Курина
Журнал UPgradе, несмотря на его дружелюбность по отношению к самым разным группам читателей, все-таки журнал скорее технический, чем развлекательный. (Кто сказал: ‘Нет, наоборот”? Выйти из строя! Расстрелять!) И хотя авторы из кожи вон лезут, стараясь объяснить то или иное явление понятным языком и пытаясь уложить свои мысли на прокрустово ложе журнальных абзацев, все равно в текстах встречаются и будут ветре
чаться термины, хорошо знакомые людям с техническим образованием и абсолютно незнакомые всем остальным. Чтобы никому не было обидно. даже тем, кто па уроках физики изучал макияж учительницы, мы и публикуем этот материал. Давайте попытаемся понять природу электричества. А начнем с анекдота.
В воскресной школе идет урок физики.
Батюшка. А скажи мне, отрок, как течет электричество по проводам?
Ученик. С божьей помощью, батюшка!
Батюшка. Молодец, садись.
Что такое электрический ток?
Принято считать, что электрический ток — это направленное движение заряженных частиц (электронов) в твердых телах и токопроводящих растворах — электролитах (факт, кстати, пока не подтвержденный ничем и никем, в его пользу говорит только теория). Но именно такое определение дается в учебниках физики, и на этой теории держится вся электротехника. Рассматривая цепи постоянного тока (такие цепи, в которых направление протекания тока неизменно), считают, что направление тока в них противоположно направлению движения электронов, (они перемещаются от отрицательного полюса к положительному, а ток наоборот. Чушь, но так принято.) Чем больше электронов приходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше величина параметра, называемого силой тока (измеряется в амперах, А).
Само по себе ничто и никогда двигаться не начинает, и провода, к счастью, ни с того ни с сего током не бьют. Чтобы ток пошел, нужно задействовать источник тока, не имеет значения, какой именно: батарейку, преобразователь литания или генератор на электростанции. Очень важно, чтобы цепь была замкнутой. То есть нужно, чтобы электроны могли двигаться от одного полюса источника питания к
другому хотя бы по одному маршруту. Разорвав цепь в любой точке, мы остановим движение электронов во всей цепи.
Проводники и диэлектрики
Раз уж разговор зашел о проводах, нужно вспомнить еще кое-что. Вам, наверное, известно, что провода обычно сделаны из меди или из алюминия. Вообще, способность проводить электричество во многом зависит от внутренней структуры материала. В металлах присутствует большое количество свободных электронов, которые легко переносят электрический заряд. Соответственно, проводимость такого материала высока. Материалы с плотной кристаллической решеткой и большой силой удержания электронов вообще неспособны к передаче тока, их называют изоляторами или диэлектриками. Сравните эту характеристику с теплопроводностью. Как правило, металлы, способные хорошо проводить ток, замечательно передают и теплоту. А попробуйте прогреть какой либо диэлектрик! Например, стекло.
К изоляторам относится абсолютное большинство синтетических материалов: пластмасса, резина, бумага. Натуральные неметаллические материалы, такие как дерево, камень и стекло, тоже диэлектрики. Кроме того, сухой воздух, а также чистая вода без примесей электричество не проводят. Исключение из ряда диэлектриков — уголь. Этот природный материал прекрасно проводит ток, и это свойство углерода вовсю эксплуатирует человечество. Угольные микрофоны, резисторы, детали двигателей и генераторов — вот что делают из углерода в наши дни.
Все жидкости, в которых содержатся ионы водорода (а это все без исключения кислоты, щелочи, растворы солей, ну и вода из-под крана или из моря), способны проводить ток. Их называют электролитами. Имейте в виду, что даже такие надежные изоляторы, как пластмасса или дерево, намокнув, начинают неплохо проводить ток по влажной поверхности, а залитый водой штепсель лучше вначале просушить, перед тем как засовывать его в розетку.
