А. Бытовые электроприборы могут потреблять ток в несколько ампер, а типичные автоматические выключатели в США рассчитаны на 20 А. Электронные компоненты часто потребляют ток порядка миллиамперов (сокращенно мА, один миллиампер — это одна тысячная ампера). Такие устройства, как жидкокристаллические дисплеи, могут потреблять микроамперы, сокращенно мкА (или μА), один микроампер — это одна тысячная миллиампера. Перерасчет единиц силы тока приведен в табл. 1.3.

Таблица 1.3

 

Как пережечь предохранитель

Какое в точности количество тока протекло по проводам держателя батареи, когда вы ее замкнули? Смогли бы мы его измерить?

Это не так просто. Если вы попытаетесь измерить большой ток мультиметром, то можете сжечь его внутренний предохранитель. Поэтому отложите мультиметр в сторону. Возьмем 3-амперный предохранитель, которым можно пожертвовать, поскольку он стоит недорого.

Вначале проверьте предохранитель с помощью увеличительного стекла, если оно у вас есть. В автомобильном предохранителе в прозрачном окошке по центру вы можете увидеть небольшую деталь в виде буквы S, изготовленную из легкоплавкого металла. В стеклянных патронных предохранителях это тонкий кусочек проволоки, который служит для той же цели (см. рис. 1.12 и 1.13).

Рис. 1.32. Как закоротить автомобильный предохранитель

Рис. 1.33. Как прикрепить щупы к маленькому патронному предохранителю

Вытащите 1,5-вольтовую батарею из держателя. Она теперь пришла в абсолютную негодность, и при возможности ее необходимо отправить на переработку. Разъедините два провода, которые скручены вместе, а затем соедините держатель для батареи и предохранитель проводниками, как показано на рис. 1.32 или 1.33. Вставьте новую батарею в держатель и наблюдайте за предохранителем. Разрыв должен произойти в центре вставки предохранителя, в месте расплавления металла. Сказанное иллюстрируют рис. 1.34 и 1.35.

Некоторые 3-амперные предохранители перегорают быстрее, чем другие, хотя и обладают тем же номиналом. Если ваш предохранитель сразу не перегорел, попробуйте подключить к нему провода напрямую от батареи, исключив из цепи тестовые провода. Если вы используете уже бывшую в употреблении батарею типа АА, то придется подождать несколько секунд, пока предохранитель не перегорит. Если вы так и не добились требуемого результата, то можете поэкспериментировать с элементами питания типа С или D, которые имеют такое же напряжение, но выдают больший ток. Но обычно в этом нет необходимости.

Рис. 1.34. Обратите внимание на разрыв плавкой вставки

Рис. 1.35. В перегоревшем патронном предохранителе появляется аналогичный разрыв

Теперь вам понятно, как работает предохранитель: плавится, чтобы защитить остальную часть схемы. Маленький разрыв внутри предохранителя не позволяет течь слишком большому току.

 

Постоянный и переменный ток

Поток электричества, который вы получаете от батареи, называется постоянным током. Подобно потоку воды из крана, это постоянное течение в одном направлении.

Поток электричества, который вы получаете из домашней электрической розетки, совсем другой. Полярность на «фазном» контакте розетки меняется с положительной на отрицательную по отношению к «нейтральному» контакту с частотой 60 раз в секунду (во многих странах, включая Европу, 50 раз в секунду). Это переменный ток, который больше похож на пульсирующий поток воды, как при мойке автомобиля.

Переменный ток очень важен для решения таких задач, как, например, повышение напряжения для передачи электричества на дальние расстояния. Он также используется в электродвигателях и в бытовой технике. Внешний вид электрической розетки показан на рис. 1.36. Такие розетки можно встретить в Северной и Южной Америке, Японии и в других странах. Европейские розетки выглядят иначе, но принцип остается тем же.

Рис. 1.36. Устройство электрической розетки

Гнездо А на рис. 1.39 — это «фазный» или «активный» контакт розетки, подающий напряжение, которое изменяется от положительного к отрицательному по отношению к гнезду В, которое является «нейтральным» контактом. Если в каком-либо устройстве произойдет нарушение изоляции внутреннего силового провода, то такое устройство розетки должно защитить вас при помощи отвода напряжения через гнездо С, т. е. на заземление.

В США розетка, показанная на рис. 1.36, рассчитана на напряжение 110-120 В. Другие разновидности розеток предназначены для более высокого напряжения, но они также имеют активный, нейтральный и заземляющий провода (за исключением трехфазных розеток, которые применяются в основном в промышленности).

В этой книге я буду говорить большей частью о постоянном токе по двум причинам: во-первых, самые простые электрические схемы питаются от источника постоянного тока, и во-вторых, его поведение легче понять.

Замечание

Я не стану постоянно упоминать о том, что мы работаем с постоянным током. Просто считайте, что речь идет о постоянном токе, если не указано иное.

 

Изобретатель гальванического элемента

Алессандро Вольта, изображенный на рис. 1.37, родился в Италии в 1745 году, задолго до того как наука разделилась по отраслям знаний. После изучения химии (в 1776 году он открыл метан), он стал профессором физики и проявил интерес к так называемому гальваническому рефлексу, при котором конечность лягушки дергается в ответ на разряд статического электричества.

Рис. 1.37. Алессандро Вольта обнаружил, что химические реакции могут производить электричество

С помощью стакана, наполненного соленой водой, Вольта продемонстрировал, что в результате химической реакции между двумя электродами (один сделан из меди, а другой из цинка) возникнет стабильный электрический ток. В 1800 году он улучшил свой аппарат, разместив пластины меди и цинка в виде стопки и разделив их смоченным в соленой воде картоном. Этот «Вольтов столб» стал первой электрической батареей в истории Западной цивилизации.

 

«Отец» электромагнетизма

Родившийся в 1775 году во Франции Андре-Мари Ампер (изображен на рис. 1.38) был гением математики, который стал преподавать науку, несмотря на то, что сам обучался в основном самостоятельно в библиотеке отца. Его самая известная работа — созданная в 1820 году теория электромагнетизма, которая объясняет появление магнитного поля при протекании электрического тока. Он также сконструировал первый прибор для измерения потока электричества (теперь известного как гальванометр) и открыл химический элемент фтор.

Рис. 1.38. Андре-Мари Ампер обнаружил, что проходящий через провод электрический ток создает вокруг него магнитное поле. Он использовал это свойство, чтобы провести первые надежные измерения того, что впоследствии назвали силой тока

 

Повторное использование компонентов

Батарейка, которую вы привели в негодность коротким замыканием, больше не понадобится вам. Но не стоит выбрасывать ее в мусорное ведро, поскольку она содержит тяжелые металлы, которые не должны попасть в экосистему. В вашем регионе или городе должна быть государственная схема утилизации (например, в штате Калифорния принято, что все батареи должны быть переработаны). Подробности узнавайте в местных нормативных актах.

Сгоревший предохранитель не подлежит дальнейшему использованию, его можно выбросить.

Вторая батарея, которая была защищена предохранителем, должна быть по-прежнему рабочей. Держатель батареи тоже еще пригодится вам.

