Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- немного_об_электричестве_и_не_только [2021/11/07 11:27] – создано serviko
+++ немного_об_электричестве_и_не_только [2021/11/07 22:03] (current) – [Уровень 2 (для Опыта 2. Электрическое сопротивление)] serviko
@@ Line 1: / Line 1: @@
 =====От янтаря до чайника=====
-{{ :wiki:praktika:bedroom:bedroom01.png?nolink|}}Очень давно, примерно за 600 лет до нашей эры, древние греки находили на берегу Балтийского моря желтые прозрачные камни. От нечего делать они тёрли эти камни о шерсть или мех и с удивлением смотрели, как эти камни начинали притягивать различные мелкие предметы.
+Очень давно, примерно за 600 лет до нашей эры, древние греки находили на берегу Балтийского моря желтые прозрачные камни. От нечего делать они тёрли эти камни о шерсть или мех и с удивлением смотрели, как эти камни начинали притягивать различные мелкие предметы.
 Как оказалось, жёлтый камень - это янтарь (застывшая за миллионы лет смола - "электрон" по гречески), а магическое свойство притяжения - обыкновенное статическое электричество (накопление заряженных частиц).
-Казалось бы, какая связь между янтарем и электрическим чайником или современным электрокаром Тесла?
+{{ :wiki:helpful:elec:elec01.png?nolink|}}Казалось бы, какая связь между янтарем и электрическим чайником или электрокаром Тесла?
+Много-много лет греки ходили потирая янтарь, пока в конце 19-го, начале 20-го веков все эксперименты, наблюдения и математические расчеты учёных свелись к тому, что всё вокруг нас состоит из маленьких частиц. Об этих частицах говорил ещё грек Демокрит, называя их "неделимыми частицами" - атомами. Он считал, что атомы хаотично летают в пустоте.
+Примерно 100 лет назад британский физик Эрнест Резерфорд бомбардируя радиоактивными альфа-частицами тонкую золотую фольгу, обнаружил, что атомы пустые, что в середине атома находится то, что после стали называть атомным ядром, которое примерно в 1000 раз меньше, чем атом. Тогда можно было сказать, что элементарные частицы — это атомные ядра. Но кроме атомных ядер, которые имеют электрический заряд, а атомы заряда не имеют, должно было быть что-то еще, и это что-то еще получило название электрон. Так получились две элементарные частицы: ядро и электрон.
+Не будем углубляться в науку, которая называется "квантовая механика". Нам достаточно знать, что есть маленькие частицы (электроны), которые при определенных условиях могут перемещаться от одного атома к другому. Упорядоченное (направленное) движение этих частиц называется электрическим током.
+Управление электрическим током и контроль за параметрами электрического тока (сила, напряжение, сопротивление, мощность) позволяют использовать полезную работу электрического тока, заставляя устройства нагреваться, вращаться, магнититься, передавать информацию на расстояние по проводам и без проводов, и даже сквозь препятствия.
+Много [[https://icanread.ru/knigi-ob-jelektrichestve/|интересных и полезных книг]] есть про использование электричества в повседневной жизни. Для первого знакомства можно посмотреть познавательный [[https://www.youtube.com/watch?v=ASNd8HsT-H4|фильм]] на YouTube-канале.
 ----
+=====Опыт 1. Источник тока=====
+Начиная примерно со [[https://www.youtube.com/watch?v=ASNd8HsT-H4&t=153s|второй минуты видео]], ведущий упоминает [[https://formulki.ru/electromagnetism/vidy-istochnikov-toka|"источники тока"]] - устройства которые имеют накопленный заряд электронов или создают электрический ток, преобразуя какой-то вид энергии в электрический ток.
+Один из вариантов - химический источник тока, состоящий из медного и цинкового электрода, расположенных в серной кислоте.
+<note warning>Серная кислота является едким веществом, разрушающим кожу, глаза, зубы и легкие. Она оказывает пагубное влияние на живые организмы, выделяясь в атмосферу. Воздействие высоких концентраций вещества может привести к смерти!</note>
+Для наших опытов подойдет любая кислота, а что самое кислое в доме? Конечно, лимон! Таким образом, для создания простейшего источника питания и опытов с ним нам понадобится:
+  *лимон
+  *медный электрод (например, монета)
+  *железный электрод (например, толстый гвоздь), а лучше цинковый электрод (можно разобрать старую батарейку)
+  *полезная нагрузка (например, светодиод)
+  *соединительные провода (лучше медные)
+Если этих элементов у вас нет, то начать можно с симулятора [[https://www.tinkercad.com/dashboard|TinkerCAD]].
