В давние времена при натирании янтаря были замечены искорки и он начинал притягивать мелкие предметы. Так как янтарь на древнегреческом назывался ЭЛЕКТРОНОМ, то эти явления назвали электрическим явлением. Про тело, находящаяся в состоянии, при котором наблюдается электрическое явление, говорили, что оно заряжено электричеством или что оно приобрело электрический заряд.
Первые исследователи вскоре пришли к выводу, что существует два рода электричества; положительное электричество - обозначили знаком (+), а другое отрицательное - обозначили знаком (-).
Затем было установлено, что электрические заряды взаимодействуют по правилу: одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Было изучено строение вещества. Мир в котором мы живем состоит из молекул. Молекулы из атомов. Открыты особые виды материи в виде полей (электрического, магнитного ). В частности, вокруг электрических зарядов имеется электрическое поле. Особенностью этого поля является МЕХАНИЧЕСКАЯ СИЛА, действующая на электрические заряды, находящиеся в этом поле.
Атом имеет сложное строение. Оставим это атомным физикам, а с точки зрения радиотехники ограничимся упрощенным представлением о его строении.
В центре атома находится положительно заряженное ядро. Вокруг ядра по орбиталям вращаются отрицательно заряженные электроны. В различных веществах прочность связи электронов со своими атомами различна. Например во всех металлах электроны довольно легко покидают свои атомы и беспорядочно движутся от одного атома к другому, создавая электронный газ. Их называют свободные электроны, а вещество - ПРОВОДНИК
Если в одной точке твердого проводника создать избыток, а в другой - недостаток электронов, то есть замкнуть цепь, то свободные электроны начнут всей массой перемещаться в ту сторону, где ощущается их недостаток. Это направленное движение называется ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ.
Хотя электрический ток в твердых проводниках и представляет собой движение свободных электронов, однако скорость движения электронов и скорость распространения электрического тока - понятия разные. В проводнике, в любой его точке, свободные электроны движутся во всевозможных направлениях со сравнительно небольшой скоростью. Если же на концах проводника создать разность потенциалов, то вдоль проводника со скоростью света (300 000 км / сек.) будет распространятся электрическое поле, воздействующие на свободные электроны. Под влиянием механической силы электрического поля к беспорядочному движению электронов добавится упорядоченное, направленное в одну сторону. Это упорядоченное движение электронов происходит с малой скоростью, приблизительно 1 см / сек.
Однако скоростью электрического тока является не эта малая скорость движения электронов, а огромная скорость распространения электрического поля, которая своей механической силой приводит электроны в упорядоченное движение.
Из сказанного можно сделать вывод - ток течет от минуса к плюсу. Так оно и есть на самом деле, но
принято считать и обозначать во всех схемах - ТОК ТЕЧЕТ ОТ ПЛЮСА К МИНУСУ
Электрический заряд электрона очень мал, разложить его на более элементарные частицы пока не удалось (по крайней мере когда я учился). Это заставляет сделать вывод, ЭЛЕКТРОН - мельчайшая частица электричества. Практически приходится встречаться с огромным количеством электронов, обращаться с такими цифрами неудобно, поэтому для измерения количества электричества была определена единица измерения, КУЛОН (к). к = 6,3 * 10^18.
В зависимости от количества зарядов, протекающих по проводнику за единицу времени, различают ток большой величины и ток малой величины. Но много и мало понятия очень относительны, поэтому установлена единица измерения АМПЕР (А).
Один Ампер — это сила тока, при которой за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит заряд, равный одному Кулону электричества, то есть заряд чуть больше, чем шесть миллиардов миллиардов (квинтиллионов) электронов.
И так мы выяснили, что для существования электрического тока нам понадобятся вещество со свободными электронами (ПРОВОДНИК) , разность потенциалов двух точек, называемым НАПРЯЖЕНИЕМ и замкнутая ЦЕПЬ. Как мы получим эту разность потенциалов? Так называемыми СТОРОННИМИ СИЛАМИ, химической (гальванический элемент), тепловой (термопара), световой (солнечная батарея) или физической (динамо).
ХИМИЧЕСКИЕ СТОРОННИЕ СИЛЫ
Давным давно, в авиационном училище, на дисциплине материаловедение мы изучали электрохимическую коррозию металлов. Заполняли стеклянную емкость водой из водопровода и помещали в нее полированную пластину от обшивки самолета (будем считать алюминий Al) и пластину из меди (Cu). Подключали к этим пластинам милливольтметр и получалось напряжение, вернее ЭДС (электро движущая сила) 860 милливольт = 0.86 в.