А что интересного в мире проводников кроме того, что к ним относятся все без исключения металлы? А то, что проводимость их растет пропорционально положению на «водородной» шкале (в ряду активности металлов). Если вы не окончательно забыли химию, то помните этот ряд. С левою ею края, на значительном расстоянии от водорода, находятся редкоземельные металлы, и среди них почему-то затесался алюминий. Это металл с хорошей теплопроводностью и удельным сопротивлением ненамного выше, чем у меди. Все дело в том, что алюминий химически очень активен. Он охотно вступает в химические реакции, кроме того, его непросто паять из-за моментального образования пленки из окислов на поверхности. Детали из крылатого металла если и соединяют, то только с такими же алюминиевыми деталями, чаще всего механическим способом (как правило, применяя гайки и болты, а иногда и заклепки). Сваривают алюминий в особых условиях, при сварке место соединения требуется защищать от воздействия кислорода и от окисления, применяя инертные газы (аргон и азот). А если алюминий находится в длительном контакте с железом, медью, серебром, то соединение быстро разрушается. Причина заключается в его положении в ряду химической активности. Металлы, расположенные далеко друг от друга на данной шкале, образуют гальванические пары. Атмосферная влага превращает место соединения алюминия с медью в «элемент питания», немедленно возникает электрохимическая реакция, которая разрушает алюминий, потому что он выступает в качестве «расходного материала» при реакции, как более активный металл. Вдобавок температура плавления у крылатого металла низкая, а вот удельное сопротивление высокое. Провода с алюминиевыми жилами получили широкое распространение лишь благодаря невысокой цене данного металла и его малому удельному весу. Сравните, к примеру, силу тока в алюминиевом и медном проводах одинакового сечения (2,5 мм2): в медном проводе — 25 А, а в алюминиевом той же толщины -19 А. Всегда лучше использовать медь, если нет весовых и ценовых ограничений.
Но и она не идеальна. Самый главный недостаток меди заключается в том, что на воздухе ее поверхность быстро покрывается слоем окислов. Эти продукты разрушения металла — диэлектрики, поэтому место соединения проводит ток все хуже и хуже, увеличивается падение напряжения на нем, а сам спай разогревается, пытаясь рассеять выделяющуюся на нем мощность. (Аналогия из водопроводного мира: по мере накопления ржавчины в трубе ее диаметр уменьшается, и воды через нее проходит все меньше.) Разогретая медь окисляется еще быстрее, из-за чего скорость ее разрушения лавинно возрастает. Если у вас дома, к примеру, греется розетка, значит, в соединениях нарушился контакт. И надо не теряя времени розетку отремонтировать. Иначе может возникнуть пожар. Способ борьбы с упомянутым явлением прост, но очень эффективен. Медные детали покрывают тонким слоем сплава олова и свинца (припоем), проще говоря, лудят. И свинец, и олово — очень мягкие металлы с низкой температурой плавления. При пайке и лужении под действием тепла происходит проникновение олова в поверхностный слой меди, и соединение получается очень надежным. Гальваническое разрушение в данном случае не так страшно, как в случае с алюминием, отчасти потому, что разница в электрохимической активности между медью, оловом и свинцом минимальна (они на водородной шкале находятся рядом). А если коррозия и началась, то сначала в окислы превращается защитный слой припоя, а защищаемая им медная деталь остается нетронутой. При ремонте электропроводки в доме неплохо бы облудить все концы проводов, подключаемые к розеткам и выключателям. Так спокойнее. Кстати, в магазинах продаются уже облуженные провода.
Лучше меди по проводимости только драгоценные металлы, а именно: серебро, золото, платина. На провода, если очень нужно, пускают только серебро. Этот благородный металл применяют в высокочастотных генераторах и радиоприемной аппаратуре. Электропроводность и теплопроводность у серебра выше, чем у самой чистой, бескислородной меди. Остальные металлы слишком дороги и в электротехнике не применяются, хотя в микроэлектронике без них никуда.
Что такое электрическое сопротивление
Никакие материалы, даже металлы, не способны проводить ток без потерь. В кристаллической решетке любого вещества есть примеси и другие помехи для свободного движения электронов. Заряженные частицы сталкиваются друг с другом, с атомами и молекулами вещества, поэтому в толще материала возникает своеобразная «пробка», похожая на автомобильную, и часть энергии электрического тока превращается в тепловую энергию. Повышение температуры вызывает колебания молекул, и сопротивление проводника возрастает. Затруднение в проводимости называется сопротивлением, и измеряется оно в омах (Ом), а обозначается на схемах и в формулах буквой R. Прибор для измерения данного параметра цепи — омметр. Применительно к материалам обычно используется понятие «удельное сопротивление». Это табличная величина, показывающая, какое сопротивление имеет провод сечением 1 мм2 и длиной 1 м, выполненный из данного материала. У меди удельное сопротивление составляет 0,0175 Ом-мм2/м, у алюминия — 0,028 Ом-мм2/м, у олова — 0,115 Ом-мм2/м. Провода из сплавов (нихрома, манганина, константана, фехраля), имеющих очень высокое удельное сопротивление (0,39-1,30 Ом-мм2/м), применяются при изготовлении нагревательных элементов. Загляните в фен. Спираль видите? Это электронагреватель, работающий по этому принципу.
