Sähkövirrasta, jännitteestä ja tehosta Neuvostoliiton lastenkirjasta: yksinkertainen ja selkeä

Neuvostoliitossa, joka saavutti erittäin vakavia menestyksiä tieteen ja tekniikan kehityksessä, radioamatööriliike levisi laajasti. Monet tuhannet nuoret kansalaiset ovat opiskelleet radiotekniikkaa ohjaajien ohjauksessa radiopiireissä ja radiokerhoissa, joilla on erityistä teknistä kirjallisuutta, työkaluja ja instrumentteja. Monista heistä tuli tulevaisuudessa päteviä insinöörejä, suunnittelijoita, tutkijoita.

Tällaisia ​​radiopiirejä varten julkaistiin suosittua tieteellistä kirjallisuutta, jossa erilaisia ​​fysiikan, mekaniikan, sähkötekniikan ja elektroniikan kysymyksiä selitettiin yksinkertaisella kielellä lukuisilla kuvilla.

Yksi esimerkki tällaisista kirjoista on Cheslov Klimchevskyn kirja "Radiotamatöörin aakkoset", jonka kustantaja "Svyazizdat" julkaisi vuonna 1962. Kirjan ensimmäinen osa on nimeltään "Sähkötekniikka", toinen osa on "Radio". Suunnittelu", kolmas on "Käytännön neuvoja". , neljäs osa - "Asennamme itse".

Itse kirjan voi ladata täältä: Radioamatööriaakkoset (villi)

Tämäntyyppiset kirjat eivät 1960-luvulla kuuluneet kovin erikoistuneeseen kirjallisuuteen.Niitä julkaistiin kymmenien tuhansien kappaleiden levikkinä ja ne oli tarkoitettu joukkolukijalle.

Raz-radiota sovellettiin niin täydellisesti ihmisten jokapäiväiseen elämään, joten tuolloin uskottiin, ettei vain kyky kääntää nuppeja voi rajoittaa. Ja jokaisen koulutetun ihmisen tulisi opiskella radiota ymmärtääkseen, kuinka radiolähetys ja radiovastaanotto tapahtuu, tutustuakseen sähköisiin ja magneettisiin perusilmiöihin, jotka ovat radiotekniikan teorian avain. Myös vastaanottolaitteiden järjestelmiin ja suunnitteluun on yleisesti ottaen perehdyttävä.

Katsotaan yhdessä ja arvioidaan, kuinka tuohon aikaan osattiin selittää monimutkaisia ​​asioita yksinkertaisilla kuvilla.

Aikamme aloitteleva radioamatööri:

Tietoja sähkövirrasta

Kaikki maailman aineet ja vastaavasti kaikki ympärillämme olevat esineet, vuoret, meret, ilma, kasvit, eläimet, ihmiset koostuvat mittaamattoman pienistä hiukkasista, molekyyleistä ja viimeksi mainitut puolestaan ​​atomeista. Raudanpala, vesipisara, merkityksetön määrä happea ovat miljardien atomien kertymä, yhdenlainen raudassa, toinen vedessä tai hapessa.

Jos katsot metsää kaukaa, se näyttää tummalta nauhalta, joka on yksiosainen (vertaa sitä esimerkiksi rautapalaan). Kun ne lähestyvät metsän reunaa, yksittäisiä puita voidaan nähdä (rautapalassa - rautaatomit). Metsä koostuu puista; samoin aine (kuten rauta) koostuu atomeista.

Havumetsässä puut ovat erilaisia ​​kuin lehtimetsässä; samoin kunkin kemiallisen alkuaineen molekyylit koostuvat atomeista, jotka ovat erilaisia ​​kuin muiden kemiallisten alkuaineiden molekyylit. Joten rautaatomit ovat erilaisia ​​kuin esimerkiksi happiatomit.

Lähestymme vieläkin lähemmäksi puita, näemme, että jokainen niistä koostuu rungosta ja lehdistä. Samalla tavalla aineen atomit koostuvat ns Ydin (runko) ja elektronit (levyt).

Runko on raskas ja ydin on raskas; se edustaa atomin positiivista sähkövarausta (+). Lehdet ovat kevyitä ja elektronit ovat kevyitä; ne muodostavat negatiivisen sähkövarauksen (-) atomiin.