Примечание. Для дальнейшего понимания нужно определить разницу между напряжением и ЭДС, хотя бы поверхностно. Например на батарейке обозначено 1.5 вольт - это ЭДС (Е). Подключим к этой батарейке например лампочку и в параллель вольтметр. Он покажет уже напряжение, единица измерения тоже вольт, которое будет меньше ЭДС. Эта разница зависит от внутреннего сопротивления r батарейки и сопротивления R лампочки.
Простыми словами без химических формул это звучит так. Разные металлы имеют разные электродные потенциалы. В присутствии электролита, в качестве которого была вода из крана, один из них играет роль катода ("-"), а другой анода ("+"). В результате химической реакции, протекающей между ними, начнется коррозионный процесс, в котором медь (катод +) будет беспощадно разрушать алюминий (анод -).
Существует таблица значения стандартных электродных потенциалов металлов относительно нейтрального(водородного) в водных растворах. Обозначается Ео .
Cu (латунь) в электрохимическом ряду напряжений стоит правее Zn (цинк). Латунь (анод +) разрушает цинк (катод -), при этом вырабатывая
E = ЭДС = +0.34 - (- 0.76) = 1.1 в (условно)
Но разность электродных потенциалов металлов приносит и пользу. На этой основе работают химические источники сторонней силы, гальванические элементы и аккумуляторы.
Алюминий начинает отдавать свои положительные ионы в электролит (воду), заряжая его положительно "+". А в алюминиевом электроде останутся отрицательные электроны "-". Это и есть разность потенциалов , то есть ЭДС, не путайте с напряжением, равной, 1. 66 вольт.
Но с электролита нужно как то "снимать "+"", придется погрузить еще один электрод. Но, в нашем случае медь, имеет свой потенциал +0.34, отсюда
Конечно мы не получили желаемого ЭДС в 1.32 вольт, а всего 0.6 вольт. Дело в том, что ионы перемещаясь от минусового электрода к плюсовому по электролиту создают ВНУТРЕННЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА. Любой источник тока, будь то генератор или гальванический элемент, обладает внутренним сопротивлением. Его величина характеризирует количество энергетических потерь, появляющихся при протекании тока через источник питания. Это внутреннее сопротивление зависит от самого электролита, химической и физической чистоты металлов электродов, температуры....
Примечание. В нашем случае мы даже входным сопротивлением прибора "просадили" ЭДС нашей батарейки на воде. Если взять прибор с большим входным сопротивлением , мегаом в 120, то и получили бы 1.32 вольт ЭДСа.
Давайте будем пренебрегать сопротивлением милливольтметра, считать его бесконечно большим и посчитаем внутреннее сопротивление нашего гальванического элемента, подключив заранее известное сопротивление 470 ом в нагрузку, создав ЗАМКНУТУЮ ЦЕПЬ.
ЭДС "просело" и преобразовалось в НАПРЯЖЕНИЕ, второе условие образования тока. Мы выполнили и третье условия для образование тока, замкнули цепь через сопротивление (нагрузку). Все по замкнутой цепи потек ТОК
Считаем ВНУТРЕННЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ нашего гальванического элемента. Вспоминаем закон ома для замкнутой цепи
Отсюда следует r = E / I - R , где
r - внутреннее сопротивление источника питания.......неизвестно
R - сопротивление нагрузки ...............................................470 ом
E - ЭДС источника питания..................................................0.603 вольт
I - ток в замкнутой цепи......................................................неизвестно.
Не получается, две неизвестных. Но мы можем посчитать ток I, так как на резисторе у нас напряжение 0.179 вольт. Вспоминаем закон ома для участка цепи.
I = U / R = 0.179 в / 470 ом = 0.00038 ампер. Все, осталась одна неизвестная r.
r = E / I - R = 0.603 / 0.00038 - 470 = 1108.9 ом , более одного килоома. Конечно мы не сможем с таким внутренним сопротивлением подключить полезную нагрузку, но все таки наше сопротивление делает работу, преобразует ток в тепло, безвозвратно
Считаем работу P = UI = 0.00038 * 0.179 = 0.000068 Ватт тепла рассеивает наш резистор.
P = I * I * r = 0.00038 * 0.00038 * 1108.9 = 0,00016 Ватт выделяет наш гальванический элемент.