 

Теперь пришло время сделать с помощью электричества что-нибудь более полезное. Чтобы достичь этого, поэкспериментируем с компонентами, которые называются резисторами, и со светоизлучающим диодом.

 

Что вам понадобится

• Батарея 9 В (1 шт.)

• Резисторы: 470 Ом (1 шт.), 1 кОм (1 шт.), 2,2 кОм (1 шт.)

• Стандартный светодиод (1 шт.)

• Тестовые провода с зажимами «крокодил» на концах (3 шт.)

• Мультиметр (1 шт.)

 

Первое знакомство с резистором

Пришло время познакомиться с самым основным компонентом, который мы будем использовать в электрических схемах: скромным резистором. Как подразумевает его название, он оказывает сопротивление электрическому току. И как вы, наверное, догадались, номинал резистора измеряется в омах.

Если вы приобрели резисторы в отделе уцененных товаров, то надписи на упаковке могут отсутствовать. Не беда, определить их номинал достаточно просто. На самом деле, даже если упаковка четко промаркирована, рекомендую вам проверить эти резисторы, прежде чем мы пойдем дальше, потому что они могут легко перепутаться.

У вас есть два варианта:

• измерить сопротивление мультиметром, настроив его соответствующим образом.

• расшифровать цветовые коды, которые нанесены на большинстве резисторов. Я объясню это чуть позже.

После того как вы определили номиналы резисторов, хорошо бы рассортировать их по маркированным отсекам пластиковых коробок для мелких деталей. Лично мне нравится покупать эти коробки в сети магазинов Michael’s (в США), но есть множество других вариантов. Подойдут также маленькие полиэтиленовые пакеты, которые сможете найти в онлайн-магазине eBay по запросу: пластиковые пакеты для деталей.

 

Расшифровка номиналов резисторов

На некоторых резисторах их номинал указан микроскопической надписью, которую можно разглядеть с помощью увеличительного стекла (рис. 1.39).

Рис. 1.39. На некоторых резисторах указан номинал

Большинство резисторов промаркировано цветными полосками. Такая схема кодировки показана на рис. ЦВ-1.40.

Рис. ЦВ-1.40. Цветовая кодировка резисторов. Некоторые резисторы имеют 4 полоски слева, вместо трех, как поясняется в тексте.

На рис. ЦБ-1.41 изображены некоторые примеры цветовой маркировки резисторов. Сверху вниз: 1 500 000 Ом (1,5 МОм) при допуске 10%, 560 Ом при допуске 5%, 4700 Ом (4,7 кОм) при допуске 10% и 65 500 Ом (65,5 кОм) при допуске 5%.

Рис. ЦВ-1.41. Четыре примера цветовой маркировки резистора

Подытожим правила расшифровки обозначений резисторов:

• Не обращайте внимания на цвет корпуса резистора. (Исключением из этого правила является белый резистор, который может быть огнестойким или снабжен плавким предохранителем, его следует заменять точно таким же. Но вы вряд ли столкнетесь с таким резистором.)

• Найдите серебристую или золотистую полоску. После этого разверните резистор так, чтобы она оказалась справа. Серебристая полоска означает, что точностью номинала резистора составляет 10%, золотистая указывает на точность в 5%. Этот параметр называется допуском резистора.

• Если вы не обнаружили серебристой или золотистой полоски, разверните резистор так, чтобы цветные полоски оказались сгруппированы слева. Обычно их три или четыре.

• Цвет двух первых полосок, слева направо, означает две цифры номинала резистора. Цвет третьей по счету слева полоски означает, сколько нулей следует за двумя числами. Расшифровка значений цветов показана на рис. 1.40.

• Если вам попался резистор, у которого четыре полоски вместо трех, то первые три полоски — это цифры номинала, а четвертая — количество нулей. Трехзначные полоски позволяют более точно указать значение номинала резистора.

Запутались? Что ж, всегда можно проверить сопротивление резистора мультиметром. Учтите только, что показания мультиметра могут немного отличаться от заявленного номинала резистора. Это может произойти, поскольку ваш мультиметр обладает погрешностью, номинал резистора выдержан не совсем точно, или же действуют оба фактора. Небольшие отклонения не имеют значения для проектов этой книги.

 

Зажигание светодиода

Теперь посмотрите на один из ваших стандартных светодиодов. Старые лампочки накаливания давали мало света и слишком много тепла. Светодиоды гораздо «умнее»: почти всю энергию они превращают в свет, а их срок службы гораздо больше (если вы правильно с ними обращаетесь).

Но светодиод очень привередлив к количеству поступающей энергии и способу ее подачи. Всегда следуйте нескольким правилам:

• на длинный вывод светодиода следует подавать положительное напряжение по отношению к короткому выводу;

• положительная разность потенциалов между длинным и коротким выводами не должна превышать значения, указанного производителем, которое называется прямым напряжением'.

• сила тока через светодиод не должна превышать значения, указанного производителем. Оно называется прямым током.

Что произойдет, если вы нарушите эти правила? Вы узнаете это сами в эксперименте 4.

Убедитесь, что у вас есть свежая батарея на 9 В. Можно было бы воспользоваться разъемным соединителем батареи, как показано на рис. 1.8, но я думаю, что легче прикрепить пару щупов напрямую к полюсам батареи, как на рис. 1.42.

Возьмите резистор номиналом 2,2 кОм. Вспомните, что 2,2 кОм означает 2200 Ом. Почему же 2200, а не красивое округленное значение, например, 2000? Я объясню это вскоре. Смотрите далее в этой главе раздел «Странные числа», если вы хотите это узнать прямо сейчас.

Цветные полоски вашего резистора номиналом 2,2 кОм должны быть такими: красная, красная, красная, что означает 2, затем еще 2 и два нуля. Вам также понадобятся резисторы номиналом 1 кОм (коричневая, черная и красная полоски) и 470 Ом (желтая, фиолетовая и коричневая полоски), приготовьте их заранее.

Подключите резистор 2,2 кОм к цепи, показанной на рис. 1.42. Убедитесь, что вы правильно поставили батарею, положительная клемма должна быть справа.

Замечание

Символ «+» всегда означает «положительный». Символ «-» всегда означает «отрицательный».

Убедитесь, что длинный вывод светодиода находится справа, и следите за тем, чтобы ни один из зажимов «крокодилов» не касался другого. Правильно соединив детали, вы обнаружите, что светодиод тускло светится.

Теперь отключите резистор 2,2 кОм и замените его резистором 1 кОм. Светодиод загорится ярче.

Рис. 1.42. Ваша первая электрическая схема, включающая светодиод

Отключите резистор 1 кОм и замените резистором 470 Ом, яркость свечения светодиода еще больше возрастет.

Это может казаться очевидным, но здесь доказывается важное положение. Резистор уменьшает ток в цепи. Резистор с более высоким номиналом сильнее снижает ток, протекающий через последовательно включенный светодиод.

 

Проверка резистора

Я уже упоминал, что вы можете проверить номинал резистора с помощью мультиметра. Это действительно очень просто. Процесс измерения показан на рис. 1.43. Вначале не забудьте установить мультиметр в режим измерения сопротивления. Отключите резистор от других компонентов и прикоснитесь к нему щупами мультиметра. Если у вас мультиметр с ручным выбором диапазона, вы должны установить значение выше, чем ожидаете увидеть. В противном случае вы получите сообщение об ошибке.

