Буду электротехником - Якобсон Авсей Хананович

Авсей ЯКОБСОН

ПРИЛОЖЕНИЯ

Когда я учился в пятом классе, мы с младшим братом любили столярни­чать. Но верстак наш стоял в таком месте, где с на­ступлением темноты работу приходилось прекращать. Тогда мы решили сами устроить освещение.

Я нашел старую керосиновую лампу и подвесил ее над верстаком. Увидев лампу среди стружек и опи­лок, родители, опасаясь пожара, попросили немедлен­но ее убрать. Что же делать? Ждать до весны? Но это слишком долго. Перенести верстак в коридор кварти­ры? Нельзя, там мало места.

Наконец-то мы, как нам казалось, нашли выход. Электрический фонарик!

Мы немедленно отправились в электротехнический магазин.

Чего только здесь не было! Блестящие электриче­ские звонки, утюги, чайники, различные лампочки, вы­ключатели, кнопки, фонарики и много других неиз­вестных нам приборов.

Продавец подал нам фонарик, вставил в него ба­тарейку, лампочку, затем нажал на кнопку, и лампоч­ка загорелась.

Придя домой, мы начали «осваивать» электриче­ский фонарик. Без конца включали и выключали его. Направляли лучи в темные углы, наблюдая за свето­вым «зайчиком». Наконец подвесили фонарик над верстаком. Сначала электрическое освещение работа-

ло прекрасно. Но через некоторое время свет фонари­ка померк и с каждой минутой стал слабеть все боль­ше и больше.

Я подумал, что фонарик испортился, и разобрал его. Снял крышку со стеклом, вывернул лампочку, вы­нул из футляра батарейку. Вспомнив, как продавец в магазине проверял лампочку, приложил ее к выво­дам батарейки. Лампочка загорелась, но светила по-прежнему слабо. В чем же дело? Лампочка го­рит— значит, она исправна. Очевидно, дело в бата­рейке.

Мы стали разглядывать надписи на батарейке. Первая из них — «Батарейка карманного фонаря» — не вызывала у нас никаких вопросов. Зато остальные. «ЭДС 3,7 в», « + » и «—», «емкость 0,5 а • ч» — были непонятны. Загадочную надпись я обнаружил и на лампочке. Там было написано: «3,5 в, 0,3 а». Как расшифровать эти надписи?

МЫ УЗНАЁМ «СЕКРЕТЫ»

Я принес фонарик в школу и стал спрашивать своих товарищей, что означают эти надписи. Начались споры, и мы все вместе после уроков пошли к учителю физики.

—                  Что обозначают надписи на батарейке? Почему испортился электрический фонарик? Как устроить надежное электрическое освещение? — спрашивали мы его.

Узнав, что мы пятиклассники, учитель сказал, что все эти вопросы изучают в старших классах, но, раз мы так заинтересовались электротехникой, он нас с ней немного познакомит.

Сначала он рассказал о том, что все вещества в природе состоят из мельчайших частиц — молекул, а молекулы — из атомов. Каждый атом содержит в себе ядро, вокруг которого движутся электроны.

Атомы различных веществ имеют различное число электронов. Например, вокруг ядра атома водорода движется всего один электрон, у ядра атома железа — 26, а вокруг ядра атома урана летает 92 электрона.

Электроны не могут улететь от ядра, так как они притягиваются к ядру атома.

Для того чтобы обнаружить электрические силы притяжения, можно взять стеклянную или эбонитовую палочку или целлулоидную расческу и потереть ее о кусочек шерстяной ткани. Затем надо поднести па­лочку или расческу к мелким кусочкам бумаги, и они к ней притянутся. Это действуют электрические силы.

У некоторых веществ — фарфора, стекла, резины и других — электроны прочно удерживаются ядрами атомов и не могут от них «оторваться». Такие веще­ства называют изоляторами.

Но в атомах ряда веществ, главным образом ме­таллов, часть электронов может «отрываться» от ядер атомов и свободно перемещаться во все стороны. Такие вещества, в которых есть свободные электроны, называются проводниками.

