Читать книгу Будем учиться вместе. Книга для мальчиков - Вячеслав Меньшиков - Страница 6

– В нашем быту, ребята, имеется очень много электроприборов. И вам уже сейчас приходится часто сталкиваться с ними. А знаете ли вы, что такое электрический ток? Давайте разбираться вместе.

Начнем с электрона – одной из самых мельчайших частиц нашего макромира. Ведь электрон также неисчерпаем, как и атом. И если раньше ученые воспринимали этот постулат как некое, хотя и гениальное, но все же предвидение, то нынешние исследования действительно открыли нам составляющие электрона.

Нужно ли так глубоко воспринимать электрон ребятам? Да? Нет! Ребятам важно знать, что для удобства объяснения природы электричества, мы берем электрон как мельчайшую ее частицу.

А что такое электрический ток – лучше всего показать и объяснить на примере воды. Если водопроводный кран закрыт неплотно или неисправен, из него постоянно будут капать капли. Для понимания движения электротока в проводнике сравним его с движением водного потока. Пусть капля воды будет подобием электрона. Но когда мы кран открываем, то капли, соединяясь вместе, составляют поток капель – струю, а поток электронов будет так же составлять электроток.

Итак, электроток – это поток электронов, перемещающихся внутри электрического проводника (например, металла провода). Ведь вода также течет по водопроводным трубам внутри них. Но стоит только эту трубу перекрыть, зачеканить деревом, например, то вода не сможет пройти и остановится, прервет свой поток.

Так же и у электротока, который хорошо «течет» по проводникам: металлам, водным, химическим растворам, углю, живым организмам и др., но совсем не проходит в таких материалах, как стекло, фарфор, слюда, воздух, пластмассы. Эти материалы назвали изоляторами (непроводниками). Изолятор, как деревянный чекан, не дает течь воде, стопорит движение электронов. Тогда электрический поток так же не сможет течь по изолятору.

Но откуда и куда течет электропоток в проводниках? Снова обратимся к примеру воды. Вода в водопроводной сети берет исток от водохранилища и течет по трубам до «потребителя» – крана. Так и электроны «бегут» от источника тока (аккумулятора, электростанции, электрической батарейки) по проводнику (проводу, например) к потребителю – электрической лампочке, телевизору, электромотору и др.

И если мы представим себе устройство водопроводной сети в доме, где живем, в виде труб и системы кранов, то давайте построим самую простейшую цепь электрического тока.

Приготовим небольшую деревянную дощечку, вырежем медную и цинковую пластинки и прикрепим их к дощечке. Затем опустим эти пластинки в стакан с раствором поваренной соли (крепким), то при этом можем получить простейший источник электрического тока.

Электрический ток появляется в результате перемещения электрических зарядов (электронов). Эти заряды условно разделяются на положительные (+) и отрицательные (—). В источнике тока, который мы сделали на цинковой пластинке, возникают отрицательные (—) заряды, а на медной положительные (+).

Пластинки, на которых появляются электрические заряды, называются электродами, а раствор, в который опускают электроды – электролитом. Принято условно считать, что ток (электроны) идет от плюса (+) к минусу (—). Попав с пластинок в проводник, ток в проводнике возникает под влиянием электрического поля, которое, действуя на электроны, приводит их в движение.

Электрическое поле обладает свойством распространяться вдоль провода с огромной скоростью, близкой к скорости света, т. е. 300 000 км в секунду.

Такую же большую величину имеет распространение тока в проводе. Когда на одном конце провода возникает ток, то этот процесс распространяется настолько быстро, почти мгновенно, что на другом конце провода ток пойдет практически в тот же момент.

Поэтому, если мы медную пластинку одного источника (+) соединим с цинковой пластинкой второго (—), а медную пластинку второго (+) с цинковой пластинкой третьего (—) и к свободным концам (+) и (—) присоединим лампочку от карманного фонарика, то она сразу же загорится.

