Что представляет собой молния?

Каждый из нас неоднократно наблюдал грозу, видел молнии и слышал гром. И, конечно, хотел узнать, что это такое. Изучением этого явления природы занимались многие ученые, в частности Б. Франклин, М. В. Ломоносов, Г. В. Рихман. В 1753 году, исследуя атмосферное электричество, Г. В. Рихман погиб от удара молнии.

Как же образуются грозовые облака? При нагревании атмосферы теплые воздушные массы поднимаются, а холодные опускаются. В результате соприкосновения различные воздушные потоки и облака электризуются. При этом одна часть облака электризуется положительно, а другая – отрицательно (рис. 3.1).

 

 

Рис. 3.1. Принцип образования грозовых облаков

 

Напряжение между двумя облаками, а также между облаками и землей достигает десятков миллионов вольт. В результате между облаками или между облаком и землей возникает гигантская искра – молния. Длина ее достигает нескольких километров, а диаметр ее канала иногда составляет метр и больше. Сила тока в канале молнии огромна: от 1 до 200 кА. Однако длительность разряда мала: она составляет тысячные доли секунды.

Удары молний очень опасны. Молния может разрушить здание, опору электропередач, заводскую трубу, вызвать пожар и т. д. Ее удар смертелен для всего живого, но в людей и животных молния ударяет сравнительно редко и только в тех случаях, когда сам человек из‑за незнания создает для этого благоприятные условия. Находясь в поле, нельзя скрываться от дождя под одиноко стоящим деревом или в копне сена, в лесу надо уходить от очень высоких деревьев. В горах лучше всего прятаться от дождя в пещеру или под глубокий уступ.

Молния чаще ударяет в высокие предметы, а из двух предметов одинаковой высоты – в тот, который является лучшим проводником. Для защиты одиноко стоящих сооружений (зданий, опор линий электропередач и т. д.) вблизи них устанавливают мачту с заостренным металлическим стержнем, который хорошо соединен (спаян, сварен) толстым проводом с металлическим предметом, закопанным глубоко в землю. Это устройство получило название молниеотвода (часто называют громоотводом). Упрощенно принцип работы молниеотвода можно объяснить так. Грозовая туча своим электрическим полем вызывает в молниеотводе электрический заряд, у которого знак противоположен знаку заряда тучи. Этот заряд, стекая с острия молниеотвода, нейтрализует заряд тучи. Защищаемое молниеотводом пространство на поверхности земли определяется высотой молниеотвода.

 

Глава 4

Закон Ома  

 

Предполагалось, что книга не будет содержать формул, и в принципе можно было бы для начала обойтись без них, но в электронике абсолютно все связано с законами физики, которые выражаются, как правило, формулами. И совершенно не последнюю роль играет закон Ома.

 

 

Основной принцип закона Ома

Закон Ома   – это физический закон, определяющий соотношение между напряжением, силой тока и сопротивлением проводника в электрической цепи. Назван в честь его первооткрывателя Гeopra Ома. Суть закона проста: порождаемый напряжением ток обратно пропорционален сопротивлению, которое ему приходится преодолевать, и прямо пропорционален порождающему напряжению. Именно такое определение вы бы прочитали в учебнике по физике. Я же попробую объяснить это на примере с водопроводной трубой.

Припоминаете, что такая же аналогия использовалась, когда мы говорили о токе?

Представьте себе, что вода – некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение – аналог давления (напора) воды. Сопротивление – это та сила противодействия среды их движению, которую приходится преодолевать электронам (воде), в результате выделяется теплота. Именно такая модель представлялась Георгу Ому в 1820‑е годы, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях. Чем выше давление воды в трубе, тем относительно большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления, поскольку в трубах усиливается турбулентность потока.

Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению зависимости силы тока от напряжения. Очень скоро выяснилось, что ничего подобного в электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества электрическому току вовсе не зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома, который (для отдельного участка цепи) записывается очень просто:

V = I х R,

где V ‑ напряжение, приложенное к участку цепи, I – сила тока, a R – электрическое сопротивление участка цепи (рис. 4.1).

 

 

Рис. 4.1. Для этой цепи, согласно закону Ома, напряжение V равно силе тока I, измеренной амперметром А, умноженной на сопротивление R.