В электронике для уменьшения силы тока применяются специальные детали — резисторы, которые имеют строго определенное электрическое сопротивление. Резисторы встречаются разные, с сопротивлением от долей ома (редко) до миллионов ом (мегаом). Сопротивление последовательно включенных резисторов равно сумме их сопротивлений. Резисторы, включенные параллельно, имеют суммарное сопротивление, рассчитываемое по такой формуле: R общее = (R1 • R2) / (R1 + R2).
В чем измеряется электрический ток?
Увидеть и подсчитать количество двигающихся электронов бытовыми способами невозможно (они очень маленькие и быстрые). Поэтому применяются другие, более удобные способы измерения параметров. Силу тока принято оценивать в амперах (А), а измеряется она амперметром, который подключается последовательно к нагрузке, в которой нужно измерить силу тока. Электрическое напряжение, или разность потенциалов (чем оно выше, тем большую силу тока можно создать), оценивается в вольтах. Прибор для измерения данного параметра — вольтметр, а подключается он параллельно нагрузке или параллельно полюсам источника питания.
Закон товарища Ома
Если бы мы говорили о воде, подобный закон звучал бы так: скорость протекания жидкости и ее количество за единицу времени тем больше, чем больше диаметр трубы и чем больше разность давлений жидкости в концах трубы. В переводе на язык электронов: сила тока тем больше, чем меньше сопротивление и чем выше напряжение. По-научному это звучит так: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи. Напряжение 1 В, приложенное к потребителю электроэнергии с сопротивлением 1 Ом, вызывает в этой нагрузке электрический ток силой 1 А. «Не знаешь закон Ома — сиди дома!» — говорят электрики. Вот этот закон в виде несложной формулы: I = U / R (I — сила тока, U — напряжение,
R — сопротивление). А вот производные от нее: R = U /1, U = I • R. Эти три выражения любой гражданин, считающий себя электриком, обязан знать наизусть. Расчеты по данным формулам производятся очень часто. Сопротивление проводов, контактов, точек пайки в массовых расчетах для простоты не учитывается.
Мощность и работа тока
Заставить гореть лампочку можно, затратив определенное количество энергии. Энергию, потраченную нагрузкой, называют электрической мощностью и, как и любую мощность, измеряют в ваттах (Вт). Напряжение 1 В при постоянном токе 1 А развивает мощность. равную 1 Вт. То есть мощность равна произведению силы тока в нагрузке на напряжение, или Р = I • U. Подставляя вместо неизвестных величин формулы их расчета из “базового1′ закона Ома, можно рассчитывать мощность и по таким формулам: Р = U2 / R,
Р = I2 • R.
Мы договорились, что считаем сопротивление проводов равным нулю, но на самом деле это далеко не так. А раз есть хоть мизерное сопротивление, значит, на нем рассеивается определенная мощность, обычно в виде тепла. Провод или резистор, который не в состоянии рассеять нужную мощность, очень сильно нагревается, его сопротивление резко возрастает, и в итоге он перегорает или воспламеняет окружающие материалы. Поэтому на резисторах указывают второй важный параметр — допустимую рассеиваемую мощность (0,125, 0,25, 0,5,1, 2, 5 и более ватт). А провода для определенного тока выбирают с запасом, по таблице, чтобы они не отапливали помещение.
На практике мощность редко измеряют с помощью специального прибора — ваттметра. Если такая потребность и возникает, то чаще всего в цепь питания нагрузки вводят резистор с сопротивлением мизерным (десятые, сотые и тысячные доли ома), но очень точно измеренным, так называемый шунт. Измеряя вольтметром падение напряжения на нем, по закону Ома (две величины уже точно известны — напряжение и сопротивление), рассчитывают неизвестные параметры.
Бывает важно знать (особенно товарищам из Мосэнерго), какая мощность и в течение какого времени потреблялась. Говоря проще, сколько электроэнергии было использовано. Расход электричества чаще всего измеряется в киловатт-часах и представляет собой произведение мощности нагрузки на время ее работы.
