Сходинки досконалості (частина друга)


Статью просмотрели: 1587 человек

Доброго здоров'я, шановні читачі.

Відразу хочу вибачитися з приводу заявленої потреби двох мультиметрів. Я спростив експерименти, тому обійдемося одним. Адже на поточний момент нас буде більше цікавити не точність, а розуміння суті результатів експериментів.

Другу частину ВСТУПУ почнемо без зайвих слів з експериментів.

Дослід 1: Приєднаємо до батареї напругою 3,0 В (касета на 2 елементи) одну з наших лампочок.

Мультиметр увімкнемо для виміру струму кола, у розрив ланцюга з лампочкою, обравши діапазон 200 мА DCA.

Спостерігаємо. Ми бачимо, що лампочка світиться не зовсім яскраво, їй явно не вистачає струму. При напрузі живлення 3,0 В, струм споживання складає близько 30,0 мA.

 

Дослід 2: Збільшимо напругу джерела живлення до 6,0 вольтів. Для цього з'єднаємо дві касети на 2 елементи одна за одною послідовно (чорний дріт ] однієї з червоним [+] дротом наступної). На кінцях об’єднаної батареї матимемо 6,0 потрібних вольтів. Поновлюємо коло. Відбудеться те, що й повинно, лампочка яскраво засяє. Адже вона отримала необхідні їй 40,0 мA.

Ми не міняли склад кола, збільшили лише напругу живлення. Отже, робимо висновок: «Сила струму у колі залежить від напруги».

І третій дослід, щоб завершити нашу експериментальну підготовку, до теоретичних розмірковувань:

Дослід 3: До однієї лампочки додамо послідовно (одна за одною слідом) ще одну – аналогічну, фіксуємо результат і робимо висновки.

Яскравість світіння двох лампочок знову зменшилася, струм споживання двома лампочками упав до 30,0 мА. Що ж відбулося?

Давайте, виходячи з тієї інформації яка нам відома, поміркуємо. Яскравість світіння лампочок зменшилося, це прямий наслідок зменшення струму споживання, який упав до 30,0 мA, але ж напруга джерела живлення 6,0 вольтів. Чому так сталося?

Дротинка накалювання лампочки має якийсь свій опір і для виходу на робочий режим її слід забезпечити певною кількістю струму. Коли ми приєднали послідовно з нею ще одну, таку саму, лампочку – опір ланки збільшився удвічі, адже ми фактично збільшили удвічі довжину дротинки накалювання, відповідно струм, який споживають послідовно з'єднані лампочки упав, і без збільшення напруги живлення, для забезпечення необхідного струму, вони не зможуть вийти на належний робочий режим.

Така взаємопов'язаність струму, напруги та опору вперше була встановлена німецьким вченим Омом у 1827 році і отримала назву «закон Ома» Який каже: «Сила струму ланки кола пропорційна напрузі на кінцях цієї ланки та обернено пропорційна її опору».

Математично закон Ома записують формулою:

I = U/R

Цього б неначе вже й досить, адже отримані результати дають нам змогу зробити ті висновки, які належить. Втім, наостанок, ще один дослід який остаточно з'ясує ситуацію і буде підґрунтям надалі.

Дослід 4: Давайте змінимо коло. Лампочки роз'єднаємо і включимо їх не послідовно, а паралельно, тобто не слідом одна за одною, а поруч одна з одною.

Подаємо живлення. Лампочки засяяли яскраво, струм споживання збільшився до 80,0 мА. Як же це так? Адже напруга живлення не змінилася, а ми з'ясували, що для двох лампочок 6,0 В замало.

Змінилося основне – спосіб включення лампочок. Якщо у Досліді №3 ми збільшили довжину дротинки накалювання, то у цьому досліді збільшився її переріз. А що відбувається при збільшенні перерізу провідника ми уже знаємо (при необхідності, зверніться до першої частини).

Кожна з лампочок отримала необхідні їй 40,0 мА і струм споживання колом став дорівнювати його сумі.

------------------------------------------

Декілька слів стосовно отриманих значень. Наведені результати є суто умовними, тобто такими які були б в ідеальному варіанті. У вас вони можуть відрізнятися. Це залежатиме від міри "свіжості" батарейок, характеристик тих лампочок, які ви приготували, характеристик ваших вимірювальних приладів, якості ваших вимірювальних дротів.