Отсюда можно вывести очень важный закон для движения тока: у всякого источника тока должно всегда быть два конца! На одном должен быть отрицательный заряд (+), на другом отрицательный заряд (—). А у потребителя (электрической лампочки и других) два места (контакта) для подключения (+) и (—). Один конец спирали, которая соединена с цоколем (+), и второй конец спирали в лампочке соединяется с отрицательным выводом (—).

Самый простой источник тока, который мы сделали, работает недолго. В нем быстро разъедается цинковая пластинка, после чего электрический ток не возникает. Но человек научился делать сухие гальванические элементы. Например, из трех сухих элементов сделана батарейка для карманного фонарика. Сухие элементы и батарейки используют не только для карманных фонариков, но и для телефона, питания радиоприемников и т. п.

Электрическая энергия для заводов, фабрик, наши домов вырабатывается на электрических станциях (гидро-, тепловых, атомных) при помощи специальных машин, которые называются генераторами. Электрические станции – это крупные источники электрической энергии, которую потребляют и дома.

– А знаешь ли ты, Саша, почему к тебе в квартиру идут сразу два провода, хотя подчас в одной оплетке? Нет?

И на этот вопрос электрику пришлось отвечать самому:

– Да потому, что и тут на потребитель подается, условно (+) (фазовое напряжение) и (—) – нулевой провод (земля).

Эти провода оканчиваются розеткой с двумя гнездами, а вилка электрического утюга, плитки, стиральной машины и т. д. тоже имеет два штыря – (+) и (—). Только при их наличии потребитель будет работать.

И когда электроэнергия вдруг переставала поступать в вашу квартиру, вам, наверное, приходилось видеть, как электрик разводил руками: ничего, мол, не могу сделать – фаза пропала, то есть (—) есть, а (+) – нет. А отсюда и нет движения электронов – электротока.

Чтобы увидеть, как протекает ток по электрической цепи, давайте составим простейшую электрическую цепь. Источником электрического тока в этой цепи является батарейка (сухие гальванические элементы), которая посредство соединена с потребителем электрической энергии – лампочкой. В такой цепи лампочка будет гореть.

Но достаточно в каком-нибудь месте разорвать любой провод (разрезаем один провод ножницами, и лампочка погаснет. Почему? Потому, что в месте разрыва проводника есть воздух – изолятор (непроводник тока).

Отсюда еще один закон тока – электрический ток может возникнуть только в замкнутой цепи.

В месте разрыва включим (подсоединим разорванные концы провода) кнопку. Нажимая на нее, можно замыкать и размыкать электрическую цепь.

Далее обратим внимание на три основных характеристики электротока. Ведь любой предмет можно измерить – он будет иметь определенную длину, ширину, высоту.

Электрический же ток с количественной стороны характеризует величина тока (иногда ее называют сила тока). Вместо термина «величина тока» обычно говорят ток. Ток – это количество электрических зарядов, проходящих через поперечное сечение провода (в см²) за 1 сек.

Сравним с водой: из малой трубы (сечение трубы меньше) воды в 1 сек выльется меньше по отношению к трубе большего диаметра за то же время).

Так и в электричестве. Чем больше электронов проходит в одну секунду через поперечное сечение провода, тем больше величина тока, которую измеряют в амперах (а). Названа в честь немецкого физика Ампера.

Если ток равен одному амперу, то это значит, что в одну секунду через поперечное сечение провода проходит 1 кулон электричества, т. е 6,3 × 10¹⁸ электронов.

В обычных осветительных лампах в вашей квартире мощностью несколько десятков ватт ток составляет несколько десятых долей ампера. В электронагревательных приборах (что обогревают нас зимой) он равен нескольким амперам, а в проводах мощных электрических линий может достигать тысяч ампер.

Однако во многих случаях, особенно в радиоаппаратуре, величина тока значительно меньше одного ампера. Поэтому весьма часто применят более мелкие единицы измерения тока – миллиампер (мА), равны одной тысячной доле ампера, и микроампер (мкА), равный одно миллионной доле ампера.

Для измерения величины тока существует прибор – амперметр. На его шкале обозначены деления в соответствующих единицах – а, ма, мка. Естественно, что мы не можем измерять величину тока в амперах, взяв прибор, рассчитанный на измерение миллионных долей ампера – микроамперметр. Такой прибор сразу же выйдет из строя. Поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности и быть внимательным.