Следует помнить о том, что вы получите более точные показания, если крепко прижмете щупы непосредственно к выводам резистора. Но не касайтесь резистора и щупов пальцами — вы же не хотите измерить сопротивление вашего тела вместе с сопротивлением резистора. Положите резистор на какую-нибудь площадку из изолирующего материала, например, на неметаллическую поверхность стола. Держите щупы за пластиковые рукоятки и сильно прижмите металлические кончики.

Рис. 1.43. Определение номинала резистора

Кроме того, вы можете использовать пару тестовых проводов. Прикрепите один из концов такого провода к выводу резистора, а затем присоедините другой конец провода к щупу мультиметра. Теперь вы можете проводить измерение резистора без участия рук, что гораздо удобнее.

 

Странные числа

После проверки нескольких резисторов (или их покупки в Интернете) вы заметите, что одни и те же пары цифр могут повторяться. В ряду номиналов порядка тысяч ом часто можно встретить значения 1,0 кОм, 1,5 кОм, 2,2 кОм, 3,3 кОм, 4,7 кОм и 6,8 кОм. Среди резисторов с номиналами порядка десятков тысяч ом мы обнаружим 10 кОм, 15 кОм, 22 кОм, 33 кОм, 47 кОм и 68 кОм.

Подобные пары цифр называются множителями, потому что вы можете умножить их на 1, или на 1000, или на 10 000, или на 100, или на 10, чтобы получить основные номиналы резисторов в омах.

Этому есть логическое объяснение. Давным-давно многие резисторы имели допуск 20%, и поэтому резистор с номиналом 1,0 кОм мог иметь фактическое сопротивление до 1 + 20% = = 1,2 кОм, в то время как резистор номиналом 1,5 кОм мог иметь сопротивление вплоть до 1,5 кОм - 20% = 1,2 кОм. Поэтому было бессмысленно указывать номинал между 1 и 1,5 кОм. Аналогично, резистор 68 Ом мог иметь номинал до 68 + 20% = 80 Ом, в то время как резистор 100 Ом мог иметь номинал вплоть до 100 - 20% = 80 Ом. Поэтому был нецелесообразен номинал между 68 и 100.

Числа в верхней строке табл. 1.4 — это стандартные множители для резисторов. Эти значения широко распространены и сегодня, несмотря на то, что современные резисторы обладают допуском в 10% или меньше.

Если вы возьмете все числа из первой и третьей строки табл. 1.4 (выделены полужирным шрифтом), то получите все возможные множители для резисторов с допуском 10%. Если затем вы добавите цифры из второй и четвертой строк табл. 1.4, то получите все возможные варианты для резисторов с допуском 5%.

Таблица 1.4

При создании устройств, описанных в данной книге, вам понадобится только шесть стандартных множителей из табл. 1.4. Это сделано специально, чтобы уменьшить требуемый набор резисторов. Если важна точность (например, в эксперименте 19, где схема определяет скорость ваших рефлексов), то подобрать сопротивление можно с помощью потенциометра. Как это сделать, я покажу уже в следующем эксперименте.

 

Компоненты, которые еще пригодятся

В следующем эксперименте вам снова потребуется батарея и светодиод. Резисторы тоже пригодятся в будущем.

 

Изменять сопротивление в цепи можно с помощью потенциометра. Этот компонент поможет точно выставить силу тока. Поэкспериментировав с потенциометром вы лучше поймете взаимосвязь между напряжением и силой тока. Вы также научитесь читать технический паспорт, поставляемый производителем.

 

Что вам понадобится

• Батарея 9 В (1 шт.)

• Резисторы: 470 Ом (1 шт.) и 1 кОм (1 шт.)

• Стандартные светодиоды (2 шт.)

• Тестовые провода с зажимами «крокодил» на каждом конце (4 шт.)

• Потенциометр на 1 кОм, линейный (2 шт.)

• Мультиметр (1 шт.)

 

Как устроен потенциометр

Для начала мне хотелось бы, чтобы вы поняли, как устроен потенциометр, и самый лучший способ это сделать — разобрать его корпус. Вот почему я попросил вас подготовить два потенциометра для этого эксперимента — на тот случай, если вы не сможете снова собрать первый.

Некоторые читатели первого издания книги жаловались на то, что неразумно пытаться разобрать потенциометр, рискуя сломать его. Но почти в любом процессе обучения подразумевается расход каких-либо ресурсов, от ручек и бумаги до маркеров для доски. Если вы действительно не хотите рисковать вашим потенциометром, то можете оставить его в целости и сохранности и изучать конструкцию по приведенным далее фотографиям.

Рис. 1.44. Лапки, которые скрепляют потенциометр

Рис. 1.45. Лапки потенциометра отогнуты вверх и наружу

Рис. 1.46. Корпус потенциометра разобран (кружком выделен движок)

В большинстве потенциометров в качестве скрепляющих элементов используются металлические лапки. Вам нужно отогнуть эти лапки вверх. Первый способ это сделать — подсунуть нож и действовать им как рычагом. Второй способ — применить отвертку или какие-либо кусачки. Я не указал никаких инструментов для этого эксперимента, потому что надеюсь, что у вас в доме есть нож, отвертка или кусачки.

На рис. 1.44 три лапки обведены окружностями (четвертая лапка скрыта за осью компонента). На рис. 1.45 лапки отогнуты вверх и наружу.

После того, как вы отогнули лапки, очень аккуратно потяните за вал, придерживая корпус потенциометра другой рукой. Он должен отделиться, как показано на рис. 1.46.

Внутри корпуса вы увидите круговую дорожку. В зависимости от того, дешевый ли у вас потенциометр или же более высокого класса, дорожка может быть выполнена из проводящего пластика или из тонкого провода, намотанного в виде спирали, как показано на фотографии. В любом случае, принцип работы одинаковый. Провод или пластик обладают некоторым сопротивлением (в общей сложности 1000 Ом для потенциометра номиналом 1 кОм), по мере поворота оси движок соприкасается с резистивной частью и обеспечивает соединение любой точки и центрального вывода. На рис. 1.46 движок потенциометра обведен окружностью.

Возможно, вам удастся снова собрать потенциометр, но если это не получилось, возьмите запасной.

 

Исследование потенциометра

Настройте ваш мультиметр на измерение сопротивления (минимум 1 кОм на мультиметре с ручным выбором диапазона) и коснитесь щупами двух соседних контактов, как показано на рис. 1.47. Вы должны обнаружить, что при вращении вала потенциометра по часовой стрелке (если смотреть сверху) его сопротивление уменьшается почти до нуля. Когда вы вращаете вал против часовой стрелки, сопротивление увеличивается вплоть до 1 кОм. Теперь черный щуп оставьте на месте, а красным коснитесь противоположного контакта. Потенциометр будет вести себя наоборот.

Возможно, у вас появилось предположение, что центральный контакт соединен с движком внутри потенциометра, а другие два контакта подключены к концам дорожки. Ваша догадка правильна!

Если вы поменяете местами красный и черный щупы, то сопротивление между ними не изменится. Оно одинаково в обоих направлениях. В отличие от светодиода, который необходимо подключать, соблюдая полярность, потенциометр не имеет полярности.