Якщо у вас, все таки, є два мультиметри, увімкніть другий паралельно батареї живлення під час проведення дослідів. Ви помітите, що напруга, після з'єднання кола зменшується (падає), у порівнянні з напругою без навантаження. Це каже про те, що для роботи споживача витрачається певний енергетичний потенціал і таке навантаження на джерело живлення спричиняє падіння його напруги, адже його ресурс не безмежний. І саме цю напругу слід, якщо бути точним, брати до уваги.

Втім повторюся, це не має значення, у будь-якому випадку проробіть досліди і запишіть ВЛАСНІ отримані результати, адже для нас важливо зрозуміти деякі речі, нехтуючи певною точністю:

1. напруга – 3,0 В, струм – 30,0 мА, лампочка – одна;

2. напруга – 6,0 В, струм – 40,0 мА, лампочка – одна;

3. напруга – 6,0 В, струм – 30,0 мА, лампочки – дві послідовно;

4. напруга – 6,0 В, струм – 80,0 мА, лампочки – дві паралельно.

-----------------------------------------------------

Ще один крок до того, щоб остаточно з'ясувати характеристики постійного струму і замкнути «чарівне коло».

Цей крок про потужність. Саме завдяки тому, що електричний струм здатен виконувати роботу він широко використовується у побуті та промисловості. Його використовують для освітлення, обігріву. Він здатен приводити у дію електричні двигуни. Забезпечувати живленням різноманітні конструкції та пристрої. Сучасні акумулятори та конденсаторні накопичувачі здатні запасати досить значні об'єми енергії. А новітні розробки графенових акумуляторів енергії, взагалі вражають, перевертають будь-які уявлення. Втім, гадаю, це ще не кінець. Куди не повернись скрізь електричний струм: постійний, змінний; з побутової мережі, від акумуляторів, від елементів живлення.

Роботу електричного струму, називають – потужністю. Позначається вона латинською літерою P, вимірюється у ватах, та є добутком напруги на струм. P = UI. Таким чином 1 ват = 1 вольт х 1 ампер, або ж 1 Вт = 1 ВА.

Один ват – потужність відносно невелика, якщо звернете увагу на праску чи електричний чайник ви побачите там цифри у декілька тисяч ватів. З ватами також використовуються префікси, як кратні так і частинні. Гадаю, ви чули назви таких величин – кіловат, мегават, міліват, мікроват. Це не що інше, як кратні, або частинні утворення від основної одиниці – ВАТ.

Тепер нам відомо все – для того, щоб намалювати «чарівне коло». Для цього слід поєднати співвідношення потужності із законом Ома та вивести купку похідних формул:

Я би порадив вам це «чарівне коло», перемалювати собі та наклеїти на цупкий папір. Повірте мені, ви ще не раз звернете на нього увагу.

Як користуватися цим колом?

Давайте проведемо розрахунки оперуючи реальними результатами наших вимірів. Тож звернемо увагу на наші записи.

Нам відомі напруга та струм споживання. Маючи таку інформацію та оперуючи формулами «чарівного кола» ми можемо визначити опір розжареної нитки лампочки та її потужність. Чому я зробив наголос на тому, що ми зможемо визначити опір розжареної нитки? З курсу фізики ви мабуть пам'ятаєте, що тіла при нагріванні збільшують свої розміри. Яка причина такого явища? При нагріванні будь-якого тіла на його стабільні частинки – іони, нападає "хитавиця". Ці вузлові точки структури матеріалу починають розхитуватися туди-сюди, заважаючи електронам перебігати між ними у вільному просторі. І чим більша температура, тим більша амплітуда коливань – тим більший опір. При критичних температурах нагрівання, незалежно від чинника, відбувається втрата зв'язків, які забезпечують стабільну структуру матеріалу і він руйнується – плавиться. Таке відбувається і з провідниками електричного струму. Саме такий ефект покладено в основу роботи запобіжників.

Отже, під час проходження струму він здійснює роботу пов'язану з виділенням тепла, тож дріт буде нагріватися, збільшуючи опір. Цей приріст буває різним: маленьким, великим, та як би там не було – факт лишається фактом. Опір нитки розжарення лампочки у холодному та розігрітому стані – різний. Ми перевіримо.