Постоянный и переменный токи
Все, что было написано выше, относится к цепям постоянного тока, то есть к таким, в которых направление движения электронов неизменно. Но постоянный ток неудобен тем, что его сложно трансформировать, иными словами, преобразовывать ток низкого напряжения в ток высокого напряжения и наоборот посредством трансформаторов (о них я еще расскажу).
Чаще всего применяется переменный ток. В цепи переменного тока полюса источника питания (плюс и минус) регулярно и ритмично меняются местами. Смена полюсов происходит не мгновенно, она выражается функцией синуса, и график зависимости напряжения от времени имеет вид синусоиды. При переменном токе электроны не столько движутся, сколько колеблются из стороны в сторону, меняя направление движения, поэтому полный цикл смены полярности источника питания называют колебанием. Ток и напряжение в нагрузке также ритмично увеличиваются и уменьшаются, а разница между минимальным и максимальным их значениями называется амплитудой. Частота смены полюсов измеряется в герцах (Гц). Данный параметр показывает, сколько полных колебаний произошло за одну секунду. В нашей стране распространен переменный ток частотой 50 Гц, поэтому следует понимать, что электроны за одну секунду пятьдесят раз движутся в одну сторону и пятьдесят раз в обратную.
Как превратить одно в другое
Чтобы превратить переменный ток в постоянный, не нужно ничего особенного. Превращение осуществляет устройство, называемое выпрямителем, а главная его деталь — диод. Этот элемент примечателен тем, что проводит ток только в одну сторону. Если плюс источника питания подать на анод диода, он откроется и пропустит через себя почти весь ток. Если же плюс источника питания приходится на катод диода, последний наглухо запирается и ничего не пропускает через себя. Для частичного выпрямления переменного тока бывает достаточно и одного диода. Переменный ток будет проходить в нагрузку, только когда полярность источника тока будет совпадать с полярностью диода. В результате на нашей нагрузке появится напряжение, называемое пульсирующим. То есть постоянное по направлению, по значению оно будет изменяться от О В до амплитудного напряжения питающей сети. Подключив к такому пульсирующему напряжению лампочку, вы увидите, что она заметно мерцает. Чтобы избавиться от пульсаций, нужно увеличить количество диодов до четырех. Собрав так называемую мостовую схему, можно сделать так, чтобы в каждый полупериод ток двигался только в одном направлении. Поскольку в этой схеме используются оба полупериода исходного сетевого напряжения, выпрямитель на четырех диодах называют двухполупериодным, а выпрямитель на одном диоде — однополупериодным.
Обратное превращение — из постоянного тока в переменный — значительно сложнее. Для этого приходится использовать куда более сложную конструкцию. Главный ее элемент — электронный ключ. Пара таких ключей поочередно подключает нагрузку к полюсам источника питания, то в одной полярности, во в другой. Поскольку во многих случаях желательно, чтобы график движения тока хотя бы приблизился к идеальной синусоиде, схема управления ключами достаточно сложна. Одним словом, фарш очень сложно провернуть назад, и мяса из него не приготовишь. При преобразовании неизбежны потери, и в схеме «из постоянного в переменный» они высоки из-за низкого КПД ключей.
Конденсатор, емкость
Эта интересная деталь обладает возможностью накапливать электрический заряд. А сделана она из двух пластин-обкладок с очень большой площадью поверхности, разделенных тонким слоем диэлектрика. Пластины, как правило, изготовлены из тончайшей фольги, свернутой в рулон, а диэлектрик — разделяющий слой. Для чего можно использовать конденсатор? Если эту деталь поставить сразу после выпрямителя (параллельно нагрузке), то пульсации тока практически исчезнут, потому что нагрузка при падении напряжения до нуля будет питаться энергией, запасенной в конденсаторе. Такой элемент называется фильтром питания.
Величина заряда, который способен запасти в своем нутре конденсатор, называется его емкостью. Единица измерения емкости — фарада (внимание, ударение на второй слог, это не фамилия актера). Но даже одна фарада это огромная величина емкости. В быту и в промышленности используются миллионные доли фарады. На схемах можно встретить пикофарады, нанофарады, микрофарады.