Внимание!

Когда вы пытаетесь измерить сопротивление, не подключайте цепь к источнику питания. При измерении сопротивления мультиметр использует небольшое напряжение от внутренней батареи. Вы же не хотите, чтобы внешнее подаваемое напряжение противодействовало тому, которое поступает от мультиметра.

Рис. 1.47. Исследование поведения потенциометра

 

Уменьшение яркости светодиода

Теперь воспользуемся потенциометром для регулировки яркости светодиода. Соедините все в точности так, как показано на рис. 1.48. Убедитесь, что два зажима типа «крокодил» присоединены к указанным контактам. Теперь вы подключили переменное сопротивление (т. е. потенциометр) там, где в эксперименте 3 располагался обычный резистор (см. рис. 1.42).

Внимание!

Впереди эксперимент, требующий осторожности. Я много раз проводил описанный далее эксперимент без всяких происшествий, но один читатель сообщил, что его светодиод потрескался. Если вы желаете подстраховаться, можно надеть защитные очки. Обычные очки тоже подойдут.

Рис. 1.48. Регулировка яркости светодиода при помощи потенциометра

Начните с такого положения оси потенциометра, при котором она полностью повернута против часовой стрелки (если смотреть сверху), в противном случае вы сожжете светодиод, даже не приступив к эксперименту. Теперь очень медленно поворачивайте ось по часовой стрелке в направлении, показанном стрелкой. Вы заметите, что светодиод светит все ярче, ярче и ярче, пока... полностью не погаснет! Видите, как легко сломать современный электронный компонент? Посмотрев на заголовок «Уменьшение яркости светодиода», вы наверное не предполагали, что светодиод погаснет навсегда. Выбросьте этот испорченный светодиод. К сожалению, он больше никогда не будет светить.

Возьмите новый светодиод, только на этот раз мы защитим его. Добавьте в схему резистор с номиналом 470 Ом, как показано на рис. 1.49. Электрический ток теперь проходит через 470-омный резистор, а также через потенциометр, и поэтому светодиод будет защищен, даже если сопротивление потенциометра уменьшится до нуля. Вы можете спокойно перемещать движок потенциометра, не опасаясь что-либо испортить.

Рис. 1.49. Теперь светодиод в безопасности

Урок, который, я надеюсь, вы усвоили, состоит в том, что светодиод очень чувствителен и его нельзя подключать напрямую к 9-вольтовой батарее. Его всегда необходимо защищать каким-либо дополнительным резистором в цепи.

Не желаете ли подключить светодиод напрямую к 1,5-вольтовой батарейке? Попробуйте. Вы можете добиться тусклого свечения, но 1,5 вольта — ниже порогового напряжения для светодиода. Давайте выясним, какое напряжение необходимо светодиоду для нормальной работы.

 

Измерение разности потенциалов

Пока к цепи подключена батарея, установите поворотный переключатель вашего мультиметра на измерение постоянного напряжения в вольтах. Вы можете оставить красный щуп в том же гнезде, потому что гнездо для измерения напряжения и сопротивления одно и то же.

Если у вас мультиметр с ручным выбором диапазона, установите напряжение выше 9 В. Помните, число на шкале поворотного переключателя мультиметра — это максимальное значение для каждого диапазона.

Теперь прикоснитесь щупами к контактам потенциометра, как показано на рис. 1.50. Придерживая щупы, немного поверните вал потенциометра сначала в одну, а затем в другую сторону. Вы увидите соответствующее изменение напряжения. Мы называем это разностью потенциалов между двумя щупами.

Замечание

Термин «разность потенциалов» означает то же, что и напряжение между двумя точками.

Если измерить потенциал на самом светодиоде, он будет также меняться, когда вы регулируете потенциометр, хотя и не настолько, как можно было бы ожидать. В некоторой степени светодиод подстраивается сам, меняя свое сопротивление в зависимости от колебаний напряжения и силы тока.

Что произойдет, если вы поменяете местами красный и черный щупы? На дисплее мультиметра должен появиться знак минус. Вы не сломаете мультиметр таким способом, но будет правильнее, если всегда измерять положительное напряжение красным щупом, а не черным.

И наконец, прикоснитесь щупами к выводам постоянного резистора, разность потенциалов снова изменится при регулировании потенциометра. Как видим, напряжение от батареи распределяется между всеми компонентами этой простой схемы. Когда падение напряжения на потенциометре уменьшается, на долю постоянного резистора и светодиода приходится более высокая разность потенциалов. Кроме того, когда сопротивление потенциометра падает, общее сопротивление в цепи также уменьшается, что увеличивает силу тока.

Рис. 1.50. Измерение разности потенциалов в схеме со светодиодом

Запомните следующие моменты:

• Сумма падений напряжения на всех компонентах последовательной цепи равна напряжению питающей батареи.

• Вы измеряете относительное напряжение между двумя точками цепи. Именно эта величина и называется разностью потенциалов.

• При измерении напряжения подносите ваш мультиметр как стетоскоп, не нарушая соединений и не разрывая цепь.

 

Измерение силы тока

Теперь мне хотелось бы, чтобы вы провели другой эксперимент. Узнайте силу тока в цепи с помощью мультиметра, настроенного на мА (миллиамперы). При измерении силы тока вы должны соблюдать следующие правила:

• Измерять силу тока можно только тогда, когда он проходит через мультиметр.

• Мультиметр включается в разрыв цепи последовательно.

• Слишком сильный ток может сжечь плавкий предохранитель внутри мультиметра.

• Щуп следует вставить в гнездо мультиметра, обозначенное как «мА». Это может быть то же гнездо, которое вы использовали до сих пор, или другое.

Прежде чем начать опыт, убедитесь, что установили поворотный переключатель в положение для измерения силы тока, а не напряжения.

 

Перегрузка мультиметра

Соблюдайте осторожность при измерении силы тока. Например, если вы присоединили щупы мультиметра непосредственно к клеммам батареи, а мультиметр настроен на измерение тока в миллиамперах, то вы создадите моментальную перегрузку, и в мультиметре перегорит плавкий предохранитель. Дешевые устройства не имеют каких-либо запасных предохранителей, поэтому вам придется вскрыть корпус, выяснить номинал предохранителя и найти где-либо точно такой же на замену. Это порядком раздражает (я сам проходил через это, и не раз). У очень дешевых мультиметров может оказаться предохранитель, который заменить не так легко.

Рис. 1.51. Ток проходит через мультиметр и далее по цепи

Совет

Всегда измеряйте силу тока, когда в цепи есть компоненты, которые ограничивают ток. В качестве меры предосторожности, если ваш мультиметр имеет отдельное гнездо для измерения силы тока, вставляйте в него красный провод только на время измерения. Затем верните красный провод обратно в гнездо для измерения напряжения/сопротивления.

 

Регулировка силы тока

Включите мультиметр последовательно в цепь между светодиодом и потенциометром, как показано на рис. 1.51. Регулируя потенциометр в обе стороны, вы обнаружите, что переменное сопротивление в цепи изменяет поток  электричества — силу тока. В предыдущем эксперименте светодиод сгорел, потому что слишком сильный ток нагрел его и расплавил изнутри, совсем как предохранитель. Более высокое сопротивление ограничивает силу тока.