--------------------------------------------

До речі. Зауваження для загального розвитку. Ви мабуть чули термін "Абсолютний нуль" стосовно температури. Так це −273,15°C. Так от, при температурі абсолютного нуля на провідник електричного струму нападає "Абсолютна провідність". Іони при такій температурі завмирають неначе вкопані, вони втрачають здатність рухатися – заморожуються.

Втім, не кажучи про таку низьку температуру, займаючись електронікою, ви помітите, що багато компонентів мають певні обмеженні для роботи при більш "теплішому" мінусі. Це наслідок впливу низьких температур на фізичні процеси у матеріалах.

------------------------------------------

Повернімося до нашого «чарівного кола».

Давайте на підставі результатів Досліду №2 визначимо опір нитки розжарення лампочки. Для цього ми звернемося до формул сектора «R» (Опір). Роздивившись сегменти цього сектора ми з'ясуємо, що опір можна визначити маючи відомими: напругу-потужність, напругу-струм, потужність-струм. Нам відомі – напруга-струм, тож скористуємося формулою з цього сегменту для визначення опору. R=U/I.

R = 6,0 В / 0,040 А = 150,0 Ом

Не забувайте! Проводячи розрахунки за допомогою формул, слід використовувати лише одиниці однієї розмірної величини, або коригувати отримані результати.

Особисто я віддаю перевагу переведенню кратних або частинних величин до основних.

Саме тому 40,0 мA переводимо у ампери, і це буде 0,040 А, адже 1 А = 1000 мA.

А тепер визначимо потужність лампочки. Для цього звернемо увагу на сектор «P» (Потужність). Там є сегменти з відомими парами: напруга-опір, струм-опір, напруга-струм. Нам, виявляється, відомі усі пари. Скористаємося найпростішою: P=UI.

P = 6,0 В • 0,040 А = 0,24 Вт

Ми отримали частинну величину від вата, отже лампочка в робочому режимі має потужність 240 мВт.

Можете перевірити отриманий результат за допомогою інших формул.

Розрахунки по іншим дослідам пропоную вам провести самостійно, гадаю, ви зрозуміли як користуватися колом формул.

Давайте, для прикладу, визначимо опір холодної нитки розжарення лампочки вимірявши її мультиметром. Тепер спробуємо визначити її стартовий струм (струм на момент увімкнення), адже у вас є вихідні дані: опір(холодної нитки)-напруга. Мені, чомусь, здається, що вас здивує отриманий результат. Адже стартовий струм суттєво відрізняється від робочого. Чи не так?

А тепер давайте проведемо реальний, практичний розрахунок, заодно перевіривши отримані знання. Ви приготували лампочку на 220 В?

Влаштуємо собі справжній подив. Спробуйте порівняти стартовий та робочий струм лампочки побутового освітлення. Для визначення стартового струму вам потрібно знати опір нитки розжарення лампочки у холодному стані. Виміряйте його. Тепер у вас є потрібні вихідні дані. Напруга мережі та опір холодної нитки розжарення лампочки. Скористайтеся «чарівним колом». Визначили? Вам це ще нічого не каже? Запишіть. А тепер давайте визначимо робочий струм цієї лампочки. Вихідні дані у вас є. Потужність, яка маркується на лампочці та напруга мережі. Знову скористаймося «чарівним колом» для визначення струму через потужність та напругу. Визначили? Порівняйте. Чомусь мені здається, що ви знову здивуєтесь. Ні? Тоді, за допомогою того ж таки кола, визначте потужність лампочки на момент увімкнення. Здивовані? Виявляється під час увімкнення звичайна освітлювальна лампочка споживає таку кількість струму, неначе праска. От ми і знайшли пояснення того факту – чому лампочки освітлення, найчастіше, виходять з ладу саме у мить натискання на вимикач. 

Нескладні пристрої, які розроблені та виготовляються аматорами, дозволяють збільшити "життєвий термін" освітлювальних лампочок розжарення в рази, як раз завдяки примусовому обмеженню стартового струму.

І на закінчення, давайте намалюємо схему нашого четвертого досліду. У нас з'явився новий елементи – електрична лампочка. Цей елемент також має свій символ, своє особисте зображення. Також, на схемі помітно якісь крапки на перетинах дротів. Та й із символом міліамперметра ми також зустрічаємося вперше.