Ну и посчитаем КПД (кофициэнт полезного действия) нашей цепи... Представим, что наше R лампочка фиксиков, перерабатывающая ток в освещение, то есть полезная нагрузка. Получается внутренняя r бесполезный расход.
КПД электрической цепи — это отношение полезной работы к полной:
КПД электрической цепи равен 1 (100 %), если источник питания идеальный
r = 0 , тогда E = U Философия идеального источника тока
По экспериментируем в симуляторе электронных схем, Протеусе.
Экспериментируем далее, попробуем уплотнить наш электролит (воду) натрий хлором NaCl, поваренная соль.
Мы понизили внутреннее сопротивление r нашего гальванического элемента, в следствии чего повысилась ЭДС, напряжение, КПД.
Далее я не знаю, как правильно сформулировать выражение, по этому поводу всегда возникают споры... Падение ЭДС с 0.619 вольт до напряжения 0.580 вольт или просто падение напряжения с 0.619 вольт до напряжения 0.580 вольт? ...
Хотите, посчитайте насколько понизилось внутреннее r и повысился КПД, используя расчеты сверху.
Аккумуляторы работают подобно нашей "баночки" . Электролит в аккумуляторах химической реакцией постоянно генерирует заряженные свободные электроны, которые движутся от минуса к плюсу через нагрузку с радостью отдавая ей свои заряды, "разжижая" электролит. Нагрузка совершает работу. Положительные ионы внутри аккумулятора движутся так же от минуса к плюсу. Во время заряда аккумулятора наоборот, во внешней цепи от плюса к минусу, внутри аккумулятора ионы от плюса к минусу, уплотняя электролит.
ТЕПЛОВЫЕ СТОРОННИЕ СИЛЫ
Термопары. Сплав двух разнородных металлов. При воздействии тепла в нем формируется ЭДС, правда очень малого значения. Эта ЭДС усиливается, чаще всего операционным усилителем, получаем датчик температуры
Преимуществом таких датчиков - измерение высоких температур, тысячи градусов.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СТОРОННИЕ СИЛЫ
Давным давно, когда жигуль восьмерка была недосягаемой мечтой а классику копейки и шестерки угоняли, колеса скручивали, я разработал устройство под названием противоугонка.
На картонный сердечник наматывался медный провод 1000 витков, над полученной катушкой подвешивался магнит на ниточке. Все крепилось к корпусу автомобиля. При качании авто магнит производил движение на катушкой и в ней возникала слабое ЭДС. Усиливалось операционным усилителем и через компаратор и транзисторные ключи подавался звуковой сигнал.
Дело в том, что при пересечении проводником магнитного поля в проводнике возникает ЭДС. Механическая сила этого поля приводит в движение свободные электроны. На этой основе устроен механический генератор ЭДС
В отличии от химического источника энергии образуется не постоянный ток по величине и направлению, а переменный, который непрерывно изменяет не только свою величину, но и направление.
Рассмотрим несколько положений рамки.
В этом положении наводимая в рамке ЭДС равна нулю, так как стороны рамки не пересекают магнитных силовых линий, а лишь скользят вдоль них
В положении 2 рамка пересекает силовые линии, хотя и не под прямым углом. Наводимая в сторонах рамки ЭДС не велика.
В положении 3 ЭДС достигает максимальной величины, так как стороны рамки пересекают силовые магнитные линии под прямым углом.
В положении 4 ЭДС уменьшается, поскольку рамка опять не под прямым углом.
В 5 положении ЭДС опять равно нулю.
Мы совершили пол оборота рамки, 180 градусов. При второй половине оборота величина наводимой в рамке ЭДС изменяется по тому же закону, что и разобранных выше пяти положениях. Однако направление ЭДС будет обратным, так как стороны рамки поменялись местами.
Время , в течение которого происходит полный цикл ( оборот), называется периодом. Количество периодов за одну секунду называется частотой, которую принято измерять в герцах. Величина ЭДС зависит от величины магнитного поля и называется амплитудой.
Преимущество переменного тока передача на большие расстояния по проводнику относительно небольшого сечения, так как свободные злектроны не двигаются в одну сторону, а практически стоят на месте, не разогревая проводник.
Но для питания электроники переменный ток не всегда подходит. Его нужно выпрямить до постоянного, обычно с помощью диодов. Но сами диоды не выпрямляют ток, они срезают полупериод .
Увидев вот такую картинку в просторах сети НЕ ЗАБУДЬТЕ УЛЫБНУТСЯ... не словам, а смыслу. Это мы обсудим следующей статье.
Всем доброго времени суток. Удачи