Eri puiden rungoissa on eri määrä oksia ja lehtien määrä ei ole sama. Samoin atomi, riippuen edustamastaan ​​kemiallisesta alkuaineesta, koostuu (yksinkertaisimmassa muodossaan) ytimestä (rungosta), jossa on useita positiivisia varauksia. niin sanotut protonit (oksat) ja joukko negatiivisia varauksia - elektroneja (levyjä).

Metsään, maahan puiden väliin, kerääntyy monia pudonneita lehtiä. Tuuli nostaa nämä lehdet maasta ja ne kiertävät puiden keskellä. Joten aineessa (esimerkiksi metallissa) yksittäisten atomien joukossa on tietty määrä vapaita elektroneja, jotka eivät kuulu mihinkään atomeista; nämä elektronit liikkuvat satunnaisesti atomien välillä.

Jos liität sähköakusta tulevat johdot metallikappaleen (esimerkiksi teräskoukun) päihin: yhdistä sen toinen pää akun plussaan — tuo ns. positiivinen sähköpotentiaali (+) siihen ja toinen pää akun miinukseen - tuo negatiivinen sähköpotentiaali (-), sitten vapaat elektronit (negatiiviset varaukset) alkavat liikkua metallin sisällä olevien atomien välillä kiirehtien akun positiiviselle puolelle.

Tämä selittyy seuraavalla sähkövarausten ominaisuudella: vastakkaiset varaukset eli positiiviset ja negatiiviset varaukset vetävät toisiaan puoleensa; kuten varaukset, eli positiiviset tai negatiiviset, päinvastoin hylkivät toisiaan.

Metallin vapaat elektronit (negatiiviset varaukset) vetäytyvät akun positiivisesti varautuneeseen (+) napaan (virran lähde) ja siksi eivät liiku metallissa enää satunnaisesti, vaan virtalähteen plus-puolelle.

Kuten jo tiedämme, elektroni on sähkövaraus. Suuri määrä yhteen suuntaan metallin sisällä liikkuvia elektroneja muodostaa elektronivirran, ts. sähkömaksut. Nämä metallissa liikkuvat sähkövaraukset (elektronit) muodostavat sähkövirran.

Kuten jo mainittiin, elektronit liikkuvat johtoja pitkin miinuksesta plussaan. Sovimme kuitenkin ottavansa huomioon, että virta kulkee päinvastaiseen suuntaan: plussasta miinukseen, eli ikään kuin negatiiviset, mutta positiiviset varaukset liikkuvat johtoja pitkin (tällaiset positiiviset varaukset houkuttelisivat virtalähteen miinusta) .

Mitä enemmän lehtiä metsässä tuuli ajaa, sitä paksummin ne täyttävät ilman; samoin mitä enemmän varauksia virtaa metallissa, sitä suurempi on sähkövirran määrä.

Kaikki aineet eivät voi kuljettaa sähkövirtaa yhtä helposti. Vapaat elektronit liikkuvat helposti esimerkiksi metalleissa.

Materiaaleja, joissa sähkövaraukset liikkuvat helposti, kutsutaan sähkövirran johtimiksi. Joissakin materiaaleissa, joita kutsutaan eristeiksi, ei ole vapaita elektroneja, joten eristeiden läpi ei kulje sähkövirtaa. Eristeitä ovat mm. lasi, posliini, kiille, muovi.

Sähkövirtaa johtavassa aineessa olevia vapaita elektroneja voidaan myös verrata vesipisaroihin.

Yksittäiset pisarat levossa eivät aiheuta vesivirtausta. Suuri määrä niistä muodostaa liikkeessä puron tai joen, joka virtaa yhteen suuntaan. Tämän puron tai joen vesipisarat liikkuvat virtauksessa, jonka voima on suurempi, mitä suurempi on ero kanavan tasoissa sen reitillä ja siten sitä suurempi ero yksilön "potentiaalissa" (korkeudessa) tämän polun yksittäisiä osia.

Sähkövirran suuruus

Ymmärtääksesi sähkövirran aiheuttamat ilmiöt, vertaa sitä veden virtaukseen. Pienet määrät vettä virtaa puroissa, kun taas suuret vesimassat virtaavat joissa.