Рис. 1.52. Сила тока, проходящего по простой цепи, всегда постоянна на всем ее протяжении, независимо от того, в каком месте вы ее измеряете

А теперь интересное исследование. Поверните движок потенциометра против часовой стрелки до упора. Запишите силу тока, которую показывает мультиметр.

Не меняя настройки потенциометра, поместите мультиметр в цепь между батареей и светодиодом, как показано на рис. 1.52. Какая сила тока теперь? Она должна быть такой же или почти такой же, как раньше, допустимы незначительные расхождения в сопротивлении в результате перемещения зажимов «крокодил».

Замечание

Сила тока постоянна во всех точках простой последовательной цепи. Так и должно быть, потому что потоку электронов больше некуда деться.

 

Проведение измерений

Пришло время подкрепить эксперименты некоторыми цифрами. Это позволит вам установить самое главное правило для всей электроники.

Удалите светодиод из схемы, включите мультиметр между батареей и потенциометром. Удалите 470-омный резистор и подключите резистор номиналом 1 кОм (с полосками коричневого, черного и красного цвета), как показано на рис. 1.53. Теперь сопротивление в цепи обеспечивают только потенциометр номиналом 1 кОм и постоянный резистор 1 кОм.

Замечание

Мультиметр также обладает некоторым сопротивлением, но оно настолько мало, что мы можем его не учитывать. Провода и зажимы «крокодил» также имеют незначительное сопротивление, но оно даже меньше, чем у мультиметра.

Поверните потенциометр по часовой стрелке до упора, обеспечив таким образом почти нулевое сопротивление. В цепи у вас сейчас только 1000 Ом от постоянного резистора. Какую силу тока показывает ваш мультиметр?

Установите движок потенциометра в среднее положение, чтобы его сопротивление составляло около 500 Ом. Общее сопротивление цепи теперь приблизительно 1500 Ом. Какую силу тока показывает ваш мультиметр сейчас?

Поверните ось потенциометра против часовой стрелки до упора, чтобы его полный номинал плюс номинал резистора в сумме давали 2000 Ом. Какая сила тока сейчас?

Когда я пытался это сделать, у меня получились такие результаты:

9 мА при общем сопротивлении 1 кОм

6 мА при общем сопротивлении 1,5 кОм

4,5 мА при общем сопротивлении 2 кОм

У вас должны быть примерно такие же значения.

Рис. 1.53. В этом последнем эксперименте нет даже светодиода

Заметили кое-что интересное? В каждой строчке, если вы умножите число слева на число справа, в результате получится 9. И напряжение батареи составляет в точности 9 вольт. Мы провели только три измерения, но если вы проведете ряд экспериментов с помощью набора постоянных резисторов, держу пари, результат будет таким же.

Можно резюмировать все это так:

Напряжение батареи в вольтах = миллиамперы × килоомы

Но, погодите-ка, 1 кОм — это 1000 Ом, а 1 мА — это 1/1000 ампера. В результате, если задать основные единицы измерения (вольты, амперы и омы), наша формула должна выглядеть так:

Напряжение в вольтах = (амперы / 1000) × (омы × 1000)

Здесь символ /, который часто называют словом «слеш», означает операцию деления.

Два коэффициента 1000 взаимно сокращаются, и поэтому мы получаем:

вольты = амперы × омы

Данное равенство называется законом Ома. Этот закон основополагающий для электротехники.

 

Закон Ома

Общепринятый способ записи закона Ома таков:

напряжение = сила тока × сопротивление

Обычно его сокращают так:

V = I × R

Буква I обозначает поток электричества, потому что первоначально сила тока измерялась по его индуктивности, т. е. по способности создавать магнитный эффект. Возможно, было бы понятнее обозначать силу тока какой-либо другой буквой, например С, но сейчас уже слишком поздно убеждать кого-либо в этом. Просто запомните, что буква I обозначает силу тока.

Меняя обозначения местами, вы получите следующие формулы:

I = V / R

R = V / I

Чтобы применять эти формулы, вы должны убедиться в том, что значения приведены в соответствующих единицах. Если напряжение (V) измерено в вольтах, сила тока (I) в амперах, то сопротивление (R) должно быть измерено в омах.

А что если вы измерили силу тока в миллиамперах? Вы должны выразить ее в амперах. Например, сила тока в 30 мА должна быть представлена в формуле как 0,03, потому что 0,03 А = 30 мА. Если вы путаетесь, используйте калькулятор, чтобы разделить величину в миллиамперах на 1000 и получить значение в амперах. Подобным же образом разделите значение в милливольтах на 1000, чтобы получить величину в вольтах.

Чтобы уменьшить вероятность ошибок, можно запомнить закон Ома, сформулированный в основных единицах:

вольты = амперы × омы

амперы = вольты / омы

омы = вольты / амперы

Замечание

Не забывайте, что вольты измеряются как разность потенциалов между двумя точками в простой цепи. Омы — это сопротивление между этими же двумя точками. Амперы — это сила тока, протекающего по всей цепи.

 

Последовательное и параллельное подключение

В предыдущей схеме резистор и потенциометр были подключены последовательно, и это означает, что электрический ток сначала проходит через один компонент, а затем через другой. Также их можно соединить «бок о бок», или параллельно.

Замечание

При последовательном соединении резисторы следуют один за другим. При параллельном соединении резисторы располагаются «бок о бок».

Если вы соединяете два одинаковых резистора последовательно, то удваиваете общее сопротивление, т. к. электричество должно преодолевать два барьера поочередно (рис. 1.54).

Когда вы соединяете два одинаковых резистора параллельно, то уменьшаете общее сопротивление пополам, т. к. создаете два пути с равным сопротивлением вместо одного (рис. 1.55).

На обоих рисунках сила тока в миллиамперах была вычислена с помощью закона Ома.

Рис. 1.54. Два резистора с одинаковым номиналом соединены последовательно

В реальности у нас нет необходимости соединять резисторы параллельно, но мы часто подключаем параллельно другие компоненты. Все лампочки в вашем доме, например, подключены параллельно к основному источнику питания. Важно понять, что при параллельном соединении компонентов суммарное сопротивление цепи снижается. В то же время, если вы добавляете больше путей для электрического тока, общая сила тока в цепи увеличивается.

 

Применение закона Ома

Закон Ома исключительно полезен. Например, он поможет точно рассчитать, какое последовательное сопротивление нужно добавить к светодиоду, чтобы защитить его и вместе с тем обеспечить максимум яркости.

Первый этап — ознакомиться с характеристиками светодиода, предоставленными производителем. Эта информация легко доступна в паспорте изделия, который вы можете найти онлайн. Предположим, у вас есть светодиод, выпущенный компанией Vishay Semiconductors. Вы знаете номер модели, TLHR5400, т. к. он был напечатан на ярлыке, когда вы получали набор светодиодов по почте, и вы отрезали ярлык и храните его вместе со светодиодами. (Рекомендую всегда делать именно так.)

Рис. 1.55. Два резистора с одинаковым номиналом соединены параллельно

Все, что вам необходимо сделать — это ввести в поле поиска на сайте Google марку компонента и название компании-производителя:

vishay tlhr5400

Давайте продолжим работу со светодиодом Vishay. Теперь вы знаете, что он хорошо работает при напряжении 2 В и токе в 20 мА, закон Ома подскажет вам остальное.

