על זרם חשמלי, מתח והספק מתוך ספר ילדים סובייטי: פשוט וברור

בברית המועצות, שהשיגה הצלחות רציניות מאוד בפיתוח המדע והטכנולוגיה, התפשטה תנועת חובבי הרדיו. אלפים רבים של אזרחים צעירים למדו הנדסת רדיו בהדרכת מדריכים בחוגי רדיו ומועדוני רדיו שיש להם ספרות טכנית מיוחדת, כלים וכלים. רבים מהם הפכו בעתיד למהנדסים, מעצבים, מדענים מוסמכים.

עבור מעגלי רדיו כאלה פורסמה ספרות מדעית פופולרית, שבה הוסברו סוגיות שונות של פיזיקה, מכניקה, הנדסת חשמל ואלקטרוניקה בשפה פשוטה עם מספר רב של איורים.

אחת הדוגמאות לספרים כאלה היא ספרו של צ'סלוב קלימצ'בסקי "אלפבית של חובב רדיו", שיצא לאור בהוצאת "סוויאזיזדאת" בשנת 1962. החלק הראשון של הספר נקרא "הנדסת חשמל", החלק השני הוא "רדיו". הנדסה", השלישי הוא "ייעוץ מעשי". , החלק הרביעי - "אנו מתקינים את עצמנו".

את הספר עצמו ניתן להוריד כאן: אלפבית הרדיו החובבים (פראי)

סוג זה של ספרים בשנות ה-60 לא היה שייך לספרות מתמחה במיוחד.הם הוצאו בתפוצה של עשרות אלפי עותקים ונועדו לקורא המוני.

הרדיו של רז יושם בצורה כה מלאה בחיי היומיום של אנשים, אז באותה תקופה האמינו שאי אפשר להגביל אותך רק על ידי היכולת לסובב את הידיות. וכל משכיל צריך ללמוד רדיו על מנת להבין כיצד מתבצעים שידור רדיו וקליטה ברדיו, להכיר את התופעות החשמליות והמגנטיות הבסיסיות שהן המפתח לתורת הנדסת הרדיו. כמו כן, יש צורך, באופן כללי, להכיר את המערכות והעיצוב של מכשירי קליטה.

בואו נסתכל ביחד ונשפוט איך באותה תקופה ידעו להסביר דברים מורכבים בתמונות פשוטות.

חובב רדיו מתחיל של זמננו:

לגבי זרם חשמלי

כל החומרים בעולם, ובהתאם לכך, כל העצמים סביבנו, הרים, ימים, אוויר, צמחים, בעלי חיים, אנשים, מורכבים מחלקיקים קטנים לאין שיעור, מולקולות, והאחרונים, בתורם, מאטומים. חתיכת ברזל, טיפת מים, כמות לא משמעותית של חמצן, הם הצטברות של מיליארדי אטומים, סוג אחד בברזל, אחר במים או בחמצן.

אם מסתכלים על היער מרחוק, הוא נראה כמו רצועה כהה שהיא מקשה אחת (השווה, למשל, עם חתיכת ברזל). כשהם מתקרבים לקצה היער, ניתן לראות עצים בודדים (בחתיכת ברזל - אטומי ברזל). יער מורכב מעצים; באופן דומה, חומר (כגון ברזל) מורכב מאטומים.

ביער מחטניים, העצים שונים מאשר ביער נשיר; כמו כן, המולקולות של כל יסוד כימי מורכבות מאטומים שונים מהמולקולות של יסודות כימיים אחרים. אז, אטומי ברזל שונים, למשל, מאטומי חמצן.

מתקרבים עוד יותר אל העצים, אנו רואים שכל אחד מהם מורכב מגזע ועלים. באותו אופן, האטומים של החומר מורכבים ממה שנקרא גרעין (גזע) ואלקטרונים (יריעות).

תא המטען כבד והליבה כבדה; הוא מייצג את המטען החשמלי החיובי (+) של האטום. עלים קלים ואלקטרונים קלים; הם יוצרים מטען חשמלי שלילי (-) על האטום.

