Введение в электронику

В кусочке медной проволоки имеет место хаотичное движение электронов. Для появления электрического тока электроны должны двигаться в определенном направлении. Для того, чтобы заставить электроны в медной проволоке двигаться в заданном направлении, им должна быть сообщена энергия. Энергию сообщает источник, соединенный с проволокой.

Сила, которая заставляет электроны двигаться в заданном направлении, определяется разностью потенциалов или напряжением.

3–1. ИСТОЧНИКИ НАПРЯЖЕНИЯ

Напряжение возникает при удалении электронов со своих орбит в атомах. Таким образом, любой вид энергии, отрывающий электроны от атомов, может быть использован для получения напряжения. Но надо помнить, что энергия никогда сама по себе не возникает. Имеет место просто переход энергии из одной формы в другую. Источник напряжения — это не просто источник электрической энергии. Скорее это способ преобразования других видов энергии в электрическую. Существует шесть основных источников напряжения — трение, магнетизм, химические реакции, свет, тепло и давление.

Трение является самым старым способом получения электричества. Стеклянная палочка зарядится, если ее потереть куском меха или шелка. Генератор Ван де Граафа — устройство, работающее на том же принципе, что и стеклянная палочка, и способное создавать напряжение в миллионы вольт (рис. 3–1). Однако кроме научных исследований, он нигде практически не используется.

Рис. 3–1.Генератор Ван-де-Граафа способен создавать разность потенциалов в миллионы вольт.

В настоящее время основным методом получения электрической энергии является магнетизм. Если проводник перемещается в магнитном поле, на его концах возникает разность потенциалов, существующая в течение всего времени перемещения относительно магнитного поля. Устройство, основанное на этом принципе, называется генератором (рис. 3–2).

Рис. 3–2.Генератор использует магнетизм для получения электричества.

Генератор может вырабатывать как постоянный, так и переменный ток. Когда электроны текут только в одном направлении, ток называется постоянным.

Когда направление движения электронов периодически изменяется на противоположное, ток называется переменным. Генератор может приводиться в движение нагретым паром, водой, ветром или бензиновыми и дизельными двигателями. Схематическое обозначение генератора переменного тока показано на рис. 3–3.

Рис. 3–3.Схематическое обозначение генератора переменного тока.

Вторым основным методом получения электричества в настоящее время является использование химических батарей.

Электроды батареи состоят из двух разнородных металлов, например меди и цинка, погруженных в раствор соли, кислоты или щелочи. Электроды обеспечивают контакт между электролитом (раствором соли, кислоты или щелочи) и цепью. Электролит извлекает свободные электроны из медного электрода, оставляя его положительно заряженным.

Цинковый электрод притягивает свободные электроны в электролите и таким образом приобретает отрицательный заряд. Несколько таких элементов могут быть соединены вместе и образовать батарею. На рис. 3–4 показаны схематические обозначения элемента и батареи.

Рис. 3–4.Схематические обозначения элемента и батареи. Комбинация двух или более элементов образует батарею.

В настоящее время используется много различных типов элементов и батарей (рис. 3–5).

Рис. 3–5.Некоторые из широко используемых в настоящее время химических элементов и батарей.

Световая энергия может быть преобразована в электрическую энергию при попадании света на фоточувствительную пленку в фотовольтаической ячейке (солнечном элементе) (рис. 3–6).

Рис. 3–6.Фотовольтаическая ячейка может преобразовывать солнечный свет прямо в электричество.

Солнечные элементы состоят из фоточувствительных материалов, расположенных между металлическими электродами. Когда поверхность фоточувствительного материала освещается светом, происходит выбивание электронов с орбит атомов, расположенных на поверхности материала. Это происходит за счет энергии света. Каждая отдельная ячейка вырабатывает небольшое напряжение. На рис. 3–7 показано схематическое обозначение солнечного элемента.

Рис. 3–7.Схематическое обозначение фотовольтаической ячейки (солнечного элемента).