Самый первый результат — это паспорт изделия, предлагаемого компанией Vishay. Прокрутите страницу, и вы увидите информацию, которая вам необходима. Фрагмент снимка экрана показан на рис. 1.56. Рамкой выделены: номер модели (слева) и два вида прямого напряжения (справа). «ТУР.» означает «обычное», а «МАХ.» — «максимальное». Таким образом, светодиод должен работать при разности потенциалов 2 В. Но что означает столбец «at IF (mA)»? Вспомните, что буква I служит для обозначения силы тока в цепи. Буква «F» означает «Forward» — «прямой». Таким образом, прямое напряжение в таблице измеряется при прямом токе 20 мА, что является рекомендуемым значением для этого светодиода.

А если у вас светодиод Kingbright WP7113SGC? На этот раз второй результат поиска Google приведет вас к соответствующему паспорту изделия, в котором на второй странице указано типичное прямое напряжение 2,2 В, максимальное 2,5 В, а максимальный прямой ток составляет 25 мА. Структура паспорта компонентов Kingbright отличается от паспорта Vishay, но информацию по-прежнему легко найти.

Рис. 1.56. Снимок экрана с техническим паспортом светодиода

 

Как подобрать резистор?

Для простой схемы, показанной на рис. 1.57, вам следует определить правильный номинал резистора.

Начнем с повторения правила, которое я приводил ранее:

• Если вы определяете разность потенциалов для всех устройств в цепи, общее значение останется таким же, как напряжение батареи питания.

Рис. 1.57. Эта простая схема позволяет вам вычислить номинал резистора

Батарея обеспечивает напряжение 9 В, из которых 2 В необходимо светодиоду. Поэтому резистор должен понижать напряжение на 7 В. А что насчет силы тока? Вспомните другое известное вам правило:

• Сила тока в простой цепи одинакова в любой ее точке.

Поэтому сила тока через резистор будет такой же, как сила тока через светодиод. Ваша цель — 20 мА, но закон Ома требует приведения всех единиц к соответствию. Если вы работаете с вольтами и омами, вы должны выразить силу тока в амперах. 20 мА составляют 20/1000 ампер, что равно 0,02 ампера.

Теперь вы можете записать то, что вам известно:

V = 7

I = 0,02

Какой вариант формулы закона Ома необходимо использовать? Тот, в котором искомый параметр находится слева:

R = V / I

Теперь подставим значения V и I в формулу:

R = 7 / 0,02

Для расчетов с десятичным разделителем существует прием, о котором я расскажу, но чтобы сэкономить время, получите ответ с помощью калькулятора:

7 / 0,02 = 350 Ом

Это нестандартный номинал резистора, но существует типовое значение 330 Ом. Кроме того, в том случае, если у вас более чувствительный светодиод, можно взять более высокий стандартный номинал — 470 Ом. Вы, вероятно, помните, что я выбрал резистор 470 Ом для эксперимента 3. Теперь вы знаете почему: я предварительно вычислил его номинал.

Некоторые люди совершают ошибку, полагая, что при делении значения напряжения на силу тока для определения подходящего номинала последовательного резистора они должны подставить величину напряжения питания (в данном случае 9 В). Это неправильно, потому что питающее напряжение подается и на резистор, и на светодиод. Чтобы найти требуемый номинал резистора, вы должны рассматривать разность потенциалов только на нем, а она равна 7 В.

Что произойдет, если вы возьмете другой источник питания? Далее в этой книге в ряде экспериментов вы будете использовать источник 5 В. Как это изменит соответствующий номинал резистора?

Напряжение на светодиоде по-прежнему составляет 2 В. Источник питания выдает 5 В, поэтому резистор должен понижать его на 3 В. Сила тока должна быть одинаковой, и тогда расчет выглядит так:

R = 3 / 0,02

Таким образом, номинал резистора составит 150 Ом. Но вовсе не обязательно, чтобы светодиод обеспечивал максимальную световую отдачу, а возможно даже, что у вас окажется светодиод, у которого предельный ток меньше 20 мА. Кроме того, если схема питается от автономного источника, то желательно уменьшить потребление энергии, чтобы батареи хватило на более долгое время. Учитывая это, вы можете выбрать более высокий стандартный номинал резистора — 220 Ом.

 

Нагрев проводов

Я уже упоминал, что провода имеют очень низкое сопротивление. Настолько ли оно мало, что его всегда можно игнорировать? Не совсем так. Если по проводу протекает большой ток, провод будет нагреваться, как вы сами могли это увидеть, когда замыкали 1,5-вольтовую батарею в эксперименте 2. И если провод становится горячим, вы можете быть уверены, что некоторое напряжение падает на самом проводе, в результате для любого подключенного устройства напряжение окажется меньше расчетного.

Опять-таки, чтобы провести расчеты, пригодится закон Ома.

Предположим, что очень длинный отрезок провода имеет сопротивление 0,2 Ом. Вы желаете пропустить через него ток в 15 А, чтобы запустить устройство, которое потребляет много энергии.

Начинаем с выписывания известных величин:

R = 0,2 (сопротивление провода)

I = 15 (сила тока в цепи)

Вам нужно найти падение напряжения между двумя концами провода (V). Поэтому следует выбрать тот вариант закона Ома, который содержит символ V слева:

V = I × R

Теперь подставим значения:

V = 15 × 0,2 = 3 В

Три вольта — несущественная величина, если у вас есть высоковольтный источник питания, но когда вы используете автомобильный аккумулятор на 12 В, такой отрезок провода будет потреблять четверть от имеющегося напряжения.

Теперь вы знаете, почему проводка в автомобилях выполнена довольно толстым кабелем — чтобы по возможности снизить падение напряжения.

 

Десятичные значения

Легендарный британский политик сэр Уинстон Черчилль известен своими жалобами на «эти проклятые запятые». Он имел в виду десятичные запятые. Поскольку на тот момент Черчилль был министром финансов Великобритании и контролировал все расходы страны, его трудности при работе с десятичными числами представляли некоторую проблему. Тем не менее, он справился с делами при помощи устоявшейся в Великобритании традиции. Вы тоже сможете.

Предположим, у вас есть дробь, содержащая десятичные числа. Вы можете упростить ее, если перенесете десятичные запятые в числителе и в знаменателе дроби на одинаковое количество разрядов. Так, если бы вы пожелали узнать результат деления 7/0,02, чтобы подобрать последовательный резистор для светодиода, то могли бы просто передвинуть запятые на два знака вправо:

7 / 0,02 = 700 / 2

Заметьте, что если вы передвигаете десятичную запятую за правую границу числа, то в каждый дополнительный разряд следует добавить ноль. Поэтому когда вы двигаете десятичную запятую в числе 7,0 на два знака вправо, то получаете 700.

А если у вас десятичные запятые при умножении чисел? Например, вам надо умножить 0,03 на 0,002. Поскольку сейчас вы умножаете, а не делите, следует переносить запятые в противоположных направлениях. Вот так:

0,03 × 0,002 = 3 × 0,00002

Результат равен 0,00006. Повторю еще раз, если для вас это слишком сложно, пользуйтесь калькулятором. Но иногда быстрее считать с помощью ручки и бумаги или даже вычислить все в уме.