לעצים שונים יש גזעים עם מספר שונה של ענפים ומספר העלים אינו זהה. כמו כן, אטום, בהתאם ליסוד הכימי שהוא מייצג, מורכב (בצורתו הפשוטה) מגרעין (גזע) עם כמה מטען חיובי - מה שנקרא פרוטונים (ענפים) ומספר מטענים שליליים - אלקטרונים (יריעות).

ביער, על האדמה בין העצים, מצטברים עלי שלכת רבים. הרוח מרימה את העלים הללו מהאדמה והם מסתובבים בין העצים. אז בחומר (למשל, מתכת) בין אטומים בודדים יש כמות מסוימת של אלקטרונים חופשיים שאינם שייכים לאף אחד מהאטומים; אלקטרונים אלה נעים באקראי בין האטומים.

אם אתה מחבר את החוטים המגיעים מסוללה חשמלית לקצוות של חתיכת מתכת (לדוגמה, וו פלדה): חבר קצה אחד שלו לפלוס של הסוללה - הביא את מה שנקרא פוטנציאל חשמלי חיובי (+) אליו, והקצה השני למינוס הסוללה - הביאו פוטנציאל חשמלי שלילי (-), ואז האלקטרונים החופשיים (מטענים שליליים) יתחילו לנוע בין האטומים שבתוך המתכת, ממהרים לצד החיובי של הסוללה.

זה מוסבר על ידי התכונה הבאה של מטענים חשמליים: מטענים מנוגדים, כלומר מטענים חיוביים ושליליים מושכים זה את זה; כמו מטענים, כלומר חיוביים או שליליים, להיפך, דוחים זה את זה.

אלקטרונים חופשיים (מטענים שליליים) במתכת נמשכים למסוף הטעון חיובי (+) של הסוללה (מקור הזרם) ולכן נעים במתכת כבר לא באופן אקראי, אלא לצד הפלוס של מקור הזרם.

כפי שאנו כבר יודעים, אלקטרון הוא מטען חשמלי. מספר רב של אלקטרונים הנעים בכיוון אחד בתוך המתכת מרכיבים את זרימת האלקטרונים, כלומר. מטענים חשמליים. מטענים חשמליים אלו (אלקטרונים) הנעים במתכת יוצרים זרם חשמלי.

כפי שכבר הוזכר, אלקטרונים נעים לאורך חוטים ממינוס לפלוס. עם זאת, הסכמנו לשקול שהזרם זורם בכיוון ההפוך: מפלוס למינוס, כלומר כאילו לא שליליים, אלא מטענים חיוביים נעים לאורך החוטים (מטענים חיוביים כאלה יימשכו למינוס של מקור הזרם) .

ככל שהרוח מונעת יותר עלים ביער, כך הם ממלאים את האוויר עבים יותר; כמו כן, ככל שיותר מטענים זורמים במתכת, כך גדלה כמות הזרם החשמלי.

לא כל חומר יכול לשאת זרם חשמלי באותה קלות. אלקטרונים חופשיים נעים בקלות, למשל במתכות.

חומרים שבהם מטענים חשמליים נעים בקלות נקראים מוליכים של זרם חשמלי. לחומרים מסוימים, הנקראים מבודדים, אין אלקטרונים חופשיים ולכן לא זורם זרם חשמלי דרך המבודדים. מבודדים כוללים, בין היתר, זכוכית, פורצלן, נציץ, פלסטיק.

ניתן להשוות גם את האלקטרונים החופשיים שנמצאים בחומר המוליך זרם חשמלי לטיפות מים.

טיפות בודדות במנוחה אינן יוצרות זרימת מים. מספר רב מהם בתנועה יוצרים נחל או נהר הזורמים בכיוון אחד. טיפות המים בנחל או בנהר זה נעות בזרימה שכוחה גדול יותר, ככל שההבדל במפלסי הערוץ לאורך דרכו גדול יותר, ולכן, ההבדל ב"פוטנציאלים" (גבהים) של הפרט גדול יותר. מקטעים בודדים של נתיב זה.

גודל הזרם החשמלי

כדי להבין את התופעות הנגרמות על ידי זרם חשמלי, השוו אותו לזרימת המים. כמויות קטנות של מים זורמות בנחלים, בעוד מסות מים גדולות זורמות בנהרות.