Поскольку обкладки конденсатора разделены слоем диэлектрика, в цепи постоянного тока конденсатор — непреодолимая преграда. А переменный ток постоянно перезаряжает обкладки конденсатора и как бы просачивается сквозь него. С точки зрения переменного тока конденсатор фактически представляет собой резистор, сопротивление которого зависит как от его собственных параметров, так и от частоты тока. Однако разница между двумя этими элементами есть: резистор всегда рассеивает на себе мощность, а конденсатор — нет, поскольку его сопротивление очень высоко и стремится к бесконечности. Есть замечательная формула, по которой можно узнать, каким будет эквивалентное сопротивление конденсатора. В формуле емкость нужно представлять в фарадах, а число 6,28 — это удвоенное число Пи. Частота исчисляется в герцах. Конденсатор емкостью 1 мкФ для электрической сети будет представлять собой сопротивление: R = 1 / (6,28 • F • С) = 1 / (0,000001 Ф • 6,28 • 50) = 3185 0м. Дальше по закону Ома можно рассчитать и максимальную силу тока в цепи после конденсатора. А столько внимания этой «мелочи» я уделил потому, что бестрансформаторные источники питания с ограничительным конденсатором используются очень часто, а как их правильно рассчитывать, многие не знают.
Другой важный параметр конденсатора — допустимое напряжение на обкладках. Если его превысить, то прослойка диэлектрика не удержит поток электронов и они с криками «ура!» перепрыгнут с обкладки на обкладку. Иными словами, возникнет прибой, и конденсатор выйдет из строя, поскольку уже не будет представлять собой никакой преграды для тока.
В случае с электролитическим конденсатором последствия пробоя куда более опасны. Электролитические конденсаторы, или, в просторечии, электролиты, работают чаще всего и в цепях постоянного тока. Они в большинстве своем рассчитаны на включение в строго определенной полярности, для чего на их корпусы наносят знаки «минус» и иногда «плюс». Электролиты отличаются от прочих конденсаторов большей емкостью и конструкцией. В них диэлектриком служит жидкость электролит, а обкладки — тонкий слой окиси металла. Поэтому такие конденсаторы еще называют оксидными.
Пробои электролитического конденсатора приводит к снижению электрического сопротивления (у исправного конденсатора оно очень велико) и возникновению утечки тока. На конденсаторе начинает рассеиваться небольшая мощность, электролит закипает, и в конце концов деталь или громко и эффектно взрывается, или просто тихо вспухает и протекает. Такой же салют вы увидите, если подключите электролит к обратной полярности. Вздутие электролитов свидетельствует о том, что скоро начнется бабах-шоу. Такая вот у них натура, бомбистская.
Но есть у электролитических конденсаторов и другое слабое место. По прошествии какого-то времени, где-то через два три года, электролит в них начинает подсыхать, и емкость таких конденсаторов заметно снижается. Многие советские телевизоры и радиоприемники, которым бы еще работать и работать, выходили из строя из-за высыхания конденсаторов.
Конденсаторы, как и резисторы можно соединять последовательно и параллельно. Только не наступите на грабли. Емкость последовательно подключенных конденсаторов уменьшается (а рассчитывается она точно так же, как сопротивление в случае с параллельно соединенными резисторами!), а емкость параллельно соединенных конденсаторов увеличивается. У резисторов, если помните, все с точностью до наоборот. Зато последовательно соединенные конденсаторы позволяют использовать напряжение, равное сумме рабочих напряжений используемых в схеме конденсаторов.
Емкости параллельно соединенных конденсаторов складываются. Рабочее напряжение такой батареи не повышается, и оно равно напряжению самого низковольтного конденсатора.
Разновидности переменного тока
На одних только квартирных розетках напряжением 220 В и частотой 50 Гц свет клином не сошелся (что самое забавное, свет как раз на них клином и сошелся, лампы питаются именно от таких розеток. — Прим. лит. ред.). Более того, этот источник питания — разновидность системы трехфазного напряжения. Скажете, в дебри полез? Отнюдь
нет. Ваши квартирные 220 В получены путем подключения розеток к одной из фаз и рабочему нулю. Сложно? Попытаюсь исправиться. Главными и крупнейшими потребителями электрической энергии являются вовсе не жилые дома, как можно подумать, а промышленные предприятия. А рабочая лошадка нашего неважно какого «прома» — трехфазный электродвигатель переменного тока. Для его работы нужно, чтобы в его трех рабочих обмотках по очереди появлялось напряжение. Гирлянды ‘бегущий огонь» видели? Очень похоже. Когда в одной обмотке максимум напряжения, ее магнитное поле имеет максимальную мощность, через какое-то время в другой обмотке максимум амплитуды, а в предыдущей — минимум. В результате последовательного включения обмоток движка станет вращаться их магнитное попе, а вслед за ним и вал двигателя.