+{{ :wiki:helpful:elec:velec01.mp4?nolink|}}Откройте сайт TinkerCAD, [[http://serviko.net/tinker/doku.php/с_чего_начать|зарегистрируйте учётную запись]], откройте раздел "Цепи" и создайте новую цепь.
+В правой части окна в списке "Компоненты" откройте раздел "Все". Перетащите в основное поле компоненты схемы:
+  *Светодиод (полезная нагрузка)
+  *Батарея из лимона (источник питания)
+  *Мультиметр (измерительный прибор)
+Соедините "Отрицательный" контакт (черный, рядом с "гвоздём") нашей "батарейки" с контактом светодиода "катод" (короткий контакт), а "Положительный" контакт "батарейки" (красный, рядом с "монеткой") с контактом светодиода "Анод" (длинный контакт).
+Нажав кнопку "Начать моделирование", мы видим, что светодиод практически на изменил своё изображение, то есть не "загорелся". Скорее всего не хватило силы нашей лимонной "батарейке" разбудить светодиод.
+Давайте проверим сколько вольт выдает наша "батарейка". Соедините "Отрицательный" контакт (черный, рядом с гвоздем) нашей "батарейки" с "Отрицательным" контактом (черный) мультиметра, а "Положительный" контакт "батарейки" (красный, рядом с "монеткой") с контактом "Положительный" мультиметра. Проконтролируйте, чтобы мультиметр был в режиме измерения напряжения (выделен символ "V").
+Нажмите кнопку "Начать моделирование". Мы видим, что наш источник питания выдает всего 520 mV (милливольт). Если перевести в вольты, то 0.52 вольта. Как мы знаем, пальчиковая батарейка (элемент типа АА) выдает 1.5 вольта, то есть в три раза больше!
+Давайте попробуем увеличить выходное напряжение лимонного "источника питания", соединив последовательно несколько лимонов. Последовательно это значит, положительный контакт одного лимона соединить с отрицательным контактом следующего лимона и так далее. Таким образом получим цепь лимонов, с двумя контактами на концах всей цепи: положительным и отрицательным. Также соединяют и обычные батарейки для увеличения выходного напряжения. При последовательном подключении общее напряжение всей цепи источников питания равно сумме напряжений каждого отдельного источника питания.
+На видео показана цепь из 10 лимонов. Выходное напряжение такой цепи 5.2 вольта. Это уже позволяет немного зажечь светодиод. Но всё-равно яркость недостаточна, так как мощность нашего источника питания очень слабая.
+<note>Электрическая мощность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии</note>
+Чтобы быстро выполнять какую-нибудь работу, нужная **сила**.  В нашем случае нужна сила тока источника питания.
+Повысить силу тока источника питания можно несколькими способами:
+  *заменить соединительные провода на серебряные или платиновые (уменьшить удельное сопротивление металла)
+  *укоротить соединительные провода и взять их потолще (побольше сечением)
+  *сильно охладить (заморозить) соединительные провода
+  *изменить конструкцию источника питания: добавить трансформатор или параллельный транзистор
+----
+=====Опыт 2. Электрическое сопротивление=====
+{{ :wiki:helpful:elec:elec03.png?nolink|}}На пути движения любого потока всегда мешаются какие-то препятствия: камни, крутые изгибы, водопады...
+Иногда эти препятствия делают специально, вспомните старые ветряные или водяные мельницы или современные ветрогенераторы и гидроэлектростанции. Эти устройства сопротивляются действующим на них потокам и производят полезную работу (мелют зерно в муку, производят электроэнергию и т.д.)
+Сопротивления в электрических схемах играют очень важную роль: они светят, греют, заставляют двигаться или, наоборот, тормозить, а сколько измерительных устройств работают на основе изменения сопротивления датчиков, трудно даже подсчитать!
