Вітаю вас, шановний читачу!

Сьогодні перший допис циклу "Сходинки досконалості".

З цього циклу ви дізнаєтесь про теоретичні основи електроніки, тут ви зустрінете пояснення принципів роботи електронних компонентів. Базові відомості стосовно параметрів, узагальнених правил використання напівпровідникових елементів. Правила складання, малювання та читання схем. Дізнаєтесь про секрети паяння. Практично кожен допис буде супроводжуватися практичними роботами, це будуть досліди для засвоєння певних теоретичних матеріалів, виготовлення саморобних конструкцій. Багато інших матеріалів для отримання і закріплення базових навичок та знань. Дізнаємося про ІС (інтегральні схеми), з'ясуємо відмінність між аналоговими та цифровими пристроями, познайомимося з ОП (операційними підсилювачами), компараторами. Довідаємося, що таке ЦАП (цифро-аналоговий перетворювач) та АЦП (аналогово-цифровий перетворювач). Детально зупинимося на мікропроцесорах, мікроконтролерах. І все це у супроводі практичних робіт, виготовлення реальних пристроїв, корисних для лабораторії аматора, для застосування у побуті.

А сьогодні ВСТУП і присвячений він буде електричному струму, його природі, властивостям, видам.

Ми розглянемо закон Ома, залежність між струмом, напругою, опором. Дізнаємося про "чарівне коло" аматора. З'ясуємо що таке питомий опір, електрична провідність. Отримаємо узагальнені відомості про елементи живлення, їхнє поєднання. Дізнаємося про схематичні позначки для відображення використаних нами компонентів на схемах. Отже:

ВСТУП

Струм, опір, питомий опір та їхній зв'язок

Гадаю ні в кого не виникне жодного сумніву з приводу того, що жоден дослід не зможе бути проведений, жодна конструкція не зможе працювати без живлення. А що таке електричний струм, яким законам він підкорюється, аматор початківець мусить усвідомити з самого початку. Як на мене це – догма, тобто беззаперечне правило.

Тож почнемо.

Все, що нас оточує, складається з простих хімічних елементів, детальну інформацію про які ви знайдете у таблиці Менделєєва. Поєднуючись у певних співвідношення вони утворюють сполуки – речовини. Саме з таких речовин і складається наше довкілля.

Найдрібнішою часткою простого хімічного елементу є атом. Атом, можна уявити собі як нашу сонячну систему. Це «сонце» – ядро, яке має позитивний заряд, та «планети» – дрібні елементи Електрони, які обертаються навколо ядра з величезною швидкістю і мають негативний заряд. Це, звісно, суто умовне уявлення, бо реально ядро атома складається у свою чергу з нейтрально заряджених Нейтронів, та позитивно заряджених Протонів.

У деяких елементів, зв'язок ядер з електронами на зовнішніх орбітах (енергетичних рівнях) такий слабкий, що ці електрони здатні «втікати», хаотично блукаючи у між-ядерному просторі. У свою чергу атом, втрачаючи електрон, набуває позитивного заряду, перетворюється на позитивно заряджений іон і намагається, для того щоб урівноважити свій енергетичний дисбаланс, захопити який-небудь «бездомний» електрон, – що і відбувається. Втім, такий процес – нескінчений.

Якщо у такій речовині, яка складається з елементів схильних втрачати електрони, створити електричне поле. Скажімо приєднати до одного кінця мідного дроту «мінус» джерела живлення, а до кінця іншого – «плюс», то в ній з'явиться спрямований рух вільних, негативно заряджених електронів у напрямку до кінця з позитивним потенціалом. Такий упорядкований рух електронів і називається – електричним струмом. А такі речовини, для яких характерна присутність вільних носіїв заряду – електронів, які здатні рухатися під впливом електричного поля (прикладеної до кінців дроту напруги), називаються – провідниками електричного струму. До цієї категорії підпадають всі метали та деякі інші речовини.

На відміну від провідників існують речовини, зв'язки з електронами у яких, навіть на зовнішніх енергетичних рівнях (орбітах) – міцні, усталені. У них практично відсутні «вільні» електрони. І спровокувати їх на впорядкований рух досить важко. Такі речовини називаються – діелектриками або ізоляторами.

Існує ще один вид речовин. У звичайному, чистому стані вони схожі на діелектрики, але збурені зовнішнім впливом електромагнітного поля та різноманітними сторонніми домішками, вони поводять себе неначе провідники. Такі речовини називаються – напівпровідниками. Це саме категорія – деяких інших речовин. До категорії деяких інших речовин також слід віднести розчини солей у воді. Там теж здатен протікати електричний струм, втім, обумовлений він не лише рухом електронів.

