Читаем электрические схемы. Часть 2

17.05.2017 19:06

В прошлой статье мы с вами рассмотрели, как выглядят обозначения основных радиоэлементов на схеме. В этой статье мы поговорим о таких понятиях, как электрический ток, напряжение и сила тока. Хотя я уже писал о них в самых первых статьях, но в этой статье попробуем все это сложить в одну кучу, чтобы вам было легче уловить суть дела.

 

 

Начнем с самого-самого начала. Как вы знаете, все схемы состоят из проводков или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье "самый простой усилитель звука", я с помощью проводков соединял различные радиоэлементы и у меня получилась схема, которая усиливает звуковые частоты

 

 

Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают "проводки", которые уже называются печатными дорожками.

В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология)

 

 

На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы

 

Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.

 

Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев,  как торт из коржей:

Прямо внутри них  есть дорожки, которые соединяются межслойно. Очень сильно экономится площадь на поверхностях печатной платы. Бум  SMD  технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.

 

 

Электрический ток

Думаю, вы  не раз слышали такое выражение: "по этому проводу течет ток". Электронику проще объяснять как раз с точки зрения гидравлики. Раз ток течет, значит, в нашем случае, проводок - это шланг или труба для электрического тока. Получается, что так. А что такое электрический ток? Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц, чаще всего электронов, в одном направлении. По аналогии с гидравликой, электроны - это молекулы воды. Электрический ток - поток воды. Думаю, этого пока будет достаточно. Одними словами сыт не будешь, поэтому давайте нарисуем рисунок, чтобы порадовать глаза:

 

В данный момент шланг валяется где-нибудь в огороде и в нем осталась вода. Шланг никуда не подключен, то есть молекулы воды в шланге находятся в неподвижном состоянии.

По аналогии с электроникой, медный проводок лежит на столе и никуда не подключен.

 

 

Но вот настал вечер. Надо полить помидоры и огурцы, иначе к зиме останетесь без закуски. Как только мы открываем кран, вода в шланге начинает движуху:

Теперь вопрос на засыпку: почему когда мы открыли краник, вода побежала по шлангу?  Создалось давление... молекулы что левее стали давить на молекулы что правее и движуха началась. Но кто толкал те молекулы, которые толкали молекулы? В нашем случае это либо насос, либо вода в водобашне под воздействием гравитационной силы Земли.

 

В электронике электроны толкает так называемая ЭДС. В любой электрической схеме есть тот самый "насос", который толкает электроны по проводкам и радиоэлементам. Он может находится в самой схеме, либо подключаться в схему извне. Как только электроны начинают движуху в проводке в одном направлении, то можно уже сказать, что в проводке стал течь электрический ток.

 

 

Еще раз про напряжение

А теперь представьте такую ситуацию. У нас есть водонасос, но шланг мы закупорили пробкой.

 

Вода вроде бы готова бежать, но бежать то некуда! Там пробка закупоривает шланг. Но на саму пробку сейчас оказывается давление, которое создает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет приличная, то пробка вылетит со скоростью пули, либо давление порвет шланг, если пробка туго сидит в шланге.

 

Все то же самое можно сказать и про водобашню. Давление на дне башни зависит от того, сколько воды налито в башню. Если башня под завязку, то и давление на дне башни будет большое, и наоборот.

А теперь прикиньте какое давление на дне океана, особенно в Марианской впадине ;-)

 

Что можно сказать про давление в этих двух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте.

 

Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением. Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа "блок питания может выдать напряжение от 0 и до 30 Вольт". Или говоря детским языком, создать "электрическое давление" на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.

Электрическое давление  - это еще не значит, что есть электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток должна быть движуха электронов в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте.  А раз движухи нету, то и нет электрического тока. Но то, что уже есть давление - это предпосылка к зарождению электрического тока.

