Электроника на пальцах / Хабр
ralievВремя на прочтение 3 мин
Количество просмотров 4.1K Пытался объяснить дочке. Сегодня ехал с работы и придумал, как объяснить доходчиво.Электрический ток течет по проводам так же, как вода — по трубам. Если в кране воду закрыть, она давит на клапан — в электрическом мире это — «напряжение». В данном случае раковина — это как бы «земля» в электрическом мире. Если же представлять себе двухполярную систему, с минусом и плюсом, то тогда это труба, перекрытая посередине перегородкой, а давление нарастает не только с одной стороны, но и падает с другой. Перегородка в какой-то момент не выдерживает — это электрический «пробой». Источник напряжения — это что-то, создающее давление.
Ток — это в нашей аналогии скорость движения воды в трубе. Чем быстрее движется вода, тем больше ток. Если кран перекрыт — вода не движется, вне зависимости от того, какое «на входе» будет давление (=напряжение).
Аналогом сопротивления может быть ржавчина внутри трубы. Короче, это что-то такое, что мешает воде нормально перемещаться. Этого может быть очень много и тогда труба превращается в диэлектрик. Диэлектрики бывают разные — какие-то пропускают ток плохо, какие-то очень плохо. Кстати, оффтопик: обычная дистиллированная вода — диэлектрик.
Понять, как проводят ток два параллельно или последовательно соединенных сопротивления можно, представив вот такие засоренные трубы, поставленные параллельно или последовательно. Представим себе одну сильно засоренную трубу и одну пустую.
Куда пойдет вода? В основном по пустой. И ток так же. А если их соединить последовательно? вода все равно не сможет пройти с большей скоростью через пустую трубу, так как там дальше мешает засоренная. Мы помним, что ток — это тут скорость воды.
Также можно вспомнить, как устроена лампочка? Это просто очень плохо проводящий тонкий проводник. Фактически, очень тонкая засоренная труба в нашей аналогии. Когда по такому идет очень мощный водный поток, он нагревает трубу. В лампочке нагрев происходит такой, что нить светится. Энергия тока превращается в тепло. Но что происходит с током на «выходе»? В аналогии с водой падает скорость, да, и ток в цепи тоже падает. Здесь появляется понятие мощности. Чем мощнее источник тока (в аналогии с водой накачивающий мотор), тем меньше будет потеря скорости (тока). Вспомним гирлянду — там много-много маленьких лампочек и часто никакого преобразователя тока нет, сразу в розетку суется. Каждую отдельную лампочку просто разорвет от 220 вольт, потому что мощность будет такова, что ток разогреет ее нить в доли секунды до температуры выше температуры плавления.
Что такое диоды? Это клапаны, открывающиеся только в одну сторону. Если вода идет только в одну сторону, то прямо поставленный диод пропускает ток-воду, а обратно — блокирует. Клапан в данном случае китайский выходит — все-таки чуть-чуть пропускает.
Что такое переменный ток? Для постоянного тока «батарея» толкает на плюсе воду, а на минусе всасывает, в итоге ток может идти по цепи в понятном направлении. Переменный ток — это когда плюс и минус меняются местами. В розетке они меняются туда-сюда 50 раз в секунду.
Минус в аналогии в том, что в отличии от воды в трубах, с током нет перемещения вещества. Никакие молекулы там никуда не движутся. Передается информация — заряд.
- электроника
- Чулан
О природе электрического тока и основах электротехники / Хабр
В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.
1. Что такое электрический ток.
«Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам» (с)
1.1 Пара общих слов по физике вопроса
Электрический ток — это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и немножко ионы. Ионы — это атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую нейтральность, приобрели электрический заряд. Так-то атом электрически нейтрален — заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки.
Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике и жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.
1.2 Создание электрического тока.
Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов.
Бывают два типа генераторов — генератор напряжения и генератор тока.
Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание! См. рисунок ниже
На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней — генератор тока. Насос -генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток. Верхняя цепь разомкнута, и нижняя — замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения. Представим следующую цепь
В терминах водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий постоянное давление, выключатель SW1 — это клапан, открывающий\перекрывающий трубу, сопротивление R1 — это кран\вентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть — сопротивление увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше — сопротивление уменьшится, поток воды увеличится.
Рассмотрим теперь цепь с генератором тока.
рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2
Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран). Открыт кран полностью — ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран полностью — ток все равно будет равен I! Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности.
Опять таки в модели.
Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники — Закон Ома.
( «С красной строки. Подчеркни» (с))
2. Закон Ома.
Сначала c точки зрения генератора напряжения
Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R
Теперь с точки зрения генератора тока
Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R
Вот как-то надо этот момент осознать.
Эти две формулировки совершенно равноправны и применение их зависит только от того, какой генератор рассматривается.
Можно конечно еще записать R=U/I.
Что-то вроде — если к участку цепи приложено напряжение U, и при этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R.
Дальше по хорошему надо рассматривать варианты цепей с параллельным или последовательным включением резисторов, но неохота.
Это чисто технические моменты.
Что-то вроде
Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I. Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2?
Используйте закон Ома и все!
Эта цепь кстати с генератором тока, поскольку входная переменная здесь ток. Ну то есть самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается постоянным и равным I. Поэтому как бы этот ток гонит генератор тока.
Еще — говорят «падение напряжения на резисторе», потому что «производит» напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.
Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.
1. Самая важная схема.
Самая важная схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело постоянно на протяжении всей жизни — это делитель напряжения.
( «С красной строки. Подчеркни» (с))
3. Делитель напряжения
Схема имеет вид.
Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.
Кстати, резистором называется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) часто называют сопротивлением. Получается немного тавтология — сопротивление имеет сопротивление R. Поэтому для деталей лучше использовать название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, например.
Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы.
Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).
Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.
Второй важный случай — учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)
рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.
Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать.
То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.
Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!
В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.
Действительно ли электричество представляет собой поток электронов или это нечто большее?
Инженер-электрик здесь.
Спасибо за вопрос, который так дорог мне и так важен для нашего понимания Вселенной.
Как только вы преодолеете семантику, которая рассматривается в других вопросах, кажется, что суть вашего вопроса заключается в том, что происходит, когда течет ток, и является ли это чем-то большим, чем простая аналогия текущей воды?
Основную часть этого понимания составляют законы, которые вывел Фарадей, а Максвелл создал формулы. Уравнения Максвелла сложны даже для меня, я тоже обычно не использую такие первые принципы; но если вы хотите потратить некоторое время на изучение исчисления и тензоров, вы тоже можете перейти к этим основным принципам.
Я рекомендую рассмотреть реальный пример, такой как поток электронов через медную проволоку. Медная проволока состоит из решетки (своего рода кристалла) ионов меди. Поскольку в его оболочке отсутствуют некоторые атомы, в этой решетке, подобно газу, движутся свободные электроны. Если вы изучите таблицы проводников, вы заметите, что некоторые металлы, которые являются хорошими проводниками электричества, также хорошо проводят тепло по той же причине — тепло также является вибрацией электронов и зависит от того, легко ли передают тепло свободные электроны.
Есть конечно исключения, например теплопроводная паста. [https://www.thoughtco.com/examples-of-conductors-and-insulators-608318]
Обычно свободные электроны движутся в металле беспорядочно; но когда вы подвергаете его электрическому потенциалу, электроны движутся более организованным образом от отрицательного потенциала к положительному. Электроны имеют отрицательный заряд. Они притягиваются к положительному концу батареи. Свободные электроны движутся через медь, перетекая от отрицательной к положительной клемме батареи
Обратите внимание, что они текут в направлении, противоположном обычному току; это потому, что они имеют отрицательный заряд. В большинстве курсов по электрике используется ток, протекающий от положительного к отрицательному, что называется дырочным потоком, это просто противоположный пример, потому что традиционно считалось, что ток течет от положительного к отрицательному. Я упоминаю об этом, потому что на многих веб-страницах и в учебниках говорится, что ток течет от положительного к отрицательному; это правда; если вы вместо того, чтобы смотреть на движение электронов, будете смотреть на движение дырок, которые покидают электроны.