 

 

Це, можливо ви вже зрозуміли, символ яким позначають лампочку.

 

 

Таким символом позначають на схемі (при потребі) – міліамперметр, прилад для визначення струму споживання.

 

А от на наступних позначках зупинимося трошки детальніше.

Звичайний хрестик, який утворюється при перетині дротів не з'єднаних між собою, так і зображується. А коли на такому перетині, чи приєднанні існує фізичне з'єднання – паяння, обов'язково малюється потовщена "крапка". Деякі аматори нехтують цим правилом у позначенні приєднання. Мовляв, "а що тут такого, адже й так зрозуміло, що дріт далі не йде, а закінчується у місті приєднання". Хибна думка. З досвіду скажу: "Такі схеми читаються набагато повільніше". Підсвідомість натрапляє на помилку і потребує додаткового аналізу. Можливість читання "з льоту" – втрачається.

----------------------------------------------------------------------------------------------

ВІДСТУП
про макетування

За допомогою допису, стосовно мультиметрів "Мультиметр. Що це таке?", гадаю, ви визначилися, що вам придбати, як із ним працювати. Та ви на могли не звернути уваги на те, як незручно поєднувати компоненти між собою. А кількість таких компонентів, які слід буде між собою з'єднувати, поступово зростатиме, ускладнюватимуться схеми для проведення практичних дослідів. Хтось скаже, що їх можна спаяти між собою – це так, а чи варто пристрій, який перебуває на стадії розробки паяти, використовуючи для цього ще й друковану плату? Витрачати електроенергію, час, флюс, припій? А потім ще й розпаювати. Порахуйте.

На сьогодні аматори мають можливість працювати з макетними платами які не потребують паяння. Вони зручні для проведення дослідів, експериментів, розробки та тестування якихось конструкцій.

Раджу звернути увагу на таку макетну плату, як на малюнку нижче, її та багато іншого можна знайти у розділі "30. Платы макетные, стеклотекстолит".

 
  Подпись:

Подпись:

 

 

А заодно, і на зручні гнучкі конектори (дроти для з’єднування шин між собою) придатні для роботи з нею.

 

 

 

Слід зауважити, що існують і жорсткі конектори фіксованої довжини.

Подпись:  Подпись:  В разі крайньої потреби я виготовляю конектори з дротин UTP-кабелю, це так звана "кручена пара" – кабель, що використовується для облаштування комп’ютерних мереж. Він має у своєму складі різнобарвні, ізольовані дроти з діаметром мідної жилки 0,5 мм. 

Наявність таких пристосувань дозволить вам легко і швидко зібрати макет будь-якого пристрою для налагодження та доведення до робочого стану, ланку якогось кола для експерименту чи то потрібний ланцюг компонентів для дослідів.

Макетна плата має крок отворів, який відповідає сітці кроку стандартних друкованих плат, тому для монтажу на неї підходять практично всі компоненти. Затискачі плати виготовляються з пружного матеріалу, який дає надійний контакт із виводами компонентів та дротами від 0,3 мм, є досить довговічним (поверхня нікельована, сріблена, золочена – від цього залежить вартість) і гарантовано витримує до 5000 встромлянь.

Структура з'єднання контактів проста і досить зручна.

Подпись:  Отвори позначені червоною та синьою смужкою (дивіться фото), мають суцільне з'єднання уздовж усієї своєї довжини. Це своєрідні шини живлення. А середня частина плати (до речі, плата розбірна, тож її можна нарощувати та компонувати за власними потребами, це ми невдовзі розглянемо) яка і є власне робочою, поєднана шинками по п'ять отворів. При складанні схеми якогось пристрою, деталі просто встромляються у потрібні отвори, а внутрішні з'єднання між отворами забезпечують поєднання деталей, утворюючи необхідні ланцюги.

За допомогою таких макетних збірок аматори налагоджують задумані конструкції, а вже потім, доведене до робочого стану творіння переноситься на друковану плату, запаюється, втілюється у реальну конструкцію.

Можливо не зовсім зрозуміло, втім, практична робота з такою платою все розставить на свої місця.