 

Вы прямо сейчас можете создать давление воздуха в своем организме. Для этого достаточно набрать воздуха в легкие и закрыть рот. Потом выпустить воздух и надуть щеки, не открывая рот. В это время у вас на щеки молекулы воздуха будут оказывать давление. Чем больше вы выдыхаете воздуха, тем напряженнее стают ваши щеки от давления. Движуха идет из области высокого давления в область низкого давления. В ваших легких вы создали большое давление, а давление снаружи оказалось меньше. Поэтому-то щёчки и надулись.

 

 

С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания высокое давление, а на другом низкое. Поэтому, положительный  щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп  - черным или синим. Тут типа давление минимальное (нулевое). В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше " электрическое давление", а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное "давление", а на минусе - недостаточное.

 

Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но  напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием.

 

Итак, одна составляющая для зарождения электрического тока у нас уже есть - это напряжение.

 

Вернемся снова к гидравлике.

Давление мы создали, но электрического тока до сих пор нету. Что надо сделать? Правильно, убрать пробку из шланга и дать водичке спокойно вытекать. Пошла движуха, значит, пошел электрический ток!

 

От какого слова образуется слово "ток". Я думаю, от слова поТОК. Поток воды, поток энергии, поток света и тд, а поток электронов в проводке называется просто "электрическим током". Значит, заставляя течь электроны, мы тем самым создаем электрический ток ;-)

 

 

Теперь снова надуйте свои пухленькие щечки и пытайтесь создать внутри полости рта очень высокое давление. Что у нас произойдет? Ваши губки не выдержат и поток воздуха устремится изо рта в окружающее пространство. То есть вы создали в полости рта высокое давление, которое устремилось в область низкого давления, то есть наружу. Почти схожим образом вы создаете "ветер" из пукана, напрягая свой животик :-).

 

 

Ладно, давайте обобщим, все что мы тут пописали. ЭДС создает движуху электронов по проводку. Для того, чтобы движуха была, электроны должны куда-то направляться, желательно обратно к ЭДС источнику. В идеале, должно быть как-то так:

Как вы видите, труба у нас выходит из насосной станции и входит в насосную станцию. То есть контур трубы получается замкнутым. Пока работает насосная станция, у нас есть движуха воды. Как только насосная станция сдохнет, движуха воды прекратится. Также немаловажно чтобы труба не была тонкая в диаметре, иначе ее порвет, если насосная станция будет большой мощности.

 

По аналогии с электроникой получаем все то же самое. Во-первых, нужно чтобы контур был замкнутым, во вторых - чтобы был источник ЭДС, и в-третьих, чтобы провод выдерживал поток электронов.

 

 

Еще раз про силу тока

Также нас интересует еще один немаловажный фактор - это какой объем воды у нас выльется из шланга за какое-то время.

 

Как думаете, с каким напором воды мы быстрее наполним ведерко?

 

С таким

 

или с таким?

 

или вот с таким?

 

Понятное дело, что с последним. Почему так? Да потому что, ну пусть скажем за секунду, у нас вылитой из трубы воды будет больше, чем из шланга. А объем вылитой воды из зеленого шланга за секунду будет больше, чем из желтого, так как напор воды в желтом шланге очень слабый. И теперь еще один вопросик на посошок. Какой поток струи будет обладать бОльшей силой? Ясно дело, что струя, которая выходит из трубы. Такой струей можно и гидрогенераторы крутить.

 

 

Давайте допустим, что у нас  есть большая труба, и к ней заварены две другие, но одна в два раза меньше диаметром, чем другая.

Из какой трубы объем воды будет выходить больше за секунду времени? Разумеется с той, которая толще в диаметре, потому что площадь поперечного сечения S2 большой трубы больше, чем площадь поперечного сечения S1 малой трубы. Следовательно, сила потока через большую трубу будет больше, чем через малую, так как объем воды, который протекает через поперечное сечение трубы S2, будет  в два раза больше, чем через тонкую трубу.