Для измерения величины тока надо разорвать провод и к разрыву подключить микроамперметр. Тогда весь ток пройдет через прибор и будет измерен. У подобных приборов зажимы также имеют знаки (+ и (—). Для чего? Для того, чтобы плюсовый зажим соединить с (+) источника тока, а минусовый – с (—), чтобы направление тока и в амперметре и в проводнике было от его плюсового зажима к минусовому.

Второй основной величиной, характеризующей электропоток, является его напряжение. Именно оно является причиной возникновения электрического тока или движения электронов. Ток будет протекать (двигаться) в проводнике тогда, когда между концами проводника есть напряжение, т. е. (+) и (—).

Снова обратимся к примеру с водой. Она всегда стремится из места с более высоким давлением в место с более низким давлением, т. е. только в том случае, если имеется разница в давлении. Ведь именно для этого сооружаются водонапорные башни или подключаются к магистрали водяные насосы.

Точно так же теплота переходит от одного тела к другому лишь в случае, если эти тела имеют разную температуру.

Единицей для измерения напряжения служит вольт (в). Назван в честь немецкого физика Вольта, определившего количество этой единицы. Кроме того, применяются более мелкие единицы: милливольт (мв) – тысячная доля вольта и микровольт (мкв) – миллионная доля вольта, а также более крупная единица киловольт (кв), равная 1000 в.

В нашей осветительной электросети напряжение составляет 220 или 127 в, а в линиях электропередачи, идущих от электростанций, оно достигает сотен вольт, в телевизорах – тысячи вольт. В антенне радиоприемника под действием радиоволн, приходящих от какой-либо далекой радиостанции, создается напряжение, измеряемое лишь несколькими микровольтами.

Напряжение измеряют с помощью прибора – вольтметра. Его назначение – измерять напряжение, т. е. разность электрических потенциалов между какими-либо двумя точками проводника электрического тока. Поэтому проводниками от зажимов вольтметра (+) и (—) прикасаются к тем двум точкам проводника, электрического тока, между которыми необходимо измерить напряжение, не разрывая проводник, в отличие от измерения амперметром.

При включении вольтметра надо соблюдать те же меры предосторожности, какие были указаны и для ампера. Нельзя, например, вольтметр со шкалой на 10 в включать для измерения совершенно неизвестного напряжения, которое может оказаться значительно больше, чем 10 в, и испортит прибор.

И, наконец, третья важнейшая характеристика электротока – его мощность. Давайте зададим себе вопрос – для чего мы вырабатываем, а потом используем электроток? Просто, чтобы получить его? Нет, конечно! Для проведения определенной работы с помощью электрического тока.

А какой работой электрического тока называют превращение его энергии в какую-либо другую энергию, например, в тепловую (электронагревательные приборы), в световую (электрические лампочки), в механическую (электромоторы) и т. д.

Как оценить – много или мало сделал работы электроток?

В электротехнике принято оценивать работоспособность тока по величине его мощности, которая обозначается буквой Р.

Мощность определяется работой, совершаемой электротоком в одну секунду Иначе можно сказать, что мощность есть расход электрической энергии в одну секунду.

Единицей измерения мощности является ватт, обозначаемый буквами вт (ва). Мощность, равная одному ватту, есть мощность тока в один ампер при напряжении в один вольт.

Чем больше напряжение и чем больше ток, тем больше и его мощность. Поэтому, чтобы посчитать мощность тока, нужно умножить напряжение в вольтах на ток в амперах.

Например, если при напряжении 220 в через некоторое сопротивление проходит ток величиной 3 а, то мощность тока в этом сопротивлении будет составлять 660 вт.

Подсчет работы тока, или расхода электроэнергии, очень прост. Нужно умножить мощность прибора на время его использования. Например, ваш телевизор имеет мощность 500 вт. Он работает в сутки 4 часа. За сутки работа тока будет равна 500 вт × 4 ч. = 2000 вт, или 2 киловатта.

