tinker

This page is read only. You can view the source, but not change it. Ask your administrator if you think this is wrong.
=====От янтаря до чайника=====
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).

{{ :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]]