Электроника для начинающих (2-е издание)

Когда Бен Франклин изучал молнию, он воспринимал ее как электрический разряд, который двигается из положительной области (от облаков на небе) к отрицательному хранилищу (к планете Земля). Действительно, облака являются более положительными, но в реальности это просто означает то, что молния передает электроны от земли в небо. Да, именно так: тот, кого «ударила молния», может пострадать от испускания электронов, а не от их получения, как показано на рис. 1.63.

Рис. 1.63. При определенных погодных условиях поток электронов во время удара молнии может идти от земли, через ваши ноги к макушке головы и выше к облакам. Бенджамин Франклин был бы удивлен

Немного теории

Теперь я собираюсь вернуться назад, к некоторым определениям, которые обычно приводятся в начале книг по электронике.

Электрический потенциал определяется как сумма зарядов отдельных электронов. Основная единица измерения – кулон, который равен общему заряду 6 241 509 629 152 650 000 электронов.

Если вы знаете, сколько электронов проходит через отрезок провода за секунду, то сможете вычислить поток электричества, который можно выразить в амперах:

1 ампер = 1 кулон/секунда

(около 6,24 квинтиллионов электронов за секунду)

Даже если бы вы сумели заглянуть внутрь провода с электрическим током, то не смогли понаблюдать за электронами, поскольку их размеры меньше, чем длина волны видимого света, и кроме того, их слишком много и двигаются они очень быстро. Тем не менее, у нас есть косвенные способы их обнаружения. Например, движение электрона создает электромагнитную силу. Большее число электронов создает большую силу, и ее можно измерить. На ее основе мы можем вычислить силу тока. Ваш домашний электросчетчик работает по такому же принципу.

Сила, необходимая чтобы «протолкнуть» электроны через проводник, – это напряжение, оно создает электрический ток, который производит тепло, как вы заметили, когда замыкали батарею. (Если бы провод, который вы использовали, имел нулевое сопротивление, то электричество проходило бы по нему, не выделяя тепла.) Эту энергию можно напрямую превратить в тепло, как в электроплитах, или, например, запустить двигатель. В обоих случаях за счет энергии электронов выполняется какая-либо работа.

Один вольт можно определить как величину напряжения, которое вам необходимо для создания тока в 1 ампер, совершающего работу в 1 ватт. Как было указано ранее, 1 ватт = 1 вольт × 1 ампер, но это определение чаще записывают по-другому:

1 вольт = 1 ватт/1 ампер

Этот вариант более нагляден, поскольку ватт можно определить в неэлектрических терминах. Если вам интересно, можно раскрыть единицы метрической системы таким образом:

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).