…Когда Саша и Миша прослушали такой серьезный рассказ электрика, многое для них об электричестве стало более понятным. Они смогли уже различить по мощности электролампочки в гостиной и прихожей: одна была в 100 вт, а другая – в 60 вт. Поняли, почему и как нужно экономить электроэнергию. Они уже знали, откуда идет ток, что такое электрическая цепь. И уже совсем хорошо разобрались в принципе действия своих электрических игрушек: автомата, фонарика, гоночной машины и др.

Затем постепенно мы стали изучать устройства практически всех потребителей электротока в квартире. Начали такое изучение с электролампочек, а потом всей электроцепи квартиры. В нее входит не так уж много составных частей: монтажный провод, электросчетчик, предохранители, штепсельная розетка и выключатели.

– Почему же мы не видим проводов в квартире? – спросил сын.

– Да потому, что электропроводку делают в квартирах скрытой, – пояснил я. – При строительстве дома после каменщиков в квартиру приходят электрики и размещают на стенах и потолке электропровода. А уж за ними в дело вступают штукатуры, закрывая кирпичи и провода слоем штукатурного раствора. Такое размещение проводов позволяет уберечь людей от случайного поражения током и повышает устойчивость дома в противопожарном отношении. Кстати, скажите мне, друзья, почему и какой ток может поразить человека?

– Почему? Это понятно, – сразу ответил Миша. – Ведь живой организм является проводником тока.

– А ток величиной ОД ампера уже считается смертельным, – дополнил друга сын.

– Ну, а теперь, чтобы вы знали, куда не надо вам «соваться», изучите, разберите и соберите электроламповый патрон, предохранительную коробку, штепсельную розетку, выключатель, штепсельную вилку и провод. Затем зарисуйте их и составьте электрическую цепь квартиры вот на этом листе фанеры. – Я подал Саше и Мише заранее приготовленный фанерный лист и набор электрической арматуры.

– А как же быть с электросчетчиком? Ведь его ты нам не дал, – справедливо заметил сын.

– Электросчетчик обозначьте условно, – разрешил я.

С интересом взялись ребята за работу. Они разделили между собой электроарматуру, а потом поочередно менялись друг с другом выключателями, розетками и т. д. Из детской доносились восклицания, обмен репликам.

После того, как на фанерном листе была собрана электроцепь квартиры, к нам зашел Мишин папа. Так что мы невольно оказались вроде экзаменационной комиссии и выслушивали объяснения юных «электриков».

– В квартиру поступают два электропровода, как в любой электрической цепи (+) и (—) – фазовый провод (+) и нулевой провод «земля» (—), начал Миша. – И дальше эти провода сразу же подключаются к электросчетчику, так как нужно подсчитать, какое количество электричества будет израсходовано в этой квартире всеми ее потребителями.

– А как же работает электросчетчик? – спросил Мишин папа.

– Мы этого еще не знаем, – в смущении сказали ребята в один голос.

– Что ж, не все сразу. Тогда слушайте. Работу электросчетчика можно сравнить с работой водяной мельницы. Чем больше воды и с более высокой скоростью будет падать на лопасти турбины, тем больше оборотов сделает это рабочее колесо. В электросчетчике также вращается диск. Его вращает небольшой электромоторчик. Чем больше потребителей будет включено в квартире, тем быстрее будет вращаться этот диск.

– Ну и что?

– А то, – продолжал я, – что 1280 оборотов диска равняется расходу электроэнергии в 1 квт. Каждый потраченный киловатт тока имеет определенную цену. Теперь понятно?

– Понятно!

– Ну хорошо, а теперь продолжайте рассказывать дальше.

Миша продолжал:

– Между потребителями электроэнергии в квартире и электросчетчиком размещаются два предохранителя. Два потому, что два провода. Эти предохранители нужны для того, чтобы при коротком замыкании – при случайном соединении двух проводов – не произошло пожара.

– Предохранитель еще называют «плавким предохранителем», – дополнил его Саша. – Внутри пробки от центрального контакта вставлен специальный провод, который при коротком замыкании и нагреве сразу плавится, а значит, обрывается электрическая цепь. И тогда никакого пожара не произойдет.