Если бы мы могли заглянуть внутрь вещества про­водника, то увидели бы, что свободные электроны бес­порядочно двигаются во все стороны, как пылинки в солнечном луче. Но свободные электроны могут дви­гаться все в одну сторону. Такое движение и есть электрический ток. Чем больше свободных электро­нов одновременно передвигается в проводнике, тем больше в нем ток.

Чтобы вызвать внутри проводника ток, то есть за­ставить электроны двигаться в одну сторону, нужен «электрический ветер». Такой «ветер» создается источ­ником тока.

Вот, например, батарейка является одним из про­стейших источников тока.

Учитель взял батарейку, сорвал с нее обертку, и мы увидели три одинаковых цинковых стаканчика — гальванических элемента. Учитель разрезал один стаканчик. Внутри находился угольный стержень, помещенный в мешочек, туго набитый черным порош­ком. На верхнем конце стержня мы увидели металли­ческий колпачок, к которому был припаян выводной

провод. Мешочек вместе с угольным стержнем (он называется положительным электродом) находился в цинковом стаканчике, наполненном раствором на­шатыря с крахмалом (цинковый стаканчик называет­ся отрицательным электродом). К стаканчику был припаян второй выводной провод. Сверху элемент был покрыт картонкой и залит варом, чтобы раствор нашатыря не высыхал. Учитель обратил наше вни­мание на то, что внутри элемента происходит хи­мическое взаимодействие (реакция) угля, нашатыря и цинка. За счет этого на отрицательном электроде (цинковом стаканчике) скапливается много свобод­ных электронов, а на положительном электроде (угольном стержне) число свободных электронов уменьшается.

Свободные электроны любят простор. Они оттал­киваются друг от друга, стремясь расположиться как можно дальше от своих соседей. Это происходит за счет электрических сил отталкивания, существующих между ними. Поэтому, когда к выводным концам эле­мента присоединена, например, лампочка, то электроны с отрицательного электрода (где им тесно), оттал­киваясь друг от друга, устремляются к положительно­му электроду (где им просторнее). При этом через лампочку проходит электрический ток. Но реакция в элементе продолжается, и он снова и снова перегоняет свободные электроны с угольного стержня на цинко­вый стаканчик. Поэтому ток идет через лампочку до тех пор, пока внутри элемента происходит химическая реакция.

Химические вещества во время реакции расхо­дуются: нашатырь разлагается, разъедается цинковый стаканчик. Реакция постепенно слабеет, и ток, прохо­дящий через лампочку, уменьшается. Лампочка начи­нает светить все слабее, наконец гаснет, и батарей­ку приходится заменять новой.

—            А теперь рассмотрим надписи на батарейке,— сказал учитель.— Что за знаки плюс и минус, вы, на­верное, уже догадались. Знаком плюс обозначают положительный электрод, а знаком минус — отрица­тельный.

Буквы ЭДС — это сокращенное обозначение слов «электродвижущая сила». Именно эта сила и гонит электроны по проводам. Чем больше ЭДС, тем теснее свободным электронам на отрицательном электроде источника тока и тем больше силы их взаимного от­талкивания. А на положительном электроде наоборот: с увеличением ЭДС электронам становится простор­нее и они слабее отталкиваются друг от друга.

У разных источников тока ЭДС бывает разная. И для того чтобы можно было судить о том, большая ЭДС или маленькая, ее нужно измерять. Но в чем, в каких единицах измеряют ЭДС?

На батарейке написано: ЭДС 3,7 в. Буква «в» — это сокращенное обозначение слова «вольт». Так на­звали единицу электродвижущей силы в честь италь­янского ученого Алессандро Вольта, который в 1799 го­ду создал первый гальванический элемент. ЭДС этого элемента и была принята за 1 вольт.

У нашей батарейки ЭДС равна 3,7 вольта. Это зна­чит, что она в 3,7 раза больше, чем ЭДС элемента Вольта.