 

Так... теперь давайте все что мы тут пописали про водичку, применим в электронике. Проводки - это шланги или трубы, в зависимости от размера. Тонкий проводок - это тонкий в диаметре шланг, толстый проводок - это толстый в диаметре шланг, можно сказать - труба. Молекулы воды - это электроны. Следовательно, толстый проводок при одинаковом напряжении можно протащить больше электронов, чем тонкий. И еще, в какой трубе сила потока электронов будет больше? Разумеется, через толстый проводок, так как количество электронов через поперечное сечение проводка за единицу времени будет проходить больше, чем в тонком проводке ;-) А количество электронов, которое проходит через поперечное сечение проводника за какой-то промежуток времени, называется силой тока. Я ведь говорил, что гидравлика и электроника очень взаимосвязаны ;-).

 

 

Не забываем, что электроны обладают зарядом, поэтому официальная терминология силы тока звучит так: сила тока  - это физическая величина, равная отношению количества заряда прошедшего через поверхность (читаем как через площадь поперечного сечения) за какое-то время. Измеряется как Кулон/секунда. Чтобы сэкономить время и по другим морально-эстетическим нормам, Кулон/секунду договорились называть Ампером, в честь французского ученого-физика.

 

И что я вообще тут разглагольствую?

Давайте еще раз глянем на шланг с водой и зададим себе вопросы. От чего зависит поток воды? Первое, что приходит в голову - это давление. Почему молекулы воды движутся в рисунке ниже слева-направо? Потому, что давление слева, больше чем справа. Чем больше давление, тем быстрее побежит водичка по шлангу - это элементарно.

 

Теперь такой вопрос: как можно увеличить количество электронов через площадь поперечного сечения? Первое, что приходит на ум - это увеличить давление. В этом случае скорость потока воды увеличится,  но ее много не увеличишь, так как шланг порвется как грелка в пасти Тузика. Второе - это поставить шланг большим диаметром. В этом случае у нас количество молекул воды через поперечное сечение будет проходить больше, чем в тонком шланге:

 

Все те же самые умозаключения можно применить и к обыкновенному проводочку. Чем он больше в диаметре, тем больше он сможет протащить через себя силу тока. Чем меньше в диаметре, то желательно меньше его нагружать, иначе его "порвет", то есть он тупо сгорит. Именно этот принцип заложен в плавких предохранителях. Внутри такого предохранителя тонкий проводок. Его толщина зависит  от того, на какую силу тока он рассчитан

 

Как только сила тока через проводок превысит силу тока, на которую рассчитан предохранитель, то плавкий проводок перегорает и размыкает цепь. Через перегоревший предохранитель ток уже течь не может, так как проводок в обрыве

 

 

Давайте подведем итоги.

Электрический ток в основном характеризуется такими параметрами, как напряжение и сила тока. Проводочки служат именно теми самыми "трубами и шлангами" для того, чтобы передавать электрический ток на расстояния. Проводочки выбираются в зависимости от того, какая сила тока будет течь через них.

Например, вот такие медные "проводочки" используются для передачи бешенной силы тока на заводах, крупных фабриках, электросетях и тд. Называют их медными шинами.

На последней картинке можно увидеть предохранитель, который соединяет шины. Его номинал 500 Ампер. Можно сказать, что через сечение такой медной шины за 1 секунду может пробежать очень большой заряд, а точнее 500 Кулон.

 

А что было бы, если мы туда поставили какой-нибудь медный тонкий проводочек? Я думаю, произошло бы что-то типа этого

 

 

 

 

Резюме

Электрический ток - это движение в одном направлении свободных электронов.

 

Свободные электроны у нас имеются в проводках, которые в основном сделаны из меди и алюминия.

 

Электрический ток характеризуется двумя параметрами: напряжением и силой тока.

 

Для того, чтобы в проводке возник электрический ток, надо чтобы в одном конце проводка было избыточное давление, а в другом  - недостаточное.

 

Ток течет от плюса к минусу (хотя электроны бегут от минуса к плюсу)

 

Сила тока через проводок - это количество заряда, которое проходит через площадь "кружочка" (сечение проводка поперек) за одну секунду. Выражается в Амперах (Кулон/ Вольт).

 

Проводки, через которые будет проходить большая сила тока, делают толще, иначе тонкие провода нагреются и расплавятся, причинив вред окружающим предметам.