 

Математика вашего языка

Я возвращаюсь к вопросу, который задавал в предыдущем эксперименте: почему ваш язык не стал горячим?

Теперь, когда вы знаете закон Ома, можно выразить ответ в числах. Давайте предположим, что батарея выдает заявленное напряжение 9 В, а ваш язык имеет сопротивление 50 кОм, т. е. 50 000 Ом. Как всегда, начнем с записи известных величин:

V = 9

R = 50 000

Вам нужно узнать силу тока, I, поэтому запишем формулу закона Ома так, чтобы этот параметр находится слева:

I = V / R

Подставляем числа:

I = 9 / 50 000 = 0,00018 А

Переместите десятичную запятую на три знака, чтобы перевести амперы в миллиамперы:

I = 0,18 мА

Это очень маленький ток и он не дает значительного количества тепла.

А что было, когда вы замкнули батарею? Какое количество тока нагрело провода? Допустим, провода имеют сопротивление ОД Ом (возможно, оно меньше, но давайте начнем с 0,1 в качестве предположения). Запишите известные значения:

V = 1,5 R = 0,1

И снова я пытаюсь вычислить I, силу тока, поэтому используется формула:

I = V / R

Подставим числа:

I = 1,5/0,1=15 А

Это почти в 100 000 раз больше тока, который мы пропускали через язык. В тонком проводе такой ток выделяет значительное количество тепла.

Комнатный обогреватель или крупные электроинструменты, такие как отрезной станок, могут потреблять ток 15 А. Возможно, вам интересно, действительно ли такая маленькая батарея типа АА смогла выдать такой большой ток. И ответ на это — я не уверен. Я не смог бы измерить силу тока своим мультиметром, потому что ток в 15 А сожжет предохранитель, даже если подключить щуп в гнездо с отметкой 10 А. Но я все же провел эксперимент с 10-амперным предохранителем вместо трехамперного, и он выжил.

Почему же так получилось? Закон Ома утверждает, что сила тока должна была составить 15 А, но по какой-то причине она оказалась меньше. Может быть, сопротивление провода у держателя батареи было на самом деле больше, чем 0,1 Ом? Нет, думаю, что, возможно, даже ниже. Так что же ограничивает силу тока ниже того значения, которое предсказывает закон Ома?

Ответ заключается в том, что все вокруг нас имеет какое-либо электрическое сопротивление, даже батарея. Всегда помните о том, что батарея — это активная часть цепи.

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.

 

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

Чтобы понять, как работает «лимонная» батарея, следует начать со строения атома. Каждый атом состоит из ядра в центре, которое содержит положительно заряженные частицы, их называют протонами. Ядро окружено электронами, которые несут отрицательный заряд.

Разрушение ядра атома требует больших затрат энергии, но и высвобождает также много энергии — так бывает при ядерном взрыве. Но чтобы заставить пару электронов оставить атом (или присоединиться к нему), требуется совсем немного энергии. Например, электроны могут высвободиться, когда цинк вступает в химическую реакцию с кислотой.

Если покрытые цинком детали не подключены еще к чему-либо, реакция вскоре остановится, поскольку скопившимся электронам больше некуда деться. Они обладают силой взаимного отталкивания. Можно сравнить электроны с толпой враждебно настроенных людей, где каждый хочет, чтобы другие ушли, и не позволяет новичкам присоединиться к ним (рис. 1.61).

Рис. 1.61. Электроны внутри электрода настроены «недружелюбно»; это называется взаимным отталкиванием

Теперь рассмотрим, что происходит, когда цинковый электрод, имеющий избыток электронов, соединен проводом с электродом, сделанным из другого материала (например, из меди), который имеет «свободные места» (так называемые дырки) для электронов. Электроны могут свободно перемещаться по проводу, «перепрыгивая» от одного атома к другому. Как только мы откроем такой путь, взаимное отталкивание вынудит электроны сбежать друг от друга на новое «место жительства» как можно быстрее. Так возникает электрический ток (рис. 1.62).

Рис. 1.62. Электроны перемещаются от цинкового электрода к медному

Теперь, когда «популяция» электронов цинкового электрода уменьшилась, реакция между цинком и кислотой может продолжаться, замещая сбежавшие электроны новыми, которые быстро перенимают манеру своих предшественников и пытаются сбежать от остальных по проводу. Они обладают такой энергией, что мы можем направить электроны через светодиод, где они высвободят некоторое количество энергии, заставив его светиться.

Процесс продолжается, пока реакция между цинком и кислотой не прекратится, это происходит обычно из-за образования слоя вещества, например, оксида цинка, который не взаимодействует с кислотой и не позволяет ей вступать в реакцию с расположенным глубже цинком. (Вот почему цинковые электроды могут выглядеть потемневшими, когда вы вытащите их из кислотного электролита.)

Описанные процессы происходят в первичной батарее. Это значит, что она вырабатывает электричество, как только обеспечено соединение между ее полюсами. Сила тока, которую способна обеспечить первичная батарея, определяется скоростью протекающих химических реакций по высвобождению электронов. Когда необработанный металл электродов полностью используется в химической реакции, батарея больше не сможет производить электричество вследствие истощения. Ее не так просто перезарядить, потому что химические реакции трудно обратить, а электроды могли окислиться.

В перезаряжаемых аккумуляторах, также известных как вторичные батареи, более тщательный подбор электродов и электролита позволяет сделать химические реакции обратимыми.

 

История о плюсе и минусе

Как я уже упоминал, электричество — это поток электронов, которые имеют отрицательный заряд. В таком случае, почему же в экспериментах, которые вы уже провели, я говорил о том, что электричество перетекает от положительного полюса батареи к отрицательному?

Рассказ начинается с конфузов в истории исследования электричества. Когда Бенджамин Франклин пытался понять природу электрического тока, изучая такой феномен, как молния во время грозы, он считал, что наблюдает поток «электрических флюидов» от положительной стороны к отрицательной. Он выдвинул эту концепцию в 1747 году.

Фактически Франклин сделал досадную ошибку, которая оставалась неисправленной до тех пор, пока в 1897 году физик Джозеф Джон Томсон не сообщил о своем открытии электрона. На самом деле электричество — это поток отрицательно заряженных частиц из области с большим отрицательным зарядом в другую область, которая является «менее отрицательной» или «более положительной». В батарее электроны исходят от отрицательного полюса и текут к положительному.

Вы могли бы подумать, что когда этот факт был установлен, всем следовало бы забраковать идею Бена Франклина о потоке частиц от плюса к минусу. Но люди мыслили в этих терминах уже 150 лет. К тому же, когда электрон движется по проводу, вы можете представлять, что соответствующий положительный заряд движется в противоположном направлении. Когда электрон покидает свое место, он забирает небольшой отрицательный заряд с собой, поэтому его исходное место становится немного более положительным. Когда электрон прибывает на место назначения, его отрицательный заряд делает это место чуть менее положительным. Все это во многом подобно тому, как если бы воображаемая положительная частица путешествовала в обратном направлении. Более того, все математические закономерности, описывающие поведение электричества, остаются верными, если применить их к воображаемым положительным зарядам.