 

Сегодня мы понимаем, что электрическая проводимость обусловлена движением свободных электронов, а сопротивление – столкновением этих электронов с атомами кристаллической решетки. При каждом таком столкновении часть энергии свободного электрона передается атому, который, начинает колебаться более интенсивно, и в результате мы наблюдаем нагревание проводника под действием электрического тока. Повышение напряжения в цепи никак не сказывается на доле тепловых потерь такого рода, и соотношение напряжения и электрического тока остается постоянным.

Однако, когда Георг Ом сформировал свой закон, атомная теория строения вещества находилась в зачаточном состоянии, а до открытия электрона было еще несколько десятилетий. Таким образом, для него формула V = I x R была чисто экспериментальным результатом. Сегодня мы имеем достаточно стройную и одновременно сложную теорию электропроводности и понимаем, что закон Ома в его первозданном виде – всего лишь грубое приближение. Однако это не мешает нам с успехом использовать его для расчета самых сложных электрических цепей, применяющихся в промышленности и быту. Единица электрического сопротивления системы СИ называется Ом – в честь этого выдающегося ученого.

 

 

Немного истории

Гeopr Симон Ом (1789–1854) родился в Эрлангене в семье потомственного слесаря. Роль отца в воспитании мальчика была огромной. Пожалуй, всем тем, чего добился Ом в жизни, он обязан отцу. После окончания школы Гeopг поступил в городскую гимназию, которая курировалась университетом и представляла собой учебное заведение, соответствующее тому времени.

Успешно окончив гимназию, Гeopг весной 1805 года приступил к изучению математики, физики и философии на философском факультете Эрлангенского университета. Проучившись три семестра, Ом принял приглашение от частной школы швейцарского городка Готтштадта занять место учителя математики. В 1809 году Гeopгy была предложена должность преподавателя математики в городе Нейштадт. К Рождеству он перебрался на новое место, но мечта окончить университет не покидала его. В 1811 году он возвращается в Эрланген.

Самостоятельные занятия Ома были настолько плодотворными, что он в том же году смог окончить университет, успешно защитить диссертацию и получить степень доктора философии. Сразу же по окончании университета он стал приват‑доцентом кафедры математики этого же университета. Преподавательская работа вполне соответствовала желаниям и способностям Ома. Но, проработав всего три семестра, он по причине материальных проблем, которые почти всю жизнь преследовали его, был вынужден подыскать более оплачиваемую должность. Королевским решением от 16 декабря 1812 года Ом был назначен учителем математики и физики школы в Бамберге. В феврале 1816 года это учебное заведение закрыли, и ему предложили за ту же плату проводить занятия в переполненных классах местной подготовительной школы. Потеряв всякую надежду найти подходящую преподавательскую работу, отчаявшийся доктор философии неожиданно получает предложение занять место учителя математики и физики в иезуитской коллегии Кельна. Он немедленно выезжает к месту будущей работы.

В Кельне он проработал девять лет. Наличие свободного времени способствовало «превращению» Ома из математика в физика и формированию его как физика‑исследователя. Он с увлечением отдается новой работе, просиживая долгие часы в мастерской коллегии и в хранилище приборов. Занимается исследованиями электричества, начинает свои эксперименты с определения относительных величин проводимости различных проводников. Применив метод, который стал теперь классическим, он подключал последовательно между двумя точками цепи тонкие проводники из различных материалов одинакового диаметра и изменял их длину так, чтобы получалась определенная величина тока.

Как пишет В. В. Кошманов: «Ом знал о появлении работ Барлоу и Беккереля, в которых были описаны экспериментальные поиски закона электрических цепей. Знал он и о результатах, к которым пришли эти исследователи. Хотя и Ом, и Барлоу, и Беккерель в качестве регистрирующего прибора использовали магнитную стрелку, соблюдали особую тщательность в соединении цепи, и источник электрического тока в принципе был одной и той же конструкции, однако полученные ими результаты были различными. Истина упорно ускользала от исследователей. Необходимо было прежде всего устранить самый значительный источник погрешностей, каким, по мнению Ома, была гальваническая батарея.