Електричний струм у провіднику розповсюджується зі швидкістю світла. Втім, хочу звернути увагу на деякі цікаві деталі! Вони не впливають на практичну цінність такого явища, як електричний струм, я наведу їх для розвитку вашого кругозору.

Перше. Реальний напрямок струм у провіднику від "–" до "+". Бо негативно заряджені електрони рухаються у бік позитивного заряду. На практиці ж прийнято вважати напрямком струму, навпаки, від "+" до "–". Так історично склалося і це, власне кажучи, нічому не заважає.

Друге. Реальна швидкість електрона мізерна, у порівнянні зі швидкістю світла. Чому ж тоді так швидко розповсюджується струм? Швидкість розповсюдження струму є наслідком імпульсу. Електрони, упорядкувавши свій хаотичний рух, наштовхуються на передніх, передаючи їм імпульс сили, ті у свою чергу на передніх і так все далі й далі. Тобто, саме імпульс забезпечує швидкість світла поширенню струму.

Основною одиницею сили струму є ампер (А). Стосовно кратних та частинних префіксів, розмова велася у дописі "Мультиметри". Позначається електричний струм латинською буквою І.

Проходячи через провідник, струм (потік електронів) його нагріває, тобто виконує певну роботу. Втім, для визначення величини такої роботи, недостатньо знати лише силу ("кількість") струму.

Наприклад. Струм, що протікає через лампочку кишенькового ліхтарика та лампочку побутової мережі освітлення – приблизно однаковий, а от тепла та світла друга дає набагато більше. Тобто лампочка побутового освітлення виконує більшу роботу. У чому ж річ? Пояснення просте – струм, через лампочку побутової мережі освітлення, протікає при значно більшій напрузі (потенціалі електричного поля), ніж через лампочку кишенькового ліхтарика.

Одиницею виміру напруги є вольт (В). Він теж має префікси, як частинні так і кратні. Позначається електрична напруга латинською буквою U.

Рухаючись у провіднику, під впливом напруги (електричного поля), електрони наштовхуються на нерухомі іони, з яких складається кристалічна решітка речовини, один з одним. При цьому вони зазнають опір своєму рухові, який, у певній мірі, можна порівняти з тертям, таке явище уповільнює рух електронів і, саме воно, призводить до виділення тепла.

Одиницею опору є ом (Ом). Який теж має префікси. Позначається опір латинською буквою R.

1 Ом – це опір такого провідника, через який протікає струм силою в 1 А при напрузі на кінцях провідника 1 В.

Давайте уявімо собі шматок дроту, через який буде протікати струм в 1,0 А при напрузі на його кінцях 1,0 В, певно, що опір такого шматка дроту буде 1,0 Ом. Тепер суто уявно, і не особливо вдаючись у деталі, збільшимо довжину нашого шматка дроту удвічі. Що зробиться з його опором? Правильно, він теж збільшиться удвічі. Відбувається проста річ, електронам, щоб подолати більшу довжину дроту, доводиться долати більшу кількість зіткнень, отже – більшого опору їхньому руху.

Робимо висновок – чим довший провідник електричного струму, тим більший його опір. Отже: Опір провідника прямо пропорційний його довжині.

Тобто, безпосередньо відповідає його довжині, чим більша довжина – тим більший опір.

R = l

Маленькою латинською літерою l позначається довжина.

Ідемо далі.

Зі збільшенням товщини дроту його опір, однозначно, буде зменшуватися, бо до кінцевої точки прикладеного електричного поля рухатиметься більша кількість електронів і їм легше буде забезпечити струм 1,0 А при напрузі 1,0 В.

Виходячи з цього, робимо наступний висновок – чим товщий провідник електричного струму (чим більший його переріз), тим менший його опір. Отже: Опір провідника обернено пропорційній його перерізу.

Тобто, зі збільшенням діаметру дроту – опір, навпаки, зменшується.

R = R/S

Латинською літерою S позначається площа перерізу провідника струму.

І останній крок, для того щоб вивести остаточну формулу визначення опору провідника електричного струму.

Ми з'ясували, що опір провідника електричного струму залежить як від його довжини, так і від його перерізу (товщини, діаметру). Але якщо взяти для експерименту шматок мідного дроту та рівний йому за довжиною і діаметром шматок ніхромового дроту – результати виміру опору, я вас запевняю, – будуть різні. Отже опір провідника електричного струму залежить ще й від матеріалу з якого виготовлено цей провідник. А матеріал провідника характеризує саме питомий опір (ρ), звернімо увагу на таблицю нижче, де наведено опори провідників з різного матеріалу довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм².