– А как же устроен такой предохранитель?

– Совсем несложно, – продолжал объяснения Сашин друг, – корпус, резьба, центральный контакт, пластмассовая гайка, крышка, металлический патрон, фарфоровый корпус, зажимные винты, к которым подходят два конца разрезанного одного провода (+) или (—). – Миша уверенно показывал составные части и быстро собрал предохранитель. Потом взял электропробки и вставил их в металлический патрон, объяснив, что цепь идет через центральный контакт, к которому подсоединен один конец провода и металлический патрон, к которому подсоединен другой конец провода. Плавкая вставка (провод) соединяет центральный контакт с металлическим патроном.

В каждом доме обязательно должны быть запасные пробки или должны стоять «вечные» – автоматические предохранители, в которых при нагреве плавкая вставка не разрушается, а лишь временно отходит от центрального контакта, размыкая всю цепь.

– А можно самому сделать такую вставку? – поинтересовался Мишин папа.

– Такую вставку очень трудно точно рассчитать, как делают на заводе.

– А если поставить очень толстый провод? – настаивал он.

– Тогда он может не расплавиться от короткого замыкания и возникнет перегрев проводов. В результате – пожар, – ответил Миша. – Такую вставку использовать нельзя.

– Молодец, правильно, – похвалил я его, – у электриков такой предохранитель называется «жуком» и он действительно может привести к беде.

Пока Миша собирал предохранитель, Саша продолжил рассказ о других составных частях цепи – выключателе и электролампочке.

– Выключатель нужен для того, – разъяснял сын, – чтобы «врезаться» в фазовый (+) или нулевой провод (—) и в нужный момент или прервать, или включить цепь, на конце которой находится электролампочка со спиралью. Выключатель состоит тоже из корпуса, неподвижных контактов, пружинки, подвижных контактов, рычага включателя крышки и зажимных винтов, к которым крепятся два конца разорванного «фазового» (+) или «нулевого» (—) провода. – Затем Саша показал нам все составные части выключателя.

– Выключатель управляет лампочкой. Чтобы включить электролампочку в цепь электрического тока, ее ввинчивают в патрон. В нем есть центральный металлический контакт, соединяющийся с «нулевым» (—) концом провода. К этому концу припаян провод, который присоединяется уже в самой лампе к нити накала через второй провод в колбе лампы соединяет эту нить с винтовым контактом лампы. Но это еще не все! Винтовой контакт лампы (металлический) вворачивается в винтовой контакт электропатрона. К этому контакту винтом присоединяется фазовый провод (+) электросети.

– А почему лампочка светит? – поинтересовалась подбежавшая к нам Леночка.

– Очень просто, – ответил Саша, – все дело в спирали. Когда по ней проходит ток, то спираль накаляется и при этом ярко светит.

– Так она перегорит быстро!

– Нет. Дело в том, что из лампочки воздух выкачан, а вместо него накачан инертный газ, не поддерживающий горение. Поэтому спираль долго не перегорает.

– Ну что ж, объяснили вы все правильно, – похвалили мы ребят. – А теперь соберите выключатель и электропатрон. А в другой раз мы поговорим от штепсельной розетке и электровилке.

– Да они совсем просто устроены, дядя Слава, – пояснил Миша. – Сама розетка состоит из пластмассовой крышки, корпуса, к которому прикреплено два контактных гнезда. Заодно с гнездами изготовлены скобочки с двумя прижимными винтами. Два провода от сети электрического тока – фазовый (+) и нулевой (—) – подсоединяются под скобочки и прочно прижимаются винтами. Теперь осталось закрыть всю конструкцию крышкой и к гнездам подключить электровилку. Она устроена так: корпус, разделяющийся на два части, и два штыря, к которым при помощи винтов прикрепляются два сетевых провода – фазовый (+) и нулевой (—). Подсоединенные провода скручиваются и закладываются в гнездо, и над проводом устанавливаются две планочки, которые также привинчиваются винтами.