В Советском Союзе, который достиг очень серьезных успехов в развитии науки и техники, широкий размах получило радиолюбительское движение. В радиокружках и радиоклубах, располагающих специальной технической литературой, приборами и инструментами, под руководством инструкторов изучали радиотехнику многие тысячи молодых граждан. Многие из них в будущем стали квалифицированными инженерами, конструкторами, учёными.
Для таких радиокружков выпускалась научно-популярная литература, в которой простым языком с большим количеством иллюстраций очень качественно и подробно объяснялись различные вопросы физики, механики, электротехники и электроники.
Одним из примеров таких книг является книга Чеслова Климчевского "Азбука радиолюбителя", выпущенная в издательстве "Связьиздат" в 1962-м году. Первый раздел книги называется "Электротехника, второй раздел "Радиотехника", третитй - "Практические советы", четвертый раздел - "Монтируем сами".
Саму книгу можно скачать здесь: Азбука радиолюбителя (divu)
Такого типа книги в 60-х годах не относились к узкоспециализированной литературе. Они выпускались тиражами в десятки тысяч экземпляров и были рассчитаны на массового читателя.
Раз радио столь всесторонне применялось в повседневной жизни людей, то в то время считалось, что нельзя ограничиваться одним только умением вращать ручки приёмника. И любой образованный человек должен изучить радио так, чтобы понимать, как осуществляются радиопередача и радиоприём, ознакомиться с основными электрическими и магнитными явлениями, представляющими собой ключ к теории радиотехники. Нужно также, хотя бы в общих чертах, ознакомиться с системами и конструкциями приёмных устройств.
Давайте посмотрим вместе и оценим, как в то время умели объяснять сложные вещи простыми картинками.
Начинающий радиолюбитель нашего времени:
Об электрическом токе
Все вещества в мире и, следовательно, все окружающие нас предметы, горы, моря, воздух, растения, животные, люди состоят из неизмеримо малых частиц, молекул, а последние в свою очередь — из атомов. Кусок железа, капля воды, ничтожно малое количество кислорода представляют собой скопление миллиардов атомов, одного рода в железе, иного — в воде или в кислороде.
Если смотреть на лес издали, то он кажется тёмной полосой, представляющей собой одно целое (сравним его, например, с куском железа). Когда подходят к краю леса, видны отдельные деревья (в куске железа — атомы железа). Лес состоит из деревьев; подобно этому вещество (например, железо) состоит из атомов.
В хвойном лесу деревья иные, чем в лиственном; равным образом молекулы какого-либо одного химического элемента состоят из иных атомов, чем молекулы других химических элементов. Итак, атомы железа иные, чем, например, атомы кислорода.
Подойдя еще ближе к деревьям, мы видим, что каждое из них состоит из ствола и листьев. Подобно этому и атомы вещества состоят из так называемого ядра (ствола) и электронов (листьев).
Ствол тяжелый, и ядро тяжелое; оно составляет положительный электрический заряд (+) атома. Листья легкие, и электроны легкие; они образуют отрицательный электрический заряд (—) атома.
У разных деревьев стволы имеют неодинаковое количество ветвей, и количество листьев у них неодинаковое. Равным образом и атом в зависимости от химического элемента, который он представляет, состоит (в простейшем его виде) из ядра (ствола) с несколькими положительными зарядами — так называемыми протонами (ветвями) и некоторого количества отрицательных зарядов — электронов (листьев).
В лесу, на земле между деревьями, скапливается много опавших листьев. Ветер поднимает с земли эти листья, и они кружатся между деревьями. Так и в веществе (например, металле) среди отдельных атомов находится некоторое количество свободных электронов, не принадлежащих ни одному из атомов; эти электроны беспорядочно движутся среди атомов.
Если к концам куска металла (например, стального крюка) присоединить провода, идущие от электрической батарейки: один его конец соединить с плюсом батарейки — подвести к нему так называемый положительный электрический потенциал (+), а другой конец с минусом батарейки — подвести отрицательный электрический потенциал (—), то свободные электроны (отрицательные заряды) начнут продвигаться между атомами внутри металла, устремляясь к плюсу батарейки.
Это объясняется следующим свойством электрических зарядов: разноимённые заряды, т. е. положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу; одноимённые заряды, т. е. положительные заряды или отрицательные заряды, наоборот, отталкиваются друг от друга.
Свободные электроны (отрицательные заряды) в металле притягиваются к положительно заряженному (+) выводу батарейки (источника тока) и поэтому движутся внутри металла уже не хаотически, а по направлению к плюсу источника тока.
Как нам уже известно, электрон представляет собой электрический заряд. Большое количество электронов, движущихся внутри металла в одном направлении, составляет поток электронов, т. е. электрических зарядов. Эти перемещающиеся внутри металла электрические заряды (электроны) образуют электрический ток.
Как уже говорилось, электроны движутся в проводах от минуса к плюсу. Однако условились считать, что ток течёт в обратном направлении: от плюса к минусу, т. е. как бы по проводам перемещаются не отрицательные, а положительные заряды (такие положительные заряды притягивались бы к минусу источника тока).