נניח שערך זרימת המים בנחל שווה ל-1; ניקח לדוגמא את ערך הזרימה בנהר כ-10. לבסוף, עבור נהר חזק ערך זרימת המים הוא, נניח, 100, כלומר פי מאה מערך הזרימה בנחל.

זרם מים חלש יכול להניע את ההגה של טחנה אחת בלבד. ניקח את הערך של זרם זה שווה ל-1.

זרימת מים כפולה יכולה להניע שתיים מהטחנות הללו. במקרה זה, ערך זרימת המים שווה ל-2.

פי חמישה מזרם המים יכול להניע חמש טחנות זהות; ערך זרימת המים הוא כעת 5. ניתן לראות את זרימת זרימת המים בנהר; זרם חשמלי זורם דרך חוטים בלתי נראים לעינינו.

האיור הבא מציג מנוע חשמלי (מנוע חשמלי) המונע באמצעות זרם חשמלי. הבה ניקח במקרה זה את הערך של זרם חשמלי שווה ל-1.

כאשר זרם חשמלי מניע שני מנועים חשמליים כאלה, אזי כמות הזרם הזורמת דרך החוט הראשי תהיה גדולה פי שניים, כלומר שווה ל-2.לבסוף, כאשר זרם חשמלי מזין חמישה מאותם מנועים חשמליים, אז הזרם על החוט הראשי גבוה פי חמישה מאשר במקרה הראשון; לכן גודלו הוא 5.

יחידה מעשית למדידת כמות הזרימה של מים או נוזל אחר (כלומר, כמות הזרימה שלו ליחידת זמן, למשל, לשנייה, דרך חתך רוחב של אפיק נהר, צינור וכו') היא ליטר לשנייה.

כדי למדוד את גודל הזרם החשמלי, כלומר כמות המטענים הזורמים בחתך הרוחב של החוט ליחידת זמן, לוקחים את האמפר כיחידה מעשית.לפיכך, גודל הזרם החשמלי נקבע באמפר. האמפר המקוצר מסומן באות א.

מקור הזרם החשמלי יכול להיות, למשל, סוללה גלוונית או מצבר חשמלי.

גודל הסוללה או המצבר קובעים את כמות הזרם החשמלי שהם יכולים לספק ואת משך פעולתם.

כדי למדוד את גודל הזרם החשמלי בהנדסת חשמל, השתמש במכשירים מיוחדים, מד זרם (A). מכשירים חשמליים שונים נושאים כמויות שונות של זרם חשמלי.

מתח

הכמות החשמלית השנייה הקשורה קשר הדוק לגודל הזרם היא המתח. כדי להבין ביתר קלות מהו המתח של זרם חשמלי, נשווה אותו להפרש ברמות התעלה (נפילת המים בנהר), בדיוק כפי שהשווינו את הזרם החשמלי לזרימת המים. עם הבדל קטן ברמות הערוצים, ניקח את ההפרש שווה ל-1.

אם ההבדל ברמות הערוץ משמעותי יותר, אזי נפילת המים גדולה יותר בהתאם. נניח, למשל, שהוא שווה ל-10, כלומר פי עשרה מאשר במקרה הראשון.לבסוף, עם הבדל גדול עוד יותר במפלסי המים, זה, נניח, 100.

אם זרם המים נופל מגובה קטן, הוא יכול להניע רק טחנה אחת. במקרה זה, ניקח טיפת מים השווה ל-1.

אותו נחל הנופל מגובה כפול יכול לסובב את הגלגלים של שתי טחנות דומות. במקרה זה, ירידת המים שווה ל-2.

אם ההבדל ברמות הערוצים גדול פי חמישה, אז אותה זרימה מניעה חמש טחנות כאלה. ירידת המים היא 5.

תופעות דומות נצפות כאשר בוחנים מתח חשמלי. מספיק להחליף את המונח "מפל מים" במונח "מתח חשמלי" כדי להבין מה זה אומר בדוגמאות הבאות.

תן רק מנורה אחת להדליק. נניח שמופעל עליו מתח השווה ל-2.

כדי שחמש נורות כאלה המחוברות באותו אופן יישרפו, המתח חייב להיות שווה ל-10.