Зробимо невеличкий відступ стосовно питомого опору.

Будь-який провідник електричного струму має певний опір, це так. Але ці опори різні у різних матеріалів і характеризуються вони саме питомим опором речовини.

Питомий опір – то питома (відносна) фізична величина, яка кількісно характеризує здатність речовини створювати опір проходженню електричного струму. Позначається він літерою ρ (ро).

Адже не секрет, що кристалічна структура (будова впорядкованої молекулярної решітки) різних матеріалів різна. У якомусь вона щільніша, у якомусь – рідша. Саме від відстані між позитивними іонами, розмірами простору для руху вільних електронів і визначається здатність провідника створювати більший, чи менший опір проходженню електричного струму. Це, звісно, спрощено, втім, досить показово.

Для прикладу, таблиця питомих опорів деяких речовин при температурі 20°С.

Для чого це знати?

Ну, перш за все, ви повинні розуміти, чому електрики віддають перевагу мідному дроту перед алюмінієвим; бо питомий опір міді майже удвічі менший ніж алюмінію, отже втрати у мідних дротах будуть меншими. А чому ж тоді дроти ліній електромереж алюмінієві? Бо він дешевший і легший, тому ідуть на компроміс.

Ви мусите розуміти, чому спіралі електричних нагрівачів виготовляють з ніхрому, бо якби цю спіраль зробили з мідного дроту вона б миттєво згоріла, адже питомий опір міді менший майже у 60 разів. І тому, при інших рівних умовах, при однаковій довжині та однаковому діаметрі, – опір такої спіралі був би більш ніж у 60 разів меншим. І при однаковій напрузі, струм би по ній потік у 60 разів більший. Тому, щоб виготовити схожу спіраль з мідного дроту такого ж самого перерізу, її слід зробити у 60 разів довшою.

Не завадить пам'ятати, що дротяні резистори з високою температурною стабільністю виготовляють з манганіну, константану. Ці матеріали мають досить високий питомий опір і температурну стабільність (тобто їхній опір досить стабільний при зміні температури).

От тепер, знаючи основні критерії залежності опору, ми можемо вивести остаточну формулу та сформулювати визначення:

Опір провідника прямо пропорційний його довжині, обернено пропорційний його перерізу і залежить від питомого опору матеріалу:

R = ρ (l/S)

Вийшло трохи нуднувато, але ці речі потрібно знати і розуміти.

Та як би там не було, ми поступово підбираємося до закону Ома.

Втім, перш ніж вдаватися до розмірковувань з цього приводу – проведемо декілька експериментів.

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

ВІДСТУП
про живлення

Ось уже зараз і в наступних дописах на нас чекають практичні експерименти під час яких ми будемо збирати ланцюги з компонентів для дослідів. Імітуватимемо ланки кіл пристроїв, досліджуватимемо електричні характеристики компонентів. Для цього ми вже маємо мультиметр, тож слід поговорити про джерело живлення для наших робіт.

Для практичних експериментів з пасивними елементами цілком буде достатньо простого хімічного джерела живлення (про які ми більш детальніше поговоримо пізніше).

Нам потрібно буде дві звичайні касети для 2-х елементів АА(R6) (Отсек под батарейку (2xR6; AA), c проводами)

 І, звісно ж чотири елементи живлення типорозміру АА.

Та дві лампочки на 6,0 В (40мА), з розділу "10.09 Лампочки" колір значення не має, на приклад таку.

Особливо не турбуйтеся, після закінчення наших експериментів касети вам знадобляться для ваших розробок, повірте мені. А зробивши проміжний вивід з однієї касети, ви матимете можливість отримати ряд напруг від 1,5 В до 6,0 В, з модулем приросту 1,5 В.

Зовсім не завадить, одночасно, придбати і кліпсу для батарейки "крона" (6F22) таку як "Гнездо держатель 9V кроны, с кабелем".

Я виходжу з того, що мультиметр у вас уже є. Бо усі виміри, починаючи з цього допису, будемо робити саме ним.

Тож, на початку, ми будемо обходитися звичайними елементами живлення. Цього буде цілком достатньо для проведення експериментів, які допоможуть нам зрозуміти основи. Дивіться.