Чем больше листьев в лесу гонит ветер, тем гуще они заполняют воздух; подобно этому, чем большее количество зарядов протекает в металле, тем больше величина электрического тока.
Не во всяком веществе электрический ток может протекать с одинаковой лёгкостью. Свободные электроны легко перемещаются, например, в металлах.
Материалы, в которых электрические заряды движутся легко, называют проводниками электрического тока. В некоторых же материалах, называемых изоляторами, свободных электронов нет, и поэтому электрический ток через изоляторы не протекает. К изоляторам принадлежат, в числе других материалов, стекло, фарфор, слюда, пластмассы.
Свободные электроны, которые имеются в веществе, проводящем электрический ток, можно также сравнить с каплями воды.
Отдельные капли, находящиеся в состоянии покоя, не создают водного потока. Большое количество их в движении образует ручей или реку, текущую в одном направлении. Капли воды в этом ручье или реке движутся потоком, сила которого тем больше, чем больше разность уровней русла на его пути и, следовательно, чем больше разность «потенциалов» (высоты) отдельных отрезков этого пути.
Величина электрического тока
Чтобы помочь понять явления, вызываемые электрическим током, сравним его с потоком воды. В ручьях протекают незначительные количества воды, в реках — большие ее массы.
Положим, что величина водного потока в ручье равна 1; величину потока в речке примем, например, за 10. Наконец, у мощной реки величина водного потока равна, скажем, 100, т. е. в сто раз больше величины потока в ручье.
Слабый водный поток может приводить в движение колесо лишь одной мельницы. Величину этого потока примем равной 1.
Вдвое больший водный поток может приводить в действие две такие мельницы. Величина водного потока при этом равна 2.
Впятеро больший водный поток может приводить в действие пять таких же мельниц; величина водного потока равна теперь 5. Течение водного потока в реке можно наблюдать; электрический же ток протекает по проводам невидимо для наших глаз.
На следующем рисунке изображён один электродвигатель (электромотор), приводимый в действие электрическим током. Примем в этом случае величину электрического тока равной 1.
Когда электрический ток приводит в действие два таких электродвигателя, то величина тока, протекающего по главному проводу, будет в два раза больше, т. е. равна 2. И, наконец, когда электрический ток питает пять таких же электродвигателей, то по главному проводу течёт ток в пять раз больше, чем в первом случае; следовательно, величина его равна 5.
Практической единицей измерения величины потока воды или какой-либо другой жидкости (т. е. её количества, протекающего в единицу времени, например в секунду, через поперечное сечение русла реки, трубы и т. п.) является литр в секунду.
Для измерения величины электрического тока, т. е. количества зарядов, протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени, в качестве практической единицы принят ампер. Таким образом, величина электрического тока определяется в амперах. Сокращённо ампер обозначается буквой а.
Источником электрического тока может быть, например, гальваническая батарея или электрический аккумулятор.
От размеров батареи или аккумулятора зависит величина электрического тока, который они могут отдать, и продолжительность их действия.
Для измерения величины электрического тока в электротехнике пользуются специальными приборами, амперметрами (А). Через различные электрические устройства протекают различные количества электрического тока.
Электрическое напряжение
Вторая электрическая величина, тесно связанная с величиной тока, это напряжение. Чтобы легче было понять, что такое напряжение электрического тока, сравним его с разностью уровней русла (перепадом воды в реке) подобно тому, как электрический ток мы сравнивали с водным потоком. При небольшой разности уровней русла перепад примем равным 1.
Если разность уровней русла более значительна, то перепад воды соответственно больше. Положим, например, что он равен 10, т. е. в десять раз больше, чем в первом случае. Наконец, при ещё большей разности уровней перепада воды равен, скажем, 100.
Если поток воды падает с незначительной высоты, то он может привести в действие только одну мельницу. При этом перепад воды примем равным 1.
Тот же поток, падая с высоты, вдвое большей, может вращать колёса двух таких же мельниц. Перепад воды при этом равен 2.
Если разность уровней русла в пять раз больше, то тот же поток приводит в движение пять таких мельниц. Перепад воды равен 5.
Подобные же явления наблюдаются при рассмотрении электрического напряжения. Достаточно термин «перепад воды» заменить термином «электрическое напряжение», чтобы понять, какое значение оно имеет в следующих примерах.
Пусть горит только одна лампочка. Положим, что к ней приложено напряжение, равное 2.
Для того чтобы горело пять таких лампочек, соединённых между собой подобным же образом, напряжение должно быть равно 10.
Когда горят две такие же лампочки, последовательно соединённые между собой (как соединяют обычно лампочки в гирляндах для новогодних ёлок), то напряжение равно 4.
Во всех рассмотренных случаях через каждую лампочку протекает одинаковый по величине электрический ток и к каждой из них приложено одинаковое напряжение, составляющее часть общего напряжения (напряжения аккумулятора), которое в каждом отдельном примере различно.