כאשר שתי נורות זהות המחוברות בטור זו לזו דולקות (כפי שנורות מחוברות בדרך כלל בזרי עצי חג המולד), המתח הוא 4.

בכל המקרים הנחשבים עובר זרם חשמלי באותו גודל בכל נורה ועל כל נורה מופעל אותו מתח שהוא חלק מהמתח הכולל (מתח הסוללה), השונה בכל דוגמה פרטנית.

תן לנהר לזרום לתוך האגם. בתנאי ניקח את מפלס המים באגם כאפס.אז מפלס אפיק הנחל ליד העץ השני ביחס למפלס המים באגם שווה ל-1 מ', ומפלס ערוץ הנחל ליד השלישי עץ יהיה 2 מ'. מפלס הערוץ ליד העץ השלישי גבוה ב-1 מ' מפלסו ליד העץ השני, כלומר. בין העצים הללו שווה ל-1 מ'.

ההבדל ברמות הערוץ נמדד ביחידות אורך, למשל, כפי שעשינו, במטרים. בהנדסת חשמל, מפלס אפיק הנהר בכל נקודה ביחס לרמת אפס מסוימת (בדוגמה שלנו מפלס המים של האגם) תואם לפוטנציאל חשמלי.

ההבדל בפוטנציאל החשמלי נקרא מתח. פוטנציאל חשמלי ומתח נמדדים באותה יחידה - הוולט, המקוצר באות c. לפיכך, היחידה למדידת מתח חשמלי היא הוולט.

מכשירי מדידה מיוחדים הנקראים מדי מתח (V) משמשים למדידת מתח חשמלי.

מקור כזה של זרם חשמלי כמו סוללה ידוע ברבים. לתא אחד של מה שנקרא סוללת עופרת-חומצה (שבה טבולות לוחות העופרת בתמיסה מימית של חומצה גופרתית) בעת הטענה יש מתח של כ-2 וולט.

סוללת אנודה, המשמשת להנעת מכשירי קשר באמצעות זרם חשמלי, מורכבת לרוב מכמה עשרות תאים גלווניים יבשים, כל אחד במתח של כ-1.5 וולט.

אלמנטים אלה מחוברים ברצף (כלומר, הפלוס של האלמנט הראשון מחובר למינוס של השני, הפלוס של השני - למינוס של השלישי וכו'). במקרה זה, המתח הכולל של הסוללה שווה לסכום המתחים של התאים מהם היא מורכבת.

לכן, סוללת 150 וולט מכילה 100 תאים כאלה המחוברים בטור זה עם זה.

בשקע רשת התאורה במתח 220V ניתן לחבר נורת ליבון אחת המיועדת למתח של 220V או 22 נורות עץ חג המולד זהות המחוברות בסדרה שכל אחת מהן מיועדת למתח של 10V.במקרה זה, לכל נורה יהיה רק ​​1/22 ממתח הקו, כלומר 10 וולט.

המתח הפועל על מכשיר חשמלי מסוים, במקרה שלנו נורה, נקרא מפל המתח. אם נורה של 220 וולט צורכת את אותו זרם כמו נורה של 10 וולט, אזי הזרם הכולל הנמשך מהרשת על ידי הזר יהיה זהה בגודלו לזרם הזורם דרך נורת ה-220 וולט.

מהאמור ברור שניתן לחבר, למשל, שתי נורות 110 וולט זהות לרשת 220 וולט המחוברות זו בזו בסדרה.

אפשר לחמם צינורות רדיו המיועדים למתח של 6.3 וולט, למשל, מסוללה המורכבת משלושה תאים המחוברים בסדרה; מנורות המיועדות למתח נימה של 2 וולט יכולות להיות מופעלות על ידי תא בודד.

מתח הנימה של צינורות רדיו חשמליים מצוין בצורה מעוגלת בתחילת סמל המנורה: 1.2 V - עם המספר 1; 4.4 אינץ' - מספר 4; 6.3 אינץ' - מספר 6; 5 ג - מספר 5.

לסיבה הגורמת לזרם חשמלי

אם שני אזורים של פני כדור הארץ, אפילו רחוקים זה מזה, נמצאים ברמות שונות, אזי זרימת מים יכולה להתרחש. המים יזרמו מהנקודה הגבוהה ביותר לנמוכה ביותר.