Электрическое напряжение так же, как и ЭДС, измеряется в вольтах. По величине напряжения мож­но судить о силе, которая действует на свободные электроны на выводных концах элемента, когда к не­му присоединена лампочка или другой потребитель тока. Чем большая величина напряжения подводится к лампочке, тем большее число электронов проходит через ее нить, то есть тем больший ток идет через лампочку.

Для увеличения ЭДС или напряжения иногда бе­рут не один элемент, а несколько. Вот почему в бата­рейке карманного фонаря три элемента соединены последовательно.

Величину электрического тока договорились изме­рять в амперах. Эта единица названа в честь знамени­того французского ученого Ампера, который первым исследовал законы электрического тока. Через лам­почку карманного фонаря проходит ток в 0,3 ампера (0,3 а), через лампу уличного фонаря — 3 ампера (За), а через спираль электрической плитки — 5 ам­пер (5 а).

Итак,— заметил учитель,— нам осталось рас­шифровать еще одну надпись — «емкость 0,5 а • ч». Слово «емкость» всем вам знакомо, и вы знаете, как ее определить. Вот, например, для определения емко­сти бидона в него кружками наливают воду. Войдет в бидон три литровые кружки воды — значит, емкость бидона равна трем литрам. А емкость батарейки из­меряют по-другому. Берут величину тока, потребляе­мого от нее, и умножают на время, в течение которо­го батарейка может отдавать этот ток.

Если к батарейке присоединена лампочка карман­ного фонаря, потребляющая ток 0,25 ампера, то она может гореть полным накалом всего 2 часа. Умножив

0,            25 ампера на 2 часа, получим 0,5 ампер-часа (то есть 0,5 а • ч). Эта величина емкости как раз и указана на батарейке.

Если же к батарейке присоединить другую лам­почку, потребляющую ток 1 ампер, то энергии бата­рейки хватит всего на полчаса.

Значит, чем больше тока мы берем от батарейки, тем быстрее она израсходуется.

Емкость батарейки зависит от величины ее эле­ментов. Чем больше размеры элемента, тем больше в нем находится химических веществ и тем больше его емкость.

После беседы о надписях на батарейке учитель рассказал нам об электрическом сопротивлении и привел такой пример.

В классе три звена. Каждому звену дано задание пробежать как можно скорее определенное расстояние, причем первому звену нужно бежать через густой лес, второму — через редкий, а третьему — по гладкой поляне.

—            Как вы думаете,— спросил учитель,— какое звено пробежит это расстояние быстрее, если пред­положить, что во всех звеньях бегуны одина­ковые?

—            Конечно, победит третье звено, затем прибе­жит второе и, наконец, первое,— ответили мы почти хором.

—            Правильно,— продолжал учитель.— Так вот, оказывается, и проводники бывают разные. У одних строение вещества такое, что свободные электроны внутри него пробираются, как ваше первое звено че­рез лесную чащу. Они часто сталкиваются на своем пути с ядрами атомов и другими электронами, и от этого их движение замедляется и затрудняется. Такое вещество оказывает большое сопротивление проходящему через него току.

У некоторых проводников, наоборот, свободным электронам открыта широкая дорога. Им редко приходится сталкиваться и обходить препятствия. Такие проводники оказывают малое сопротивление току.

К числу проводников, обладающих малым сопро­тивлением, относятся серебро, медь, алюминий. Боль­шим сопротивлением обладают некоторые сплавы — нихром, константан, манганин и другие.

Когда свободные электроны (ток) проходят че­рез проводник с большим сопротивлением, они часто сталкиваются с атомами и другими электронами. При этом выделяется большое количество тепла, и проводник нагревается. Когда ток проходит через вольфрамовую нить лампочки (она обладает боль­шим сопротивлением), нить нагревается до белого каления и лампочка светится. В то же время медные провода, по которым этот ток подводится к лампочке, почти не нагреваются, так как они обладают значи­тельно меньшим сопротивлением. Электроны прохо­дят через них легко и почти не теряют в этих прово­дах свою энергию.