Использование слова «электрический ток» означает просто сказать, что электрический заряд движется по проводам из-за действия потенциала, скажем, батареи на проводе. Ток — это скорость, с которой заряд проходит через точку цепи. Ток в цепи можно определить, если измерить количество заряда Q, прошедшего через поперечное сечение провода за время t. Ток — это просто соотношение количества заряда и времени. Ток = I = Q/t, где I — ток в амперах, Q — заряд, t — время. Q, заряд измеряется в кулонах. 1 ампер = 1 кулон/1 секунда. Это группа электронов, скажем, 1 колб проходит точку на медной проволоке за 1 секунду, тогда у вас есть один ампер тока.
Путь типичного электрона по проводу можно описать как довольно хаотичный, зигзагообразный путь, характеризующийся столкновениями с неподвижными атомами. Каждое столкновение приводит к изменению направления движения электрона. Из-за столкновений с атомами в сплошной сети металлического проводника на каждые три шага вперед приходится два шага назад.
Общий эффект бесчисленных столкновений заключается в том, что общая скорость дрейфа электрона в цепи становится аномально низкой. Типичная скорость дрейфа может составлять 1 метр в час при наличии потенциала!
Когда вы прикладываете электрический потенциал к двум концам цепи, электрон продолжает двигаться вперед. Прогресс всегда идет к положительному терминалу. по всей длине цепи одновременно движется много-много носителей заряда. Ток — это скорость, с которой заряд пересекает точку на цепи. Большой ток возникает в результате прохождения нескольких кулонов заряда по поперечному сечению провода в цепи. Если заряд плотно уложен в провод, то не обязательно иметь большую скорость, чтобы был большой ток. Вместо этого их просто должно быть много, проходящих через поперечное сечение.
Вы можете подумать, что по этой причине электрический ток медленный, но, как вы знаете, он быстрый, очень быстрый. На самом деле он движется почти со скоростью света, и это доказывается уравнениями Максвелла, да, природа того, о чем вы спрашиваете, описывается его четырьмя уравнениями.
Когда вы щелкаете переключателем, он вызывает немедленную реакцию во всех частях цепи, приводя носители заряда в движение в одном и том же направлении. При этом реальное движение носителей заряда происходит с малой скоростью, сигнал, информирующий их о начале движения. Электроны, которые зажигают лампочку, не должны сначала пройти от выключателя по всей длине провода к нити накала. Скорее, электроны, которые зажигают лампочку сразу после включения выключателя, — это электроны, присутствующие в самой нити накала. Когда электроны покидают нить, в нее входят новые электроны. Электроны движутся вместе так же, как вода в трубах, когда труба уже заполнена водой. Вода, которая течет из крана первой, это та вода, которая была возле сопла.
Теперь вы спросите, не больше ли это? Ну да, это так. Электромагнетизм нельзя разделить, электричество — это магнетизм, а магнетизм — это электричество. Все, что существует, все, с чем вы взаимодействуете, все, что вы видите, все радиоволны, рентгеновские лучи, энергия далеких звезд, все это электромагнитные волны и управляются наблюдениями и уравнениями Фарадея и Максвелла соответственно.
То, что вы спрашиваете, касается очень фундаментального вопроса о материи, энергии и существовании. Я бы сказал, что ваш простой вопрос вовсе не прост, он затрагивает суть фундаментальных сил природы.
электромагнетизм — Зачем электричеству нужны провода, чтобы течь?
спросил
Изменено 3 года, 4 месяца назад
Просмотрено 5к раз
$\begingroup$Если вы уроните очень тяжелый мяч, потенциальная гравитационная энергия мяча превратится в кинетическую энергию.
Если вы поместите тот же мяч в бассейн, он все равно упадет. Много кинетической энергии превратится в тепловую энергию из-за трения, но гравитационная потенциальная энергия все равно будет преобразована.