Уже в своих первых опытах Ом заметил, что магнитное действие тока при замыкании цепи произвольной проволокой уменьшается со временем… Это снижение практически не прекращалось с течением времени, и ясно было, что заниматься поиском закона электрических цепей при таком положении дел бессмысленно. Нужно было или использовать другой тип генератора электрической энергии из уже имеющихся, или создавать новый, или разрабатывать схему, в которой изменение ЭДС не сказывалось бы на результатах опыта. Ом пошел по первому пути».

После опубликования первой статьи Ома немецкий физик Поггендорф посоветовал ему отказаться от химических элементов и воспользоваться термопарой медь‑висмут, незадолго до этого введенной Зеебеком. Ом прислушался и повторил свои опыты, собрав установку с термоэлектрической батареей, во внешнюю цепь которой включались последовательно восемь медных проволок одинакового диаметра, но разной длины. Силу тока он измерял с помощью своего рода крутильных весов, образуемых магнитной стрелкой, подвешенной на металлической нити. Когда ток, параллельный стрелке, отклонял ее, Ом закручивал нить, на которой она была подвешена, пока стрелка не оказывалась в своем обычном положении – сила тока считалась пропорциональной углу, на который закручивалась нить. Ом пришел к выводу, что результаты опытов, проведенных с восемью различными проволоками, могут быть выражены уравнением: частное от а, деленного на X + В, где X означает интенсивность магнитного действия проводника, длина которого равна X, а А и В – константы, зависящие соответственно от возбуждающей силы и от сопротивления остальных частей цепи. Условия опыта были разные: заменялись сопротивления и термоэлектрические пары. Но результаты все равно сводились к приведенной выше формуле, которая очень просто переходит в известную нам, если заменить X силой тока, А – электродвижущей силой и В + X – общим сопротивлением цепи. Ом проводит опыты и с четырьмя латунными проволоками – результат тот же. «Отсюда следует важный вывод, – пишет Кошманов, – что найденная Омом формула, связывающая физические величины, характеризующие процесс протекания тока в проводнике, справедлива не только для проводников из меди. По этой формуле можно рассчитывать электрические цепи независимо от материала проводников, используемых при этом…

Кроме того, Ом установил, что постоянная В не зависит ни от возбуждающей силы, ни от длины включенной проволоки. Этот факт дает основание утверждать, что величина В характеризует неизменяемую часть цепи. Так как сложение в знаменателе полученной формулы возможно только для величин одинаковых наименований, то, следовательно, постоянная В, заключает Ом, должна характеризовать проводимость неизменяемой части цепи.

В последующих опытах Ом изучал влияние температуры проводников на их сопротивление. Он вносил исследуемые проводники в пламя, помещал их в воду с толченым льдом и убеждался, что электрическая проводимость проводников уменьшается с повышением температуры и увеличивается с понижением ее.

Получив свою знаменитую формулу, Ом пользуется ею для изучения действия мультипликатора Швейггера на отклонение стрелки и для изучения тока, который проходит во внешней цепи батареи элементов в зависимости от того, как они соединены – последовательно или параллельно. Таким образом, он объясняет, чем определяется внешний ток батареи, – вопрос, который был довольно темным для первых исследователей.

В 1826 году в журнале «Журнал физики и химии» выходит знаменитая статья Ома «Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество, вместе с наброском теории вольтаического аппарата и мультипликатора Швейггера». Появление этой публикации, содержащей результаты экспериментальных исследований в области электрических явлений, не произвело впечатления на ученых. Никто из них даже не мог предположить, что установленный Омом закон электрических цепей представляет собой основу для всех электротехнических расчетов будущего.

В 1827 году в Берлине он опубликовал свой главный труд «Гальваническая цепь, разработанная математически». Ом вдохновлялся в своих исследованиях работой «Аналитическая теория тепла» (1822) Жана Батиста Фурье (1768–1830).

Ученый понял, что механизм «теплового потока», о котором говорит Фурье, аналогичен электрическому току в проводнике. И подобно тому, как в теории Фурье тепловой поток между двумя телами или между двумя точками одного и того же тела объясняется разницей температур, Ом объясняет возникновение электрического тока разницей «электроскопических сил» в двух точках проводника.

Ом вводит понятия и точные определения электродвижущей силы, или «электроскопической силы», по выражению самого ученого, электропроводности и силы тока. Выразив выведенный им закон в дифференциальной форме, приводимой современными авторами, Ом записывает его и в конечных величинах для частных случаев конкретных электрических цепей, из которых особенно важна термоэлектрическая цепь. Исходя из этого, он формулирует известные законы изменения электрического напряжения вдоль цепи.