Oletetaan, että veden virtauksen arvo virrassa on yhtä suuri kuin 1; Otetaan joen virtaamaksi esimerkiksi 10. Lopuksi voimakkaalle joelle veden virtausarvo on esimerkiksi 100, mikä on sata kertaa virtauksen arvo.

Heikko vesivirta voi ajaa vain yhden myllyn pyörää. Otamme tämän virran arvoksi 1.

Kaksinkertainen vesivirta voi ajaa kahta näistä myllyistä. Tässä tapauksessa veden virtausarvo on yhtä suuri kuin 2.

Viisi kertaa vesivirta voi ajaa viisi identtistä myllyä; vesivirran arvo on nyt 5. Vesivirran virtaus joessa voidaan tarkkailla; sähkövirta kulkee silmillemme näkymättömien johtojen läpi.

Seuraavassa kuvassa on sähkömoottori (sähkömoottori), joka toimii sähkövirralla. Otetaan tässä tapauksessa sähkövirran arvo, joka on yhtä suuri kuin 1.

Kun sähkövirta käyttää kahta tällaista sähkömoottoria, pääjohtimen läpi kulkeva virran määrä on kaksi kertaa suurempi, eli yhtä suuri kuin 2.Lopuksi, kun sähkövirta syöttää viittä samaa sähkömoottoria, pääjohdon virta on viisi kertaa suurempi kuin ensimmäisessä tapauksessa; siksi sen magnitudi on 5.

Käytännöllinen yksikkö veden tai muun nesteen virtausmäärän mittaamiseksi (eli sen määrä, joka virtaa aikayksikköä kohti, esimerkiksi sekunnissa, joen uoman, putken tms. poikkileikkauksen läpi) on litraa sekunnissa.

Sähkövirran suuruuden eli langan poikkileikkauksen läpi aikayksikköä kohti virtaavien varausten määrän mittaamiseksi käytetään ampeeria käytännön yksikkönä, jolloin sähkövirran suuruus määritetään ampeereina. Lyhennetty ampeeri on merkitty kirjaimella a.

Sähkövirran lähde voi olla esimerkiksi galvaaninen paristo tai sähköakku.

Pariston tai akun koko määrää niiden sähkövirran määrän ja toiminnan keston.

Sähkötekniikan sähkövirran suuruuden mittaamiseksi käytä erikoislaitteita, ampeerimittareita (A). Eri sähkölaitteet kuljettavat eri määriä sähkövirtaa.

Jännite

Toinen sähköinen suure, joka liittyy läheisesti virran suuruuteen, on jännite. Ymmärtääksemme helpommin, mikä sähkövirran jännite on, verrataan sitä kanavan tasojen eroon (veden putoamiseen jokeen), aivan kuten verrattiin sähkövirtaa veden virtaukseen. Pienellä erolla kanavatasoissa otamme eron yhtä suureksi kuin 1.

Jos väylän tasojen ero on suurempi, niin veden pudotus on vastaavasti suurempi. Oletetaan esimerkiksi, että se on yhtä suuri kuin 10, eli kymmenen kertaa enemmän kuin ensimmäisessä tapauksessa.Lopuksi, kun veden putoamiskorkeudessa on vielä suurempi ero, se on esimerkiksi 100.

Jos vesivirta putoaa pieneltä korkeudelta, se voi ajaa vain yhden myllyn. Tässä tapauksessa otamme vesipisaran, joka on yhtä suuri kuin 1.

Sama virta, joka putoaa kaksi kertaa korkeammalta, voi kääntää kahden samanlaisen myllyn pyörät. Tässä tapauksessa vesipisara on yhtä suuri kuin 2.

Jos kanavatasojen ero on viisi kertaa suurempi, sama virtaus ajaa viisi tällaista myllyä. Vesipisara on 5.

Samanlaisia ​​ilmiöitä havaitaan, kun tarkastellaan sähköjännitettä. Riittää, kun korvataan termi "vesipisara" termillä "sähköjännite", jotta ymmärrät, mitä se tarkoittaa seuraavissa esimerkeissä.

