Сегодня мы продолжим рассмотрение «водяной» аналогии, помогающей понять основные закономерности электротехники. Предыдущая статья была в основном «теоретическая», мы рассмотрели основные понятия электричества и их аналогию.
Сегодня мы рассмотрим, как в нашей аналогии могут выглядеть реальные элементы электрических схем.
Постоянный и переменный ток
Прежде чем рассматривать аналогии реальных элементов, необходимо напомнить одну важную деталь.
Как и в случае электричества, наша водяная аналогия предусматривает, что у источника напора (у насоса) есть две трубы. Жидкость выходит из одной трубы, и должна возвращаться в другую. Если при этом поток постоянный (независимо от того, в какую сторону он течёт), такой поток является аналогом постоянного электрического тока. Такой электрический ток производится батарейками или аккумуляторами.
Однако, это не единственная возможность движения воды (или зарядов в реальной электросхеме). Важным случаем является вариант, когда вода «колеблется» - постоянно меняет направление движения то в одну, то другую сторону. При этом она, фактически, остается на месте.
Такое колебательное движение воды – это аналог переменного тока. Колебания могут совершаться с различной интенсивностью и частотой, в соответствии с тем, какую интенсивность и частоту колебаний задаёт источник. Такой ток генерируется большинством генераторов, такой ток используется в бытовой электросети. На следующей картинке показано, как движутся электроны рядом с неподвижными ядрами атомов для постоянного и переменного тока. Заметим, что лампа в обоих случаях светится:
Кроме того, возможно и «пульсирующее» движение воды. Такое движение можно представить как сумму переменного и постоянного тока, и рассматривать их действие по отдельности.
Резистор
Теперь рассмотрим аналоги реальных деталей. Наиболее просто в нашей аналогии выглядит резистор – прибор, создающий электрическое сопротивление. Для воды такой прибор должен создавать некоторое препятствие потоку. Проще всего организовать такое препятствие, сузив сечение трубы.
Пройти по меньшему сечению жидкости сложнее, в этом и заключается действие резистора.
Конденсатор
Гораздо интересней в нашей водяной аналогии будет выглядеть конденсатор.
Представим себе, что внутри нашей водяной трубы расположена резиновая мембрана. В трубе нигде нет воздуха, с обоих сторон мембраны – вода. Однако, мембрана разделяет жидкость, не давая ей ни смешиваться, и почти не давая перемещаться.
Казалось бы, такой прибор не имеет смысла – вода сквозь него пройти не может. Однако, учтем, что мембрана резиновая, и может растягиваться, тем сильнее, чем больше ее диаметр. Соответственно, вода, приходящая к ней под напором, может сдвинуть её на некоторое расстояние, натянув мембрану, запасая в ней некоторую энергию. Теперь, если приходящий напор убрать – мембрана распрямится, возвращая запасённую энергию и компенсируя падение напора. Таким образом, наш прибор может работать накопителем и «демпфером». Он может сглаживать резкие изменения напора воды.
Ещё более важный случай работы конденсатора – переменный ток. В этом случае, как говорилось выше, вода просто колеблется с некоторой амплитудой, с этой же амплитудой начинает колебаться мембрана, и эти колебания передаются в другую часть нашего «водяного» конденсатора.
Получается, что для переменного тока конденсатор не является обрывом! Более того, если частота колебаний высока, то мембрана будет не успевать сильно смещаться, и будет создавать очень мало препятствий колебаниям. То есть, чем выше частота – тем легче она будет передаваться через конденсатор.
Такие свойства конденсатора позволяют применять его для отделения переменного и постоянного тока. В самом деле, если мы имеем их смесь, поток у нас пульсирующий – то поставив в разрыв потока конденсатор – мы на его выходе получим чистые колебания жидкости, постоянное движение будет отрезано мембраной.
Катушка индуктивности
Следующий важный элемент электросхем – катушка индуктивности. В нашей «водяной» аналогии это будет массивная крыльчатка, расположенная поперёк потока.
Как действует такая крыльчатка? Для постоянного тока, когда вода по нашей трубе течёт с постоянными скоростью и направлением, крыльчатка просто вращается, в соответствии со скоростью жидкости, не оказывая никакого влияния.
Всё действие катушки индуктивности проявляется в случае переменного тока. В этом случае, колебательные движения воды будут передаваться и крыльчатке. Причём, чем крыльчатка массивнее, тем труднее будет напору воды менять направление её движения. Крыльчатка начинает препятствовать колебаниям жидкости, и тем сильнее, чем выше частота колебаний.
Ещё более интересные события происходят при включении и выключении напора. При включении массивная крыльчатка не может сразу начать вращаться, и оказывает большое противодействие появившемуся напору. И лишь далее, по мере набора скорости – крыльчатка все меньше и меньше влияет на поток жидкости.
При резком снятии напора происходит обратное явление – массивная крыльчатка продолжает вращаться, создавая свой, дополнительный напор. Причём, при резком торможении жидкости, напор этот может быть весьма высоким, вплоть до гидроудара, когда вся энергия запасённая во вращающейся крыльчатке, передаётся возникшему препятствию. Именно такое явление происходило в катушке зажигания автомобилей XXв - резкое прерывание тока через нее вызывало значительное повышение напряжения на выходной обмотке, с пробоем искрового промежутка.
Массу крыльчатки можно считать аналогом индуктивности. Чем она больше, тем труднее раскрутить крыльчатку, и тем труднее в конце ее остановить. Если же ток переменный – то крыльчатка будет лишь «колыхаться», и чем больше ее масса, тем слабее.
Резюме
Мы рассмотрели аналоги пассивных элементов электросхем. В следующей статье мы рассмотрим, как в нашей «водяной» аналогии будут выглядеть активные элементы – трансформатор и транзисторы, биполярный и полевой.
Читайте также:
Электричество - это... вода. Полезная аналогия для начинающих. Часть 1