Теоретические исследования Ома также остались незамеченными. Только в 1841 году его работа была переведена на английский язык, в 1847 году – на итальянский, а в 1860 – на французский. Раньше других зарубежных ученых закон Ома признали русские физики Ленц и Якоби. Они помогли и его международному признанию. При участии русских физиков 5 мая 1842 года Лондонское Королевское общество наградило Ома золотой медалью и избрало своим членом. Ом стал вторым ученым Германии, удостоенным такой чести.

Очень эмоционально отозвался о заслугах немецкого ученого его американский коллега Дж. Генри: «Когда я первый раз прочел теорию Ома, она мне показалась молнией, вдруг осветившей комнату, погруженную во мрак».

О значении исследований Ома точно сказал профессор физики Мюнхенского университета Е. Ломмель при открытии памятника ученому в 1895 году: «Открытие Ома было ярким факелом, осветившим ту область электричества, которая до него была окутана мраком. Ом указал единственно правильный путь через непроходимый лес непонятных фактов. Замечательные успехи в развитии электротехники, за которыми мы с удивлением наблюдали в последние десятилетия, могли быть достигнуты только на основе открытия Ома. Лишь тот в состоянии господствовать над силами природы и управлять ими, кто сумеет разгадать законы природы. Ом вырвал у природы так долго скрываемую тайну и передал ее в руки современников».

 

Глава 5

Мои первые самоделки

 

После изучения нудных на первый взгляд и нужных в жизни правил безопасности можно приступать и к созданию своей первой радиолюбительской самоделки. В старых самоучителях авторы всегда начинали практику с изготовления детекторного приемника. Мы пойдем другим путем, так как на сегодняшний день время детекторных приемников прошло.

 

 

Вспышки на светодиоде

Надеюсь, вы уже обзавелись всем необходимым: канифолью, припоем, паяльником, тестером. Наверное, раздобыли и пару деталей, для чего разобрали старый телевизор. Вот теперь можно приступать к созданию своей первой радиолюбительской конструкции.

Начнем, пожалуй, с самой простой. Она будет представлять собой своеобразный интерес для начинающего радиолюбителя – это схема вспышек на светодиоде (рис. 5.1).

 

 

Рис. 5.1. Принципиальная схема вспышек на светодиоде.

 

Данная схема может использоваться для индикации тревоги. Самоделка подключается к стабилизированному источнику питания с напряжением 12 В. Таким источником может быть блок питания с регулируемым напряжением на выходе, купленный на радиорынке. Стабилизированным источник питания называется потому, что содержит стабилизатор, который держит выходное напряжение на определенном уровне.

Наша схема максимально проста, содержит всего лишь 4 детали: транзистор КТ315 структуры n‑p‑n, резистор на 1,5 кОм, электролитический конденсатор на 470 мкФ и напряжением не менее 16 В (напряжение конденсатора должно быть всегда на порядок больше, напряжения питания самоделки) и светодиод (в нашем случае красного свечения).

Для правильного подключения деталей надо знать их цоколевку (распиновку). Распиновка транзистора и светодиода данной конструкции представлена на рис. 5.2.

 

 

Рис. 5.2. Распиновка:

_{а – транзистора КТ315Б; б – светодиода АЛ307Б}

 

Транзисторы серии КТ315 по внешнему виду такие же, как и КТ361. Отличие только в размещении буквы. У первых буква размещается сбоку, у вторых – посередине. Теперь с помощью паяльника и проводов попробуем собрать наше устройство. На рис. 5.3 показано, как вы должны соединить между собой детали.

 

 

Рис. 5.3. Внешний вид собранного устройства.

 

Синие линии – это провода, жирные черные точки – места пайки. Такой монтаж называется навесным, существует также монтаж на печатных платах, но с ним мы познакомимся немного позже. Проверьте правильность соединения деталей и подключите устройство к блоку питания. Свершилось чудо – светодиод стал ярко вспыхивать. Ваша первая самоделка заработала!

 

 

Электронная канарейка

В продолжение нашей учебы предлагаю собрать устройство на двух транзисторах структуры p‑n‑р, которое будет имитировать пение канарейки (рис. 5.4).