Так вот. Трехфазная схема — это система, фактически состоящая из трех источников питания, строго согласованных между собой. Максимумы амплитуды на выходах всех трех источников трехфазной системы возникают поочередно, со сдвигом фаз на 120° относительно друг друга.
Три вывода от этих трех источников питания — три фазы, а оставшиеся три вывода соединяют между собой и получают рабочий ноль. Напряжение каждого источника питания — 220 В, знакомое нам значение. Это напряжение называется фазным, потому что оно получено подключением нагрузки к одной из фаз и к пулю. Если включить нагрузку между двумя фазами, то напряжение на ней станет больше фазного примерно в 1,732 раза (квадратный корень из числа 3), то есть 380 В. Напряжение между двумя фазами называется линейным. Встречаются до сих пор и старые сети, в которых линейное напряжение — 220 В, а фазное, соответственно, 127 В.
В домашних условиях нам трехфазный ток не нужен (разве что лифты и моторы систем вентиляции ею очень любят), но электрики умело распределяют электрооборудование жилого дома по всем трем фазам, что нам, жильцам, приносит радость, поскольку нагрузка па силовые привода дома меньше, а значит, и напряжения не так сильно отклоняются от нормальных.
О трансформаторах
Как я уже говорил, трансформаторы позволяют как уменьшать переменное, напряжение, так и увеличивать его, причем практически без потерь. Ведь в розетках у нас 220 В, а для разных целей может понадобиться и 5 В, и 36 В. Простейший трансформатор состоит из двух обмоток — катушек из изолированного провода, размещенных на металлическом основании (сердечнике). Сердечник делают из специального железа, называемого трансформаторным. Та обмотка, которая будет включена в питающую сеть, называется первичной. Обмотка, к которой будет подключаться нагрузка, носит название вторичной. Вторичных обмоток может быть сколько угодно, лишь бы они уместились на сердечнике. Выходное напряжение трансформатора определяется соотношением количества витков в обмотках. Если в первичной обмотке больше витков, чем во вторичной, трансформатор понижает напряжение, причем пропорционально соотношению числа витков. К примеру, первичная обмотка трансформатора содержит 1000 витков, а вторичная — 50 витков. Число витков вторичной обмотки в двадцать раз меньше. При напряжении сети 220 В выходное напряжение прибора будет таким. U = 220 / 20 = 11 В. Если вторичная обмотка будет содержать больше витков, чем первичная, то напряжение на выходе трансформатора будет выше, чем в питающей сети. Трансформатор с 1000 вилков на первичной обмотке и с 3500 витков на вторичной при включении в сеть 220 В выдаст напряжение 770 В. Но чудес на свете не бывает. Превысит мощность первичной обмотки у нас не получится, поэтому, увеличив напряжение во вторичной цепи трансформатором, мы вынуждены уменьшить силу тока. И наоборот. Так что выигрыша в работе нет.
Пусть эти вымышленные трансформаторы из моих примеров имеют мощность 100 Вт каждый. В первом случае одиннадцативольтовый трансформатор может обеспечить такую силу тока в нагрузке: I = Р / U = 100 /11 — 9.09 A. 770-вольтовый монстр такой же мощности, согласно вышеприведенной формуле, обеспечит нагрузку током 0,13 А. И все? А как вы хотели? Золотое правило электриков: увеличивается напряжение — уменьшается ток, и наоборот.
Расчеты в том виде, в каком я их привел, не совсем точны. Как водится, часть энергии затрачивается на нагрев обмоток, часть бесполезно теряется в сердечнике. Искажения тока и частоты тоже снижают КПД системы.
Главный недостаток любого трансформатора — большие габариты и немалый вес. Несложно представить себе трансформатор ватт на пятьсот, предназначенный для обеспечения компьютера энергией. Это будет кольцо диаметром около тридцати сантиметров и весом больше пятнадцати килограмм. Такого «счастья» точно никому не надо.
Но выход есть — применение импульсных источников питания.