Подпись:  Досить вдалим придбанням, для власників макетних плат, буде модуль живлення, він має два канали з фіксованими напругами 3,3 та 5 вольтів, може працювати як від USB порту, так і від зовнішнього джерела постійної, необов'язково стабілізованої (бо має власні стабілізатори), напруги 7-12 В. Особливо зручним він буде для експериментів з мікроконтролерами.

 

 

 

-------------------------------------------------------------------------------------

ВІДСТУП
про відступи та математику

Ви вже зрозуміли, що процес подання матеріалів буде перериватися відступами. Вони необхідні, щоб підготуватися до практичних експериментів. Саме так, адже цикл задумувався як вивчення практичної електроніки аматорами-початківцями. Я не прихильник переобтяження теоретичними знаннями людини, яка тільки-тільки починає перші кроки і хоче побачити, відчути результати. Та основи, все ж таки, доведеться розглянути, зрозуміти і вивчити. Таке вивчення проходитиме паралельно з практичними експериментами, тому буде не обтяжливим, а, швидше, цікавим. Це ті основи, які є підмурком подальших практичних занять та самостійної роботи з поглиблення теоретичних знань. Адже набуті практичні навички, теоретичне вдосконалення, дозволять вийти вам на професійний рівень. 

Стосовно математики.

Величини, більші ніж 100 чи менші за 0,01, зазвичай записуються у стандартній формі A × 10n, де A – це число, яке називається мантисою, воно завжди менше за 10 та n – ціле число, яке називається експонентою. Позитивне значення n означає, що число більше одиниці, негативне значення n означає, що число менше одиниці. Щоб перетворити число у стандартну форму, слід переставити кому на кількість кроків, яка відповідає значенню експоненти. Якщо експонента позитивна, кома переставляється праворуч, а з кожним кроком до числа дописується 0 ліворуч від неї (в разі відсутності цифри). Якщо експонента зі знаком "мінус" – кома переставляється ліворуч, а 0 дописується праворуч від коми (в разі відсутності цифри).

Наприклад: 2,4х103 = 2400  або  2,4х10-3 = 0,0024

Для того, щоб утворити зі звичайного числа експоненціальну форму слід дії зробити навпаки. Переставляйте кому доти, поки не отримаєте мантису зі значенням не більше 10. Підрахуйте кількість кроків і запишіть її у експоненті. Якщо ви крокували комою праворуч, експонента буде зі знаком "мінус". Якщо ліворуч, експонента буде позитивною.

Наприклад: 0,0000089 = 8,9х10-6  або  8 900 000 = 8,9х106

Розуміння та засвоєння такої простої дії перетворення дасть вам можливість з легкістю читати сторонню документацію та правильно оформляти власну.

Раджу привчити себе розділяти значення груп тисяч пробілами (хоча б при підготовці матеріалів для колег у Інеті), це загальноприйнята інженерна практика. Вона дозволяє уникати певної плутанини, адже у нас групи не розділяються взагалі, а у деяких країнах – розділяються крапкою.

Значення величин, як правило, відображаються з використанням позначень, поряд з якими основна величина пишеться з великої літери.

 Наприклад:      1 000 Ом = 1 кОм, 1 000 кОм = 1 МОм

                        1 000 Вт = 1 кВт, 1 000 кВт = 1 МВт, 1 000 МВт = 1 ГВт

                        1 000 пФ = 1 нФ, 1 000 нФ = 1 мкФ

Ще раз нагадую! При розрахунках значення усіх одиниць приводяться до одного й того ж самого виду. Раджу вам, для початку, зупинитися на переводі усіх значень, які беруть участь у розрахунках, до основних одиниць. Менше буде помилок.

Не слід забувати про черговість дій під час розрахунків з дужками, а також пам'ятати стосовно пріоритету між множенням та діленням і додаванням та відніманням.

--------------------------------------------------------------------------------------

До наступної зустрічі.

 

 

Автор статті: Володимир Пустовіт

 

 

Комментарии к статье

Отсутствуют
  • Вы, клиент нашего интернет-магазина? Войдите чтобы оставить комментарий
    Войдите
    Впервые в интернет-магазине? Чтобы продолжить вам нужно зарегистрироваться, это займет несколько минут
    Зарегистрируйтесь
Наверх