 

 

Рис. 5.4. Принципиальная схема электронной канарейки.

 

Если предыдущее устройство было сделано на скорую руку, без лишних комментариев, то данная самоделка будет подробно описана, чтобы у вас появилось представление о работе устройств.

Имитатор трелей канарейки представляет собой генератор, составленный по схеме, которую называют в технике мультивибратором. Его отличительная особенность в том, что каскады на транзисторах соединены симметрично (см. рис. 5.4) – коллектор каждого транзистора подключен через конденсатор к базе другого. Тем не менее емкость конденсаторов неодинакова (сравните: 50 мкФ и 5100 пкФ), поэтому мультивибратор называют несимметричным. Кроме того, между базами транзисторов установлен круг связи из конденсатора С1 и резистора R2. Элементы мультивибратора подобраны так, что он генерирует сигналы, которые, поступая на громкоговоритель (другое название динамическая головка) SPK1, превращаются им в звуковые колебания, похожие на трели канарейки.

Какие детали потребуются, чтобы составить это устройство? Прежде всего, конечно, транзисторы (рис. 5.5).

 

 

Рис. 5.5. Цоколевка транзистора серии КТ361.

 

Кроме показанных на схеме подойдут транзисторы КТ361 с любой буквой, но они должны быть с одинаковыми или по возможности близкими коэффициентами передачи тока – не меньшими 60. Что это значит? Каждый транзистор имеет свой коэффициент передачи тока, для некоторых устройств он должен быть большим, для более простых это не имеет значения.

Коэффициент передачи тока можно измерить цифровым тестером, но если такого нет под рукой, то ставьте транзисторы наугад. Электролитические конденсаторы С1 и С2 должны быть рассчитаны на напряжение не менее 10 В. Емкость конденсатора С3 может колебаться в пределах 4700–5600 пкФ. Динамическая головка подойдет самая маленькая, которую вы только сможете приобрести. Выключатель питания S1 любого типа, источник питания V1 – батарея типа «Крона» или другой стабилизированный источник питания на 9 В. Как видите, деталей не так уж и много.

Соберите самоделку так же, как и предыдущую, навесным монтажом. Впрочем, есть еще один простой способ – использовать картон. Пробиваете шилом отверстия под детали, а потом соединяете их проводами.

Настало время подвергнуть испытанию самоделку. Прежде всего проверьте внимательно монтаж и убедитесь в правильности всех соединений и надежности паек. Потом подайте выключателем питание и послушайте звуки в громкоговоритель. Они должны звучать через 1–2 секунды после включения устройства. Сначала будет слышно клацанье, которое имитирует трель канарейки, а потом настанет пауза, после которой трели возобновятся. Так будет длиться до тех пор, пока включено питание.

Возможно, вы пожелаете изменить звучание «электронной канарейки». Для этого надо знать влияние параметров тех или других деталей на трели, которые имитируются. Например, тональность трели зависит от конденсатора С3: с уменьшением его емкости звуки становятся более резкими, увеличение же емкости конденсатора смягчает звуки. Количество звуков трели (иначе говоря, частоту их появления) определяет конденсатор С1. Если уменьшить его емкость, частота звуков‑клацаний (а значит и количество их) возрастет. Влияет на это и резистор R2, но основное его назначение – прекращать трель после определенного количества звуков, причем от сопротивления этого резистора зависит продолжительность последнего звука трели. Она увеличивается с повышением сопротивления резистора. Однако сильно изменять сопротивление резистора опасно, так как это может привести к нарушению нормальной работы устройства. Так, при чрезмерном увеличении сопротивления последний звук трели начнет беспрерывно повторяться, и услышать новую трель удастся только после кратковременного выключения питания. Уменьшение же сопротивления резистора вообще приведет к прекращению трелей. А когда случайно выйдет из строя (например, при обрыве проводов) резистор R2 или конденсатор С1, в громкоговорителе будет слышен постоянный негромкий свист. Конденсатор С2 определяет продолжительность каждой трели и паузы между ними – с увеличением емкости конденсатора они также увеличиваются.

Наше устройство может иметь самое разное применение. Его можно использовать в качестве дверного звонка. Для этого вам потребуется поменять выключать S1 на кнопку.