Точно так же, почему электричество не течет без хорошего проводника? Почему электроны не потекут от отрицательной клеммы к положительной, если к ним не прикрепится провод?
Электричество течет подобно волне, а металлы имеют свободные электроны в электронном облаке, которое позволяет волне распространяться или распространяться.
Но когда эти свободные электроны не могут распространять волну, почему электроны просто не «двигаются», как мяч? Почему электроны просто не «двигаются» по воздуху к положительному выводу?
Низкая скорость дрейфа означает, что электронам, скорее всего, потребуется много времени, чтобы распространить волну электричества, но они все равно должны туда добраться.
- электромагнетизм
- электричество
- электроны
- электрический ток
- проводники
Продолжая использовать аналогию с мячом, подумайте о мяче как об аналоге электрона. А что, если бы мяч был прикреплен пружиной к точке? Все равно упадет? Он может колебаться вокруг этой точки, но не сможет полностью избежать сдерживающего действия пружины. То же самое и со связанными электронами. Они более или менее связаны с атомом. Если гравитационное поле очень сильное, оно может сломать пружину и вырвать шарик из пружины.
6 В/м$ — такие сильные поля не могут быть созданы бытовыми напряжениями 100–250 В, доступными в большинстве стран), вы придется использовать провода из проводящего материала, в котором легко доступны свободные электроны, если вы хотите иметь электрическую проводимость при нормальном напряжении.
Если вы определяете «электричество» как носители заряда в движении (что я считаю разумным), то вам нужно свободных носителей заряда, поэтому вам нужна какая-то среда, из которой носители заряда могут потеряться.
Среда не обязательно должна быть металлической проволокой, это могут быть газы (как в случае дрейфовых камер), жидкости (скажем, ТПК с жидким аргоном или аккумуляторная батарея), плазма (надеюсь, очевидно) или твердые тела .
Атомы, из которых состоит обычный воздух, нелегко ионизируются, и они очень быстро возвращают свои электроны (из-за электростатической силы).
В металлах человеческие электроны находятся в «зоне проводимости» или около нее и могут довольно легко потеряться и не рекомбинировать эффективно. Электроны в зоне проводимости металла «свободны» в том смысле, что они могут легко перемещаться внутри проводника, но для их удаления из металла все же требуется энергия (что делает их «свободными» в более общем смысле). Эта энергия является «работой выхода», с которой вы сталкиваетесь при описании фотоэлектрического эффекта.
Потенциальный барьер, вероятно, является самой большой причиной непрохождения электричества через разомкнутую цепь.
Чтобы объяснить изоляторы в вашем примере, расширьте метафору, чтобы использовать в качестве среды холодную патоку, а не воду. Если вы готовы ждать достаточно долго, мяч все равно упадет, но это будет мучительно медленно, и вы не получите от этого ощутимой полезной работы.
$\endgroup$ 12 $\begingroup$ После обсуждения ответов dmckee и Daniel, вот мое резюме.
Электрический потенциал в твердом металле не везде равен 0. Это было бы, если бы электроны были локализованы точно там, где находятся ядра ионов, так что электрический потенциал от электронов и ядер точно компенсируется. Однако квантовая механика говорит, что у электронов есть волновая функция, которая «расплывается» (делокализованная). Электрический потенциал, который они создают, несколько шире, чем у ядер. Сумма обоих вкладов для одного атома может выглядеть следующим образом (это очень грубый и, вероятно, нереалистичный взгляд).
Между прочим, это позволяет металлам связываться друг с другом, а электроны создают потенциал для притяжения соседнего ядра.
Если вы суммируете эти потенциалы от многих из этих атомов, расположенных на равном расстоянии друг от друга, вы можете получить следующий потенциал.
Здесь изображен еще один пример такого потенциала.
Электроны ведут себя как волны в этом потенциале и будут отскакивать от каждой поверхности.