В них переменное напряжение сети вначале выпрямляется, потом с помощью ключей снова преобразовывается в переменное, но частота его составляет десятки и сотни килогерц. Повышение частоты способствует резкому уменьшению габаритов трансформатора и увеличению его коэффициента полезного действия. Искусственно созданное переменное напряжение подается на такой продвинутый импульсный трансформатор, снижается в нем до нужных величин, выпрямляется и очищается от помех при помощи конденсаторов. Управляя работой ключей в первичной обмотке, можно добиться высокой стабильности выходных параметров импульсного источника. А попробуйте заставить обычный трансформатор стабилизировать выходное напряжение!
Индуктивность
Любой провод, прямой или свернутый в катушку, обладает не только сопротивлением, но и индуктивностью. Если провод достаточно длинный и смотан в катушку, то индуктивность у него гораздо выше, чем у прямого. Индуктивностью называется способность любой катушки с проводом хранить в себе электрическую энергию. При подключении любой обмотки к источнику постоянного тока в ней запасается энергия, которая высвобождается при отключении этого источника. На клеммах катушки возникает напряжение, называемое ЭДС самоиндукции, и оно может значительно превысить напряжение источника питания. А если полярность всегда является обратной по отношению к той, которую имеет питающее напряжение? На явлении самоиндукции основана работа систем зажигания в автомобилях. Также оно широко используется в резонансных колебательных контурах, состоящих из катушки и соединенного с ней конденсатора. Ведь если катушку подключить к цепи переменного тока, то при определенных условиях частота выбросов ЭДС самоиндукции совпадет с максимумами амплитуды питающего напряжения. Основной параметр такой системы — резонансная частота.
Измеряют индуктивность в генри. Индуктивностью 1 Гн обладает такая катушка, в которой при изменении тока 1 А в течение 1 с возникает ЭДС самоиндукции с
потенциалом в 1 В. Подобно конденсатору, для переменного тока катушка является сопротивлением. И чем больше индуктивность катушки, тем большее сопротивление переменному току она оказывает, потому что индуктивность замедляет нарастание и спадание амплитуды тока и чем выше частота переменного тока, тем сложнее ему проходить через катушку индуктивности.
Вместо заключения
Вкратце рассказать все, что мы знаем об электричестве, невозможно. Ничего не было сказано о полупроводниках (на рассказ о них ушло бы не меньше места, а современная электроника без них вообще никуда), об интересных физических явлениях в электрических схемах. Если вы желаете продолжить разговор или у вас есть интересные идеи, то излагайте свои соображения в письменном виде и отправляйте нам по электронной почте. В любом случае серия будет продолжена. Мы всегда рады общению с читателями!
Как быстро посчитать?
Закон Ома держится на трех китах: напряжении, сопротивлении и силе тока. Из основного закона Ома (I = U / R) можно вывести еще две формулы, для расчета любой из трех величин, при условии что две остальные известны. Чтобы не держать каскад формул в голове и ничего не напутать, стоит воспользоваться подсказкой-треугольником. Способ прост. Закрываем пальцем тот параметр, который надо посчитать. Если оставшиеся два стоят на одной высоте, нужно их перемножить, а если один находится над другим, следует разделить верхний на нижний. Допустим, нам подо вычислить силу тока (I). Закроем ее. Остались напряжение (U) сверху и сопротивление (R) под ним, «в столбик». Значит, нужно напряжение разделить на сопротивление.
Дополнительно
О единицах измерения
Очень неудобно пользоваться основными, базовыми единицами измерения. 1 Ф — это очень большая емкость, 1 Ом — очень низкое сопротивление. Чтобы на схемах и в их описаниях не встречались такие фразы: «Конденсатор С21 имеет емкость 0,00000000038 Ф…» (а сколько это, кстати?), применяются дробные единицы. В частности, при описании компьютерной техники чаще применяется микрофарада, равная 0,000001 фарады (10-6 Ф). И от микрофарады (мкФ) принято строить всю остальную «мелочь» в ряды: 1 нанофарада (мФ) это 0,001 мкФ, I пикофарада (нф) — 0,000001 мкФ.
Резисторы бывают таких порядков: ом, килоом (1000 Ом), мегаом (1000000 Ом). Напряжение встречается разное, ел микровольтов до мегавольтов. 1 микровольт = 0,000001 вольта, 1 милливольт = 0,001 В, 1 киловольт = 1000 В, 1 мегавольт = 1000000 В (пальцами точно лучше не лазить). Приставки микро-, милли , кило-, мега- распространяются и на силу тока (амперы), и на индуктивность (генри).