По традиции и для удобства ошибочная концепция Бена Франклина о потоке частиц от положи тельного полюса к отрицательному прижилась, поскольку, в конечном счете, это не имеет значения.

На обозначениях таких компонентов, как диоды и транзисторы, вы увидите стрелки, которые подсказывают, в каком направлении необходимо подключать выводы, — и все эти стрелки указывают от плюса к минусу, несмотря на то, что в действительности все устроено совсем не так.

Когда Бен Франклин изучал молнию, он воспринимал ее как электрический разряд, который двигается из положительной области (от облаков на небе) к отрицательному хранилищу (к планете Земля). Действительно, облака являются более положительными, но в реальности это просто означает то, что молния передает электроны от земли в небо. Да, именно так: тот, кого «ударила молния», может пострадать от испускания электронов, а не от их получения, как показано на рис. 1.63.

Рис. 1.63. При определенных погодных условиях поток электронов во время удара молнии может идти от земли, через ваши ноги к макушке головы и выше к облакам. Бенджамин Франклин был бы удивлен

 

Немного теории

Теперь я собираюсь вернуться назад, к некоторым определениям, которые обычно приводятся в начале книг по электронике.

Электрический потенциал определяется как сумма зарядов отдельных электронов. Основная единица измерения — кулон, который равен общему заряду 6 241 509 629 152 650 000 электронов.

Если вы знаете, сколько электронов проходит через отрезок провода за секунду, то сможете вычислить поток электричества, который можно выразить в амперах:

1 ампер = 1 кулон/секунда

(около 6,24 квинтиллионов электронов за секунду)

Даже если бы вы сумели заглянуть внутрь провода с электрическим током, то не смогли понаблюдать за электронами, поскольку их размеры меньше, чем длина волны видимого света, и кроме того, их слишком много и двигаются они очень быстро. Тем не менее, у нас есть косвенные способы их обнаружения. Например, движение электрона создает электромагнитную силу. Большее число электронов создает большую силу, и ее можно измерить. На ее основе мы можем вычислить силу тока. Ваш домашний электросчетчик работает по такому же принципу.

Сила, необходимая чтобы «протолкнуть» электроны через проводник, — это напряжение, оно создает электрический ток, который производит тепло, как вы заметили, когда замыкали батарею. (Если бы провод, который вы использовали, имел нулевое сопротивление, то электричество проходило бы по нему, не выделяя тепла.) Эту энергию можно напрямую превратить в тепло, как в электроплитах, или, например, запустить двигатель. В обоих случаях за счет энергии электронов выполняется какая-либо работа.

Один вольт можно определить как величину напряжения, которое вам необходимо для создания тока в 1 ампер, совершающего работу в 1 ватт. Как было указано ранее, 1 ватт = 1 вольт × 1 ампер, но это определение чаще записывают по - другому:

1 вольт = 1 ватт/1 ампер

Этот вариант более нагляден, поскольку ватт можно определить в неэлектрических терминах. Если вам интересно, можно раскрыть единицы метрической системы таким образом:

1 ватт = 1 джоуль/секунда

1 джоуль = 1 ньютон силы, совершающей работу на расстоянии в 1 метр

1 ньютон силы ускоряет 1 кг на 1 м/сек за каждую секунду

На этом основании все электрические единицы могут быть получены через наблюдения за массой, временем и зарядом электронов.

 

А теперь практика

Для практических целей, я думаю, интуитивное понимание электричества полезнее, чем теория. Мне нравится возвращаться к аналогиям с использованием воды, которые десятилетиями приводились в руководствах по электротехнике.

На рис. 1.30 я изобразил, как интенсивность, с которой вытекает вода из отверстия в емкости, можно сравнить с силой тока, в то время как уровень воды в сосуде создает давление, сравнимое с напряжением, а размер отверстия соответствует сопротивлению.

Как же представить по аналогии мощность в ваттах? Предположим, вы поместили небольшое водяное колесо там, где его достигает поток из отверстия, как показано на рис. 1.64. К этому водяному колесу можно прикрепить какой-либо механизм. Теперь поток совершает некоторую работу. (Вспомните, что мощность в ваттах является мерой скорости, с которой совершена работа.)

Рис. 1.64. Если колесо извлекает энергию из потока воды, поток выполняет какую-то работу, которая может быть измерена в ваттах за определенный период времени

Рис. 1.65. Чтобы продолжить функционирование системы, вы должны возвращать работу в нее

Возможно, это выглядит, как будто вы получаете что-то даром, извлекая работу от течения воды без возврата энергии в систему. Учтите, однако, что уровень воды в сосуде снижается. Как только я добавил помощников, перетаскивающих выливающуюся воду обратно в емкость, стало очевидным, что необходимо затратить некоторую энергию, чтобы получить работу на выходе (рис. 1.65).

Аналогично, может казаться, что батарея производит энергию, не получая ничего взамен, но химические реакции внутри нее превращают чистый металл в другие соединения, и получаемая нами энергия обусловлена этим изменением состояния. Если это аккумулятор, мы должны «втолкнуть» энергию обратно в процессе зарядки, чтобы обратить химические реакции.

Вернемся к емкости с водой и предположим, что мы не можем получить энергию в количестве, достаточном для вращения колеса. Первый способ — поднять уровень воды, чтобы создать большую силу, как на рис. 1.66.

Рис. 1.66. При большем давлении воды величина доступной работы увеличится

Это было бы подобно последовательному соединению двух батарей, плюса с минусом (как с лимонами, в лимонной батарее). Две последовательные батареи удвоят напряжение, как показано на рис. 1.67. Поскольку сопротивление цепи остается прежним, более высокое напряжение будет создавать большую силу тока, потому что сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению.

Снова вернемся к аналогии с сосудом. Что если мы захотим, чтобы колесо работало в два раза дольше, а емкость сосуда уже исчерпана? Может быть, нужно поставить второй сосуд и объединить их выходные отверстия в одно. Аналогично, если вы подключите две батареи параллельно, вы получите то же самое напряжение, но батареи прослужат в два раза дольше. Как альтернатива, две батареи способны выдать больший ток, чем одна (рис. 1.68).

Рис. 1.67. Две последовательные батареи обеспечивают удвоение напряжения, при условии, что они обе полностью заряжены

Рис. 1.68. Параллельные батареи питают ту же нагрузку, что и раньше, но в два раза дольше. Кроме того, они могут выдать в два раза больший ток за тот же период времени, что и одна батарея

Подведем итог:

• Две последовательно соединенные батареи обеспечивают удвоение напряжения.

• Две параллельные батареи могут обеспечить ту же силу тока, что и одна, но в два раза дольше, или же удвоенную силу тока за то же время.

Но довольно теории. В следующей главе мы продолжим эксперименты, которые будут построены на основных знаниях об электричестве, чтобы постепенно привести вас к созданию забавных и полезных устройств.

 

Завершение эксперимента и уборка рабочего места

Металлические изделия, которые вы погружали в лимоны или в лимонный сок, могут изменить цвет, но по-прежнему пригодны к использованию. Помните о том, что ионы цинка могли остаться в лимонах, поэтому не стоит употреблять их в пищу.