כך גם זרם חשמלי. זה יכול לזרום רק אם יש הבדל ברמות החשמל (פוטנציאלים). במפת מזג אוויר, הרמה הברומטרית הגבוהה ביותר (לחץ גבוה) מסומנת בסימן "+" והרמה הנמוכה ביותר בסימן "-".

הרמות יהיו מיושרות בכיוון החץ. הרוח תנשב לכיוון האזור בעל הרמה הברומטרית הנמוכה ביותר. כאשר הלחץ ישתווה, תנועת האוויר תיפסק. לפיכך, זרימת הזרם החשמלי תיפסק אם הפוטנציאלים החשמליים ישתוו.

בזמן סופת רעמים יש השוואת פוטנציאלים חשמליים בין העננים לאדמה או בין העננים. מופיע בצורה של ברק.

קיים גם הבדל פוטנציאל בין הטרמינלים (הקטבים) של כל תא או סוללה גלווני. לכן, אם אתה מצרף אליו, למשל, נורה, אז זרם יזרום דרכו. עם הזמן, הפרש הפוטנציאלים יורד (מתרחשת השוואת פוטנציאלים) וגם כמות הזרם הזורמת פוחתת.

אם מחברים נורה לרשת החשמל, אזי יזרום בה גם זרם חשמלי, שכן יש הבדל פוטנציאל בין שקעי השקע. עם זאת, שלא כמו תא גלווני או סוללה, ההבדל הפוטנציאלי הזה נשמר כל הזמן - כל עוד תחנת הכוח פועלת.

אנרגיה חשמלית

יש קשר הדוק בין מתח חשמלי לזרם. כמות הכוח החשמלי תלויה בכמות המתח והזרם. הבה נסביר זאת באמצעות הדוגמאות הבאות.

דובדבן נופל מגובה נמוך: גובה נמוך - מתח קל. כוח פגיעה נמוך - כוח חשמלי נמוך.

קוקוס נופל מגובה קטן (ביחס למקום טיפס הילד): חפץ גדול - זרם גדול. גובה נמוך - מתח נמוך. כוח השפעה גבוה יחסית - כוח גבוה יחסית.

עציץ קטן נופל מגובה רב: חפץ קטן הוא זרם קטן. הגובה הגדול של הנפילה הוא מתח גדול. כוח פגיעה גבוה - עוצמה גבוהה.

מפולת שלגים נופלת מגובה רב: מסות גדולות של שלג - זרם גדול. הגובה הגדול של הנפילה הוא מתח גדול. כוח ההרס הגדול של מפולת שלגים הוא כוח חשמלי גדול.

בזרם גבוה ובמתח גבוה מתקבל הספק חשמלי גדול.אבל ניתן להשיג את אותו הספק עם זרם גבוה יותר ומתח נמוך בהתאם או להיפך, עם זרם נמוך יותר ומתח גבוה יותר.

הספק החשמלי בזרם ישר שווה למכפלת ערכי המתח והזרם. הספק חשמלי מבוטא בוואט ומסומן באותיות W.

כבר נאמר שזרימת מים בסדר גודל מסוים יכולה להניע טחנת אחת, פי שניים מהזרימה - שתי טחנות, פי ארבע מהזרימה - ארבע טחנות וכו', למרות שמפל המים (מתח) יהיה זהה .

האיור מציג זרימה קטנה של מים (המקבילה לזרם חשמלי) המסובבת את הגלגלים של ארבע טחנות בשל העובדה שמפל המים (המקביל למתח חשמלי) גדול מספיק.

הגלגלים של ארבע הטחנות הללו יכולים להסתובב עם זרימת מים כפולה במחצית מגובה הנפילה. אז הטחנות יהיו מסודרות מעט אחרת, אבל התוצאה תהיה זהה.

האיור הבא מציג שתי מנורות המחוברות במקביל לרשת תאורה 110V. בכל אחת מהן זורם זרם של 1 A. הזרם העובר דרך שתי המנורות הוא בסך הכל 2 אמפר.

התוצר של ערכי המתח והזרם קובע את הכוח שהמנורות הללו צורכות מהרשת.