Поэтому они не так легко покидают металл: им пришлось бы преодолевать потенциальную стенку на поверхности металла. По этой причине электроны продолжают течь по металлическим проводам.
Обратите внимание, что если у вас есть избыток электронов, они будут отталкивать друг друга, пока не окажутся на поверхности металла, поэтому на поверхности проводников остается лишний заряд.
$\endgroup$ $\begingroup$ Когда вы спросите: «Почему электроны просто не «двигаются» как мячик? Почему электроны просто не «двигаются» по воздуху к положительному выводу». Я думаю, вы должны иметь в виду, что шар состоит из нейтральных атомов, которые сами состоят из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов. Электроны притягиваются к положительному полюсу, а протоны отталкиваются в равной степени. Поэтому мяч в целом не движется. Это отвечает на одну часть вашего вопроса. Тогда вы можете спросить, почему электроны сами по себе не движутся к положительному выводу? И ответ заключается в том, что они могут, если напряжение достаточно велико, чтобы преодолеть притяжение электронов к протонам, к которым они присоединены в шаре.
Хорошим примером этого является молния, а также статический разряд.
Электроны делают поток без провода. Именно это и происходит в электронно-лучевой трубке. Так почему же электроны не перетекают из одного проводника в другой через вакуум или воздух, если есть разность потенциалов? Для выхода электрона из металла требуется минимальная энергия в несколько эВ, известная как работа выхода. В электронно-лучевой трубке эта энергия минимизируется за счет выбора материала с низкой работой выхода и нагрева анода.
$\endgroup$ $\begingroup$Попробуйте найти зоны проводимости и валентные зоны. Теория объясняет с точки зрения энергий, почему течет электричество.
Это не шары, потому что электроны связаны потенциальными ямами, из которых они должны выбраться, чтобы течь.
$\endgroup$ 5 $\begingroup$ Ответы, опубликованные ЦРУ и dmckee, великолепны, и они правильно указывают, что учебники обычно размахивают руками о том, почему электроны не могут легко покинуть поверхность проводников, но я бы добавил, что электроны на самом деле могут двигаться по воздуху, даже если электрическое поле недостаточно сильное, чтобы ионизировать воздух и образовать плазму.
Любой, кто пробовал проводить количественные эксперименты по электростатике, знает это: поместите статический заряд на открытый проводник и посмотрите, как долго он останется там. Это зависит от материала, но обычно это не так долго, особенно во влажный день. Обычно вам нужно держать блок питания подключенным, если вы хотите поддерживать постоянный заряд.
Кроме того, если оставить батарею на полке достаточно долго, вы обнаружите, что она разряжена. Это похоже на то, что ионы дрейфуют, а не электроны, и движение происходит через внутреннюю изолирующую среду батареи, а не через воздух.
$\endgroup$ $\begingroup$ «Если вы определяете «электричество» как носители заряда в движении (что я считаю разумным), то вам нужно бесплатно носители заряда». Эта логика @dmckee кажется несколько ограничительной, поскольку она не применима без оговорок к переменному току, который, вероятно, является наиболее широко используемым видом электричества.
Вы можете использовать связанные заряды для переменного тока. Например, переменный ток может течь через конденсаторы. ОП спрашивает: «Почему электричество не течет без хорошего проводника?» Я бы сказал, что это происходит, например, в круглых диэлектрических волноводах, которые представляют собой просто диэлектрические стержни. Волоконная оптика является крайним примером таких явлений, и я не думаю, что можно оспаривать наличие «носителей заряда в движении» в волоконной оптике, хотя она и не обязана использовать свободные носители заряда 9.0003
$\endgroup$
Кратко: Электрический поток действительно легко происходит в катодных лучах в знаменитых электронных лампах, космические лучи хорошо текут в космическом пространстве, а ионы легко текут в ионных растворах. Так что провода не нужны. Проблема состоит в том, чтобы получить заряды в вашем пространстве или воздухе, поскольку электроны предпочитают оставаться внутри материала или металла, поскольку они притягиваются к положительным ионам решетки.