Anna vain yhden lampun palaa. Oletetaan, että siihen kohdistetaan jännite, joka on yhtä suuri kuin 2.

Jotta viisi tällaista samalla tavalla kytkettyä polttimoa voisi palaa, jännitteen on oltava 10.

Kun kaksi identtistä, sarjaan kytkettyä lamppua syttyy (kuten lamput on yleensä kytketty joulukuusenseppeleissä), jännite on 4.

Kaikissa tarkastelluissa tapauksissa kunkin polttimon läpi kulkee samansuuruinen sähkövirta ja jokaiseen heistä syötetään sama jännite, joka on osa kokonaisjännitettä (akkujännite), joka on erilainen kussakin yksittäisessä esimerkissä.

Anna joen virrata järveen. Ehdollisesti otamme järven vedenkorkeuden nollaksi, jolloin toisen puun lähellä olevan joen taso järven vedenkorkeuteen nähden on 1 m ja joen uoman taso lähellä kolmatta puuta. puusta tulee 2 m. Kanavan taso kolmannen puun lähellä on 1 m korkeampi kuin sen taso lähellä toista puuta, ts. näiden puiden välinen etäisyys on 1 m.

Kanavien tasojen ero mitataan esimerkiksi pituusyksiköissä, kuten me teimme, metreissä. Sähkötekniikassa joen uoman taso missä tahansa pisteessä suhteessa tiettyyn nollatasoon (esimerkissämme järven vedenkorkeus) vastaa sähköpotentiaalia.

Sähköpotentiaalin eroa kutsutaan jännitteeksi. Sähköpotentiaali ja jännite mitataan samalla yksiköllä - voltilla, lyhennettynä kirjaimella c. Sähköjännitteen mittausyksikkö on siis voltti.

Sähköjännitteen mittaamiseen käytetään erityisiä mittalaitteita, joita kutsutaan volttimittariksi (V).

Tällainen sähkövirran lähde, kuten akku, tunnetaan laajalti. Ns. lyijyakun (jossa lyijylevyt upotetaan rikkihapon vesiliuokseen) yhden kennon jännite on ladattuna noin 2 volttia.

Anodiakku, jota käytetään akkuradioiden syöttämiseen sähkövirralla, koostuu yleensä useista kymmenistä kuivista galvaanisista kennoista, joiden jännite on noin 1,5 V.

Nämä elementit yhdistetään peräkkäin (eli ensimmäisen elementin plus on kytketty toisen miinukseen, toisen plus - kolmannen miinukseen jne.). Tässä tapauksessa akun kokonaisjännite on yhtä suuri kuin niiden kennojen jännitteiden summa, joista se koostuu.

Siksi 150 V akku sisältää 100 tällaista kennoa, jotka on kytketty sarjaan keskenään.

Valaistusverkon 220 V jännitteen pistorasiaan voidaan kytkeä yksi 220 V jännitteelle suunniteltu hehkulamppu tai 22 samanlaista sarjaan kytkettyä joulukuusenvaloa, joista jokainen on suunniteltu 10 V jännitteelle.Tässä tapauksessa jokaisella polttimolla on vain 1/22 verkkojännitteestä, eli 10 volttia.

Tiettyyn sähkölaitteeseen, meidän tapauksessamme hehkulamppuun, vaikuttavaa jännitettä kutsutaan jännitehäviöksi. Jos 220 V polttimo kuluttaa saman virran kuin 10 V polttimo, niin seppeleen verkosta ottama kokonaisvirta on suuruudeltaan sama kuin 220 V polttimon läpi kulkeva virta.

Kerrotun perusteella on selvää, että esimerkiksi kaksi identtistä 110 voltin polttimoa voidaan kytkeä 220 V verkkoon, kytkettynä sarjaan keskenään.

On mahdollista lämmittää esimerkiksi 6,3 V:n jännitteelle suunniteltuja radioputkia akusta, joka koostuu kolmesta sarjaan kytketystä kennosta; lamppuja, jotka on suunniteltu hehkulangan jännitteelle 2 V, voidaan käyttää yhdestä kennosta.

Radiosähköputkien hehkulangan jännite on esitetty pyöristetyssä muodossa lampun symbolin alussa: 1,2 V — numerolla 1; 4,4 tuumaa - numero 4; 6,3 tuumaa - numero 6; 5 c - numero 5.