+Рассмотрим схему, в которой в качестве сопротивления используется [[https://ru.wikipedia.org/wiki/Светодиод|светодиод]] - устройство, излучающее свет определенного цвета. Конструкцию, принцип действия и разновидности полупроводниковых светодиодом можно посмотреть по [[https://ru.wikipedia.org/wiki/Светодиод|ссылке]], для нас важно, что при правильном включении его в электрическую цепь, он светится.
+Что значит "правильное включение"? Светодиод - полупроводник, то есть пропускает электрический ток только в одну сторону. Мы знаем, что у источника тока, например батарейки, всегда есть положительный контакт (+) и отрицательный контакт (-). Принято считать, что ток течёт от "плюса" к "минусу".
+<note important>"Плюс" источника питания соединяется с контактом светодиода "Анод" (более длинная ножка), а "минус" батарейки соединяется с контактом светодиода "Катод" (более короткая ножка)</note>
+Создадим в TinkerCAD новый проект в разделе "Цепи". Добавим "Кнопочную батарею 3В", светодиод и кнопку. Соединим всё по схеме. Не забудьте про катод и анод светодиода и заметьте, что лучше использовать контакты кнопки, расположенные по диагонали.
+Для контроля напряжения на светодиоде и силы тока в цепи добавим два мультиметра: правый подключим последовательно со светодиодом в режиме амперметра ("A" - измерение силы тока), а левый параллельно со светодиодом в режиме вольтметра ("V" - измерение напряжения тока).
+{{ :wiki:helpful:elec:velec02.mp4?nolink|}}Запустим моделирование. Нажимая на кнопку, увидим, что напряжение на светодиоде 2.38 вольта, а сила тока в цепи 61.9 миллиампер. В таком режиме светодиод проработает недолго, так как безопасная сила тока для него 20 миллиампер.
+Чтобы снизить силу тока обычно последовательно со светодиодом подключают **токоограничивающий [[https://ru.wikipedia.org/wiki/Резистор|резистор]]**. Номинал резистора можно легко вычислить, но для наших устройств, работающих от источника питания от 3 до 12 вольт, можно просто запомнить: для каждого светодиода + один резистор на 180-220 Ом.
+Добавив в схему последовательно со светодиодом постоянный резистор на 220 Ом, увидим, что напряжение на светодиоде снизилось до 1.92 V, а сила тока до 4.70 mA. Вполне нормальные, хотя и несколько заниженные, параметры работы светодиода.
+Вы, наверное, уже догадались, что для более эффективной работы светодиода (например, изменение яркости свечения) можно подключать резисторы разного номинала. А можно вместо постоянного резистора подключить резистор с переменным сопротивлением. И тогда, вращая движок переменного резистора (к которому подключен центральный контакт), можно изменять номинал резистора в большом диапазоне. А это будет влиять, например, на яркость светодиода или скорость вращения двигателя.
+-----
+-----
+=====Задание для самостоятельной работы====
+====Уровень 1 (для опыта "Источник Тока")====
+Мы измерили напряжение лимонного источника питания. При этом подключали мультиметр в режиме "V" параллельно источнику питания  нагрузке (светодиоду).
+Переключите мультиметр в режим измерения "силы тока" (знак "A"). Подключите мультиметр последовательно со светодиодом (друг за дружкой). Измерьте силу тока в цепи при 10 лимонах и при одном лимоне.\\ Подумайте, можно ли нашим лимонным "источником питания" зарядить сотовый телефон (при условии, что все разъемы для подключения есть)?
+''**Подсказка**'': //посмотрите в инструкции к вашему телефону требование к зарядному устройству по силе тока и сравните его с измеренными в опытах. Если нет инструкции к телефону, посмотрите выходные параметры по напряжению и току любого зарядного устройства для телефона (поищите наклейку на зарядке)//.
+-----
+====Уровень 2 (для опыта "Электрическое сопротивление")====
+{{ :wiki:helpful:elec:elec02.png?nolink|}}Замените лимонный источник питания плоской круглой батарейкой ("Кнопочная батарея"). Сможет ли данный элемент питания раскрутить "Двигатель постоянного тока"?
+Создайте схему устройства, которое включает двигатель по нажатию на "Кнопку".
+Измерьте:
+  *напряжение на двигателе, подключив мультиметр параллельно двигателю в режиме "V"
+  *силу тока в цепи, подключив мультиметр последовательно с двигателем в режиме "A"
+-----
 [[start|На главную страницу]]