110V x 2a = 220W.

אם המתח של רשת התאורה הוא 220 וולט, יש לחבר את אותן מנורות בסדרה, לא במקביל (כפי שהיה בדוגמה הקודמת), כך שסכום ירידת המתח עליהן שווה למתח של רֶשֶׁת. הזרם הזורם במקרה זה דרך שתי המנורות הוא 1 A.

התוצר של ערכי המתח והזרם הזורם במעגל ייתן לנו את ההספק הנצרך על ידי מנורות אלה 220 V x 1a = 220 W, כלומר, זהה למקרה הראשון.זה מובן, שכן במקרה השני הזרם הנלקח מהרשת הוא פי שניים פחות, אבל פי שניים מהמתח ברשת.

וואט, קילוואט, קילוואט שעה

כל מכשיר או מכונה חשמלית (פעמון, נורה, מנוע חשמלי וכו') צורכים כמות מסוימת של אנרגיה חשמלית מרשת התאורה.

מכשירים מיוחדים המכונים מדי וואט משמשים למדידת הספק חשמלי.

את ההספק, למשל, של מנורת תאורה, מנוע חשמלי וכדומה, ניתן לקבוע ללא עזרת מד וואטים, אם מתח הרשת וכמות הזרם העוברת דרך צרכן האנרגיה החשמלית המחוברת לרשת. ידוע.

באופן דומה, אם צריכת החשמל של הרשת ומתח הרשת ידועים, ניתן לקבוע את כמות הזרם הזורם דרך הצרכן.

לדוגמה, רשת תאורה 110 וולט כוללת מנורה של 50 וואט. איזה זרם זורם בו?

מכיוון שהמכפלה של המתח המבוטא בוולט והזרם המבוטא באמפר שווה להספק המבוטא בוואט (לזרם ישר), אז לאחר ביצוע החישוב ההפוך, כלומר, חלק את מספר הוואטים במספר הוולטים ( מתח רשת), אנו מקבלים את כמות הזרם באמפר הזורם דרך המנורה,

a = w/b,

הזרם הוא 50 W / 110 V = 0.45 A (בערך).

כך, זרם של כ-0.45 A זורם דרך המנורה, הצורכת 50 וואט אנרגיה ומחוברת לרשת חשמל של 110 וולט.

אם נברשת עם ארבע נורות של 50 וואט, מנורת שולחן עם נורה אחת של 100 וואט ומגהץ של 300 וואט כלולים ברשת התאורה של החדר, אז ההספק של כל צרכני האנרגיה הוא 50 W x 4 + 100 W + 300 ואט = 600 וואט.

מכיוון שמתח החשמל הוא 220 וולט, זרם חשמלי השווה ל-600 W / 220 V = 2.7 A (בערך) זורם דרך חוטי התאורה הנפוצים המתאימים לחדר זה.

תן למנוע החשמלי לצרוך 5000 וואט של חשמל מהרשת, או, כמו שאומרים, 5 קילוואט.

1000 וואט = 1 קילוואט, בדיוק כמו 1000 גרם = 1 קילוגרם. קילוואטים מקוצרים כ-kW. לכן, אנו יכולים לומר על המנוע החשמלי שהוא צורך הספק של 5 קילוואט.

כדי לקבוע כמה אנרגיה נצרך על ידי כל מכשיר חשמלי, יש צורך לקחת בחשבון את משך הזמן שבו אנרגיה זו נצרכה.

אם נורה של 10 וואט דולקת במשך שעתיים, אזי צריכת האנרגיה החשמלית היא 100 וואט על שעתיים = 200 וואט-שעה או 0.2 קילוואט-שעה. אם נורה של 100 וואט דולקת במשך 10 שעות, אזי כמות האנרגיה הנצרכת היא 100 וואט x 10 שעות = 1000 וואט-שעה או 1 קילוואט-שעה. שעות קילוואט מקוצרות כ-kWh.

יש עוד הרבה דברים מעניינים בספר הזה, אבל אפילו הדוגמאות האלה מראות באיזו אחריות ובכנות ניגשו המחברים של אז לעבודתם, במיוחד במקרה של הוראת ילדים.