Sähkövirtaa aiheuttavan syyn vuoksi

Jos kaksi maanpinnan aluetta, jopa kaukana toisistaan, sijaitsevat eri tasoilla, vesi voi virrata. Vesi virtaa korkeimmasta kohdasta alimpaan.

Samoin sähkövirta. Se voi virrata vain, jos sähkötasoissa (potentiaalissa) on eroja. Sääkartalla korkein barometrinen taso (korkeapaine) on merkitty "+"-merkillä ja alin taso "-"-merkillä.

Tasot kohdistetaan nuolen suuntaan. Tuuli puhaltaa alimman barometrisen alueen suuntaan. Kun paine tasoittuu, ilman liike pysähtyy. Näin ollen sähkövirran virtaus pysähtyy, jos sähköpotentiaalit tasoittuvat.

Ukkosmyrskyn aikana sähköpotentiaalit tasautuvat pilvien ja maan välillä tai pilvien välillä. Näkyy salaman muodossa.

Jokaisen galvaanisen kennon tai akun napojen (napojen) välillä on myös potentiaaliero. Siksi, jos kiinnität siihen esimerkiksi hehkulampun, virta kulkee sen läpi. Ajan myötä potentiaaliero pienenee (potentiaalin tasaus tapahtuu) ja myös virtaavan virran määrä pienenee.

Jos kytket hehkulampun verkkovirtaan, sen läpi kulkee myös sähkövirtaa, koska pistorasian pistorasian välillä on potentiaaliero. Toisin kuin galvaaninen kenno tai akku, tämä potentiaaliero säilyy kuitenkin jatkuvasti – niin kauan kuin voimalaitos on käynnissä.

Sähköenergia

Sähköjännitteen ja virran välillä on läheinen yhteys. Sähkötehon määrä riippuu jännitteen ja virran määrästä. Selvitetään tämä seuraavilla esimerkeillä.

Kirsikka putoaa matalalta: Matala korkeus - lievä jännitys. Pieni iskuvoima – pieni sähköteho.

Kookospähkinä putoaa pieneltä korkeudelta (suhteessa siihen, mihin poika kiipesi): Suuri esine - suuri virta. Matala korkeus - alhainen stressi. Suhteellisen suuri iskuvoima - suhteellisen suuri teho.

Pieni kukkaruukku putoaa suurelta korkeudelta: Pieni esine on pieni virta. Pudotuksen suuri korkeus on suurta stressiä. Suuri iskuvoima - suuri teho.

Lumivyöry putoaa suurelta korkeudelta: Suuret lumimassat - suuri virtaus. Pudotuksen suuri korkeus on suurta stressiä. Lumivyöryn suuri tuhovoima on suuri sähkövoima.

Suurella virralla ja korkealla jännitteellä saadaan suuri sähköteho.Mutta sama teho voidaan saada suuremmalla virralla ja vastaavasti pienemmällä jännitteellä tai päinvastoin pienemmällä virralla ja suuremmalla jännitteellä.

Tasavirtasähköteho on yhtä suuri kuin jännitteen ja virran arvojen tulo. Sähköteho ilmaistaan ​​watteina ja on merkitty kirjaimilla W.

On jo sanottu, että tietyn suuruinen vesivirtaus voi ajaa yhden myllyn, kaksinkertainen virtaus - kaksi myllyä, neljä kertaa virtaus - neljä myllyä jne. huolimatta siitä, että vesipisara (jännite) on sama .

Kuvassa näkyy pieni (sähkövirtaa vastaava) vesivirtaus, joka pyörittää neljän myllyn pyöriä, koska vesipisara (sähköjännitettä vastaava) on riittävän suuri.

Näiden neljän myllyn pyörät voivat pyöriä kaksinkertaisella vesivirralla puolet putoamisen korkeudesta. Silloin tehtaat järjestettäisiin hieman eri tavalla, mutta lopputulos olisi sama.

Seuraavassa kuvassa on kaksi lamppua, jotka on kytketty rinnan 110 V valaistusverkkoon. Kummankin läpi kulkee virta 1 A. Kahden lampun läpi kulkeva virta on yhteensä 2 ampeeria.

