Электроника для начинающих (2-е издание)

1 ватт = 1 джоуль/секунда

1 джоуль = 1 ньютон силы, совершающей работу на расстоянии в 1 метр

1 ньютон силы ускоряет 1 кг на 1 м/сек за каждую секунду

На этом основании все электрические единицы могут быть получены через наблюдения за массой, временем и зарядом электронов.

А теперь практика

Для практических целей, я думаю, интуитивное понимание электричества полезнее, чем теория. Мне нравится возвращаться к аналогиям с использованием воды, которые десятилетиями приводились в руководствах по электротехнике.

На рис. 1.30 я изобразил, как интенсивность, с которой вытекает вода из отверстия в емкости, можно сравнить с силой тока, в то время как уровень воды в сосуде создает давление, сравнимое с напряжением, а размер отверстия соответствует сопротивлению.

Как же представить по аналогии мощность в ваттах? Предположим, вы поместили небольшое водяное колесо там, где его достигает поток из отверстия, как показано на рис. 1.64. К этому водяному колесу можно прикрепить какой-либо механизм. Теперь поток совершает некоторую работу. (Вспомните, что мощность в ваттах является мерой скорости, с которой совершена работа.)

Рис. 1.64. Если колесо извлекает энергию из потока воды, поток выполняет какую-то работу, которая может быть измерена в ваттах за определенный период времени

Рис. 1.65. Чтобы продолжить функционирование системы, вы должны возвращать работу в нее

Возможно, это выглядит, как будто вы получаете что-то даром, извлекая работу от течения воды без возврата энергии в систему. Учтите, однако, что уровень воды в сосуде снижается. Как только я добавил помощников, перетаскивающих выливающуюся воду обратно в емкость, стало очевидным, что необходимо затратить некоторую энергию, чтобы получить работу на выходе (рис. 1.65).

Аналогично, может казаться, что батарея производит энергию, не получая ничего взамен, но химические реакции внутри нее превращают чистый металл в другие соединения, и получаемая нами энергия обусловлена этим изменением состояния. Если это аккумулятор, мы должны «втолкнуть» энергию обратно в процессе зарядки, чтобы обратить химические реакции.

Вернемся к емкости с водой и предположим, что мы не можем получить энергию в количестве, достаточном для вращения колеса. Первый способ — поднять уровень воды, чтобы создать большую силу, как на рис. 1.66.

Рис. 1.66. При большем давлении воды величина доступной работы увеличится

Это было бы подобно последовательному соединению двух батарей, плюса с минусом (как с лимонами, в лимонной батарее). Две последовательные батареи удвоят напряжение, как показано на рис. 1.67. Поскольку сопротивление цепи остается прежним, более высокое напряжение будет создавать большую силу тока, потому что сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению.

Снова вернемся к аналогии с сосудом. Что если мы захотим, чтобы колесо работало в два раза дольше, а емкость сосуда уже исчерпана? Может быть, нужно поставить второй сосуд и объединить их выходные отверстия в одно. Аналогично, если вы подключите две батареи параллельно, вы получите то же самое напряжение, но батареи прослужат в два раза дольше. Как альтернатива, две батареи способны выдать больший ток, чем одна (рис. 1.68).

Рис. 1.67. Две последовательные батареи обеспечивают удвоение напряжения, при условии, что они обе полностью заряжены

Рис. 1.68. Параллельные батареи питают ту же нагрузку, что и раньше, но в два раза дольше. Кроме того, они могут выдать в два раза больший ток за тот же период времени, что и одна батарея

Подведем итог:

• Две последовательно соединенные батареи обеспечивают удвоение напряжения.

• Две параллельные батареи могут обеспечить ту же силу тока, что и одна, но в два раза дольше, или же удвоенную силу тока за то же время.

Но довольно теории. В следующей главе мы продолжим эксперименты, которые будут построены на основных знаниях об электричестве, чтобы постепенно привести вас к созданию забавных и полезных устройств.

Завершение эксперимента и уборка рабочего места

Металлические изделия, которые вы погружали в лимоны или в лимонный сок, могут изменить цвет, но по-прежнему пригодны к использованию. Помните о том, что ионы цинка могли остаться в лимонах, поэтому не стоит употреблять их в пищу.

Глава 2 УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