Электроника для начинающих (2-е издание) - Чарльз Платт

рассчитанный на 0,25 Вт, без проблем выдержит мощность 0,14 Вт. На самом деле здесь подошел бы резистор и на 0,125 Вт, но в последующих экспериментах нам могут понадобиться и более мощные резисторы (0,25 Вт), поэтому нет ничего страшного в выборе резистора, рассчитанного на более высокую мощность. Такие резисторы стоят немного дороже и чуть больше по размерам.

Происхождение единицы мощности

Джеймс Уатт, изображенный на рис. 1.58, родился в 1736 году в Шотландии и известен как изобретатель парового двигателя. При университете города Глазго он открыл небольшую мастерскую, где добивался идеальной эффективности конструкции с поршнем в цилиндре, приводимым в движение с помощью пара. Финансовые сложности и недостаточный на тот момент уровень обработки металла отсрочили практическое применение изобретения до 1776 года.

Рис. 1.58. Разработка паровой тяги Джеймсом Уаттом послужила основанием для промышленной революции. После смерти ученого в его честь назвали основную единицу мощности электричества

Невзирая на сложности с получением патентов (который в те времена мог быть выдан на основании акта Парламента), Уатт и его компаньоны в конечном итоге заработали на инновациях много денег. И хотя Уатт жил раньше первооткрывателей электричества, в 1889 году (70 лет спустя его смерти) его именем назвали основную единицу электрической мощности, которая является произведением силы тока (в амперах) на напряжение (в вольтах).

Повторное использование

Сгоревший светодиод можно выбросить. Все остальное пригодится повторно.

Эксперимент 5. Давайте изготовим гальванический элемент

Давным-давно, еще до существования Всемирной паутины, детских игр было так мало, что малыши пытались развлекаться самостоятельно с помощью экспериментов на кухонном столе, например, собирая гальванический элемент, вставив гвоздь и монетку в лимон. Трудно поверить, но это правда!

Современные светодиоды светятся, когда через них протекает ток всего в несколько миллиампер, и старинный эксперимент с «лимонной» батарейкой станет гораздо интереснее. Если вы никогда не пробовали его осуществить, сейчас самое время.

Что вам понадобится

• Лимоны (2 шт.) или пластиковая бутылка со 100 %-ным лимонным соком (1 шт.)

• Медная монетка (4 шт.)

• Крепежные скобы шириной 2,5 см (или больше) из оцинкованной стали (4 шт.)

• Тестовые провода с зажимами «крокодил» на концах (5 шт.)

• Мультиметр (1 шт.)

• Слаботочный светодиод (1 шт.)

Замечание

Чтобы вспомнить о различиях между обычными и слаботочными светодиодами, загляните в раздел «Светоизлучающие диоды» этой главы.

Подготовка к эксперименту

Гальванический элемент – электрохимическое устройство, и это означает, что электричество возникает в результате химических реакций. Естественно, эксперимент удастся только при правильном выборе химических веществ. Я собираюсь использовать медь, цинк и лимонный сок.

С соком у вас не должно быть проблем. Лимоны стоят недорого, можно также купить концентрированный сок в пластиковой бутылке. Подойдет любой вариант.

Мелочь сейчас делают не из меди, но монеты имеют тонкое медное покрытие, которого должно хватить. Убедитесь, что ваша монетка новая и сверкает. Если медь окислилась, она станет бурой и эксперимент пройдет не вполне гладко.

С цинком дело обстоит немного сложнее. Потребуются гальванизированные металлические изделия, т. е. такие, которые для защиты от коррозии покрыты цинком. Небольшие оцинкованные стальные крепежные скобы должны быть в продаже в вашем местном строительном магазине, и стоят они недорого. Подойдут скобы с размером каждой стороны около 2,5 см.

Лимонный тест: часть первая

Разрежьте лимон пополам и вставьте в него монетку. Как можно ближе к монетке (но не касаясь ее) вставьте оцинкованную скобу. Теперь настройте мультиметр для измерения постоянного напряжения до 2 В и приложите один щуп к монетке, а другой к скобе. Ваш мультиметр должен показать напряжение в пределах от 0,8 до 1 В.

Чтобы зажечь обычный светодиод, требуется большее напряжение. Как его получить? Соединив гальванические элементы последовательно. Другими словами – больше лимонов! Соедините элементы батареи тестовыми проводами, как показано на рис. 1.59. Обратите внимание на то, что каждый провод соединяет скобу с монеткой. Не соединяйте монетку с монеткой или скобу со скобой.

Если вы все аккуратно соединили, установив монетки и скобы как можно ближе, но так, чтобы они не касались друг друга, то сможете зажечь ваш светодиод с помощью трех последовательных лимонных элементов.

Рис. 1.59. Три гальванических элемента из лимонов должны вырабатывать достаточное напряжение, чтобы зажечь слаботочный светодиод

Рис. 1.60. Лимонный сок из лимонов или из бутылки обеспечит надежный результат, хотя конструкция выглядит не так изящно. В этом варианте четырехэлементная батарея собрана из коробки для мелких деталей, отсеки которой заполнены соком

Другой вариант предусматривает использование коробки с секциями для мелких деталей, как показано на рис. 1.60. Когда вы соберете всю конструкцию, налейте в отсеки немного концентрированного лимонного сока. Уксус или грейпфрутовый сок также могут сработать.

Я решил задействовать четыре ячейки для батареи из сока, потому что светодиод несколько снижает напряжение, а наша «лимонная» батарея не способна создать ток, способный повредить светодиод. Установка, показанная на фотографии, заработала сразу.

Природа электричества

Чтобы понять, как работает «лимонная» батарея, следует начать со строения атома. Каждый атом состоит из ядра в центре, которое содержит положительно заряженные частицы, их называют протонами. Ядро окружено электронами, которые несут отрицательный заряд.

Разрушение ядра атома требует больших затрат энергии, но и высвобождает также много энергии – так бывает при ядерном взрыве. Но чтобы заставить пару электронов оставить атом (или присоединиться к нему), требуется совсем немного энергии. Например, электроны могут высвободиться, когда цинк вступает в химическую реакцию с кислотой.

Если покрытые цинком детали не подключены еще к чему-либо, реакция вскоре остановится, поскольку скопившимся электронам больше некуда деться. Они обладают силой взаимного отталкивания. Можно сравнить электроны с толпой враждебно настроенных людей, где каждый хочет, чтобы другие ушли, и не позволяет новичкам присоединиться к ним (рис. 1.61).

Рис. 1.61. Электроны внутри электрода настроены «недружелюбно»; это называется взаимным отталкиванием

Теперь рассмотрим, что происходит, когда цинковый электрод, имеющий избыток электронов, соединен проводом с электродом, сделанным из другого материала (например, из меди), который имеет «свободные места» (так называемые дырки) для электронов. Электроны могут свободно перемещаться по проводу, «перепрыгивая» от одного атома к другому. Как только мы откроем такой путь, взаимное отталкивание вынудит электроны сбежать друг от друга на новое «место жительства» как можно быстрее. Так возникает электрический ток (рис. 1.62).