Jännitteen ja virran arvojen tulo määrittää tehon, jonka nämä lamput kuluttavat verkosta.

110V x 2a = 220W.

Jos valaistusverkon jännite on 220 V, samat lamput on kytkettävä sarjaan, ei rinnan (kuten edellisessä esimerkissä), jotta niiden jännitehäviön summa on yhtä suuri kuin valaisimen jännite. verkkoon. Tässä tapauksessa kahden lampun läpi kulkeva virta on 1 A.

Piirin läpi kulkevan jännitteen ja virran tulo antaa meille näiden lamppujen kuluttaman tehon 220 V x 1a = 220 W, eli sama kuin ensimmäisessä tapauksessa.Tämä on ymmärrettävää, koska toisessa tapauksessa verkosta otettu virta on kaksi kertaa pienempi, mutta kaksi kertaa verkon jännite.

Watti, kilowatti, kilowattitunti

Mikä tahansa sähkölaite tai kone (kello, hehkulamppu, sähkömoottori jne.) kuluttaa tietyn määrän sähköenergiaa valaistusverkosta.

Sähkötehon mittaamiseen käytetään erikoislaitteita, joita kutsutaan wattimittariksi.

Esimerkiksi valaistuslampun, sähkömoottorin jne. teho voidaan määrittää ilman wattimittaria, jos verkkojännite ja verkkovirtaan kytketyn sähköenergian kuluttajan läpi kulkevan virran määrä ovat tiedossa.

Vastaavasti, jos verkon tehonkulutus ja verkkojännite tunnetaan, voidaan määrittää kuluttajan läpi kulkevan virran määrä.

Esimerkiksi 110 voltin valaistusverkko sisältää 50 watin lampun. Mikä virta sen läpi kulkee?

Koska voltteina ilmaistun jännitteen ja ampeereina ilmaistun virran tulo on yhtä suuri watteina ilmaistun tehon kanssa (tasavirralle), käänteisen laskennan jälkeen eli jaa wattimäärä volttien määrällä ( verkkojännite), saamme lampun läpi virtaavan virran määrän ampeereina,

a = w / b,

virta on 50 W / 110 V = 0,45 A (noin).

Näin ollen lampun läpi kulkee noin 0,45 A virta, joka kuluttaa 50 W energiaa ja on kytketty 110 V sähköverkkoon.

Jos huoneen valaistusverkkoon sisältyy kattokruunu neljällä 50 watin polttimolla, pöytävalaisin yhdellä 100 watin polttimolla ja 300 watin silitysrauta, niin kaikkien energiankuluttajien teho on 50 W x 4 + 100 W + 300 W = 600 W.

Koska verkkojännite on 220 V, sähkövirta, joka on 600 W / 220 V = 2,7 A (noin), kulkee tähän huoneeseen sopivien yleisten valaistusjohtojen läpi.

Anna sähkömoottorin kuluttaa 5000 wattia tehoa verkosta tai, kuten sanotaan, 5 kilowattia.

1000 wattia = 1 kilowatti, aivan kuten 1000 grammaa = 1 kilogramma. Kilowatteista käytetään lyhennettä kW. Siksi voimme sanoa sähkömoottorista, että se kuluttaa 5 kW tehoa.

Sen määrittämiseksi, kuinka paljon sähkölaite kuluttaa energiaa, on otettava huomioon aika, jonka aikana kyseistä energiaa kulutettiin.

Jos 10 watin hehkulamppu on päällä kaksi tuntia, sähköenergian kulutus on 100 wattia x 2 tuntia = 200 wattituntia tai 0,2 kilowattituntia. Jos 100 watin hehkulamppu on päällä 10 tuntia, energiankulutus on 100 wattia x 10 tuntia = 1000 wattituntia tai 1 kilowattitunti. Kilowattitunnit on lyhennetty kWh:ksi.

Tässä kirjassa on paljon muutakin mielenkiintoista, mutta nämäkin esimerkit osoittavat, kuinka vastuullisesti ja vilpittömästi silloiset kirjoittajat suhtautuivat työhönsä, varsinkin lasten opettamisessa.