Касета з двома елементами живлення дозволяє мати 3,0 В напруги. Додамо до однієї касети ще й проміжний вивід. Дві касети, одна з середніми виводом: 1,5, 3,0, 4,5, 6,0 – досить закономірний, практично стандартизований ряд напруги. А коли ми додамо ще й "крону", то зможемо мати і 9,0 В, і 15,0 В з деякими проміжними значеннями (10,5 В; 12,0 В; 13,5 В; 15,0 В). Цього, на мій погляд, цілком достатньо для лабораторії початківця-аматора. Струму, який здатні віддавати лужні, чи, навіть, сольові елементи живлення, теж буде цілком достатньо.

Повернемося трішечки до схем та пояснення, як отримати від 1,5 до 6,0 вольтів.

Стосовно схем

Тепер слід сказати про зображення елементів живлення на електронних схемах. Та, двома словами, що це таке – електронна схема.

Поєднання компонентів будь-якого електронного пристрою зображується на своєрідному електронному кресленні, яке називається – схема. Саме схеми розповідають, які компоненти використовувати, як їх поєднувати для отримання потрібного результату. Позначення на таких електронних схемах стандартизоване, кожен елемент має своє, лише йому притаманне зображення. Цього суворо дотримуються, тому електронні схеми читаються людьми усього світу без ніяких ускладнень. Це так би мовити – універсальна мова. Існують, правда, деякі відмінності між європейським та американським стандартом, але вони зовсім не ускладнюють розуміння схем.

Гадаю, ви усвідомлюєте необхідність уміти читати електронні схеми.

Нам відомо, що кожен компонент має своє, лише йому притаманне позначення. Елемент живлення – то є джерело постійного струму, – повноправний елемент таких схем, тому для його позначення теж існує свій символ, який використовується при їхньому викреслюванні.

Зверніть увагу, як відображаються «плюс» та «мінус» елемента живлення. Не на всіх схемах поруч можуть бути присутні їхні символи, але людині, яка знає як малюються полюси, відразу зрозуміло де позитивний, а де – негативний полюс:

Один елемент живлення

Батарея (декілька) елементів живлення

Внизу подано зображення батареї елементів живлення. Тобто джерела живлення утвореного послідовним поєднанням елементів. Послідовним – мається на увазі приєднання позитивного виводу «плюса» одного елементу, до негативного «мінуса» наступного елементу. Таких елементів, для утворення батареї з напругою 3,0 В потрібно два. Отже сумарна напруга батареї складеної з певної кількості елементів живлення, буде дорівнювати сумі напруг кожного елементу. Схематично, кількість елементів не вказується, а малюється лише пунктирна лінія, яка і є ознакою того, що батарея складається з декількох елементів.

Слід сказати, що касета для 2-х елементів живлення, не що інше, як пристрій для створення батареї і сумарна її напруга матиме суму напруги цих елементів, отже 3,0 В.

Я згадував про середній відвід. Як його зробити і що це дасть?

Перш за все, це дасть нам можливість мати напругу 1,5 В. Реалізувати таку можливість не складно. Потрібен буде шматочок монтажного дроту, довжиною сантиметрів 15, з кінців якого слід зняти ізоляцію.

Виймаємо один з елементів живлення і між звоями пружинки встромляємо кінець оголеного дроту. Ставимо на місце елемент живлення, пружинка міцно затисне дріт, забезпечивши надійний контакт. Це і буде наш середній відвід. Зробити його слід лише в одній з касет на 3,0 вольта.

Тепер ми зможемо комбінувати батареї, щоб отримати згаданий вище ряд напруг – 1,5 В; 3,0 В; 4,5 В; 6,0 В; 9,0 В; 10,5 В; 12,0 В; 13,5 В; 15,0 В.

До речі, якщо ви користуєтесь лужними елементами (серії Alkaline), не розряджайте їх нижче 1,0 В і не викидайте. Відкрию вам маленький секрет – такі елементи здатні до відновлення (на відміну від сольових) і ми, надалі, обов’язково розглянемо таку можливість під час самостійного виготовлення простого блока живлення для лабораторії аматора.

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

Повернемося до експериментів

Для їх проведення вам потрібно буде два мультиметри (якщо у вас він один, то доведеться послідовно переставляти його для виміру струму, або напруги).

Дві касети на 2 елементи живлення.

Дві лампочки, з робочою напругою 6,0 В та робочим струмом 40,0 мА.

Будь-яка лампочка для побутової мережі 220 В.

Приготуйте перелічені компоненти до наступної зустрічі. Другу частину вступу почнемо безпосередньо з практичних експериментів, які пояснять вам цікаві особливості взаємозв'язку струму, напруги та потужності.

Автор статті: Володимир Пустовіт