Пусть речка впадает в озеро. Уровень воды в озере условно примем за нулевой. Тогда уровень русла речки около второго дерева по отношению к уровню воды в озере равен 1 м, а уровень русла около третьего дерева составит 2 м. Уровень русла около третьего дерева на 1 м выше его уровня около второго дерева, т. е. разность уровней русла между этими деревьями равняется 1 м.
Разность уровней русла измеряют единицами длины, например как мы и делали, метрами. В электротехнике уровню русла речки в какой-либо его точке по отношению к некоторому нулевому уровню (в нашем примере уровню воды в озере) соответствует электрический потенциал.
Разность электрических потенциалов называется напряжением. Электрический потенциал и напряжение измеряют одной и той же единицей — вольт, сокращённо обозначаемой буквой в. Таким образом, единицей измерения электрического напряжения является вольт.
Для измерения электрического напряжения служат специальные измерительные приборы, называемые вольтметрами (V).
Широко известен такой источник электрического тока, как аккумулятор. Один элемент так называемого свинцового аккумулятора (в котором свинцовые пластины погружены в водный раствор серной кислоты) в заряженном состоянии имеет напряжение примерно 2 в.
Анодная батарея, которую используют для питания батарейных радиоприёмников электрическим током, обычно состоит из нескольких десятков сухих гальванических элементов, каждый напряжением примерно 1,5 в.
Эти элементы соединены последовательно (т. е. плюс первого элемента соединён с минусом второго, плюс второго — с минусом третьего и т. д.). При этом общее напряжение батареи равно сумме напряжений элементов, из которых она составлена.
Следовательно, батарея напряжением 150 в содержит 100 таких элементов, последовательно соединённых между собой.
В розетку осветительной сети напряжением 220 в можно включить одну лампочку накаливания, рассчитанную на напряжение 220 в, или же 22 последовательно соединённые одинаковые ёлочные лампочки, каждая из которых рассчитана на напряжение 10 в. В этом случае на каждую лампочку придётся лишь 1/22 часть напряжения сети, т. е. 10 в.
Напряжение, действующее на том или ином электрическом приборе, в нашем случае на лампочке, называют падением напряжения. Если лампочка на 220 в потребляет такой же по величине ток, что и лампочка на 10 в, то общий ток, потребляемый от сети гирляндой, будет таким же по величине, как и ток, текущий через лампочку на 220 в.
Из сказанного ясно, что в сеть напряжением 220 в можно включить, например, две одинаковые лампочки на 110 в каждая, последовательно соединённые между собой.
Накаливать радиолампы, рассчитанные на напряжение 6,3 в, можно, например, от аккумулятора, состоящего из трёх последовательно соединённых элементов; лампы же, которые рассчитаны на напряжение накала 2 в, можно питать от одного элемента.
Напряжение накала радиоламп указывается округлённо в начале условного обозначения лампы: 1,2 в — цифрой 1; 4,4 в — цифрой 4; 6,3 в — цифрой 6; 5 в — цифрой 5.
О причине, вызывающей электрический ток
Если какие-либо две местности на поверхности земли, даже далеко отстоящие одна от другой, лежат на разных уровнях, то может возникнуть водный поток. Вода потечёт от высшей точки к низшей.
Так и электрический ток. Он может протекать только в том случае, если существует разность электрических уровней (потенциалов). На метеорологической карте высший барометрический уровень (высокое давление) обозначен знаком « + », а низший уровень — знаком «—».
Выравнивание уровней будет происходить в направлении стрелки. Ветер будет дуть в направлении местности с низшим барометрическим уровнем. К тому моменту, когда давление выровняется, кончится движение воздуха. Так и протекание электрического тока прекратится, если электрические потенциалы выравняются.
Во время грозы происходит выравнивание электрических потенциалов между тучами и землёй или между тучами. Оно проявляется в виде молнии.
Между выводами (полюсами) каждого гальванического элемента или аккумулятора также имеется разность потенциалов. Поэтому, если присоединить к нему, например, лампочку, то через неё потечёт ток. Со временем разность потенциалов уменьшается (происходит выравнивание потенциалов), и величина протекающего тока также падает.
Если включить в электросеть осветительную лампочку, то через неё тоже потечёт электрический ток, так как между гнёздами розетки существует разность потенциалов. Однако в отличие от гальванического элемента или аккумулятора эта разность потенциалов постоянно поддерживается, — до тех пор, пока работает электростанция.
Электрическая мощность
Между электрическим напряжением и величиной тока существует тесная связь. От величин напряжения и тока зависит величина электрической мощности. Поясним это следующими примерами.
С небольшой высоты падает вишня: Небольшая высота — небольшое напряжение. Небольшая сила удара — небольшая электрическая мощность.
С небольшой высоты (по отношению к месту, куда забрался мальчик) падает кокосовый орех: Большой предмет — большой ток. Небольшая высота — небольшое напряжение. Сравнительно большая сила удара — относительно большая мощность.
С большой высоты падает маленький горшочек с цветком: Небольшой предмет — небольшой ток. Большая высота падения — большое напряжение. Большая сила удара — большая мощность.
С большой высоты обрушивается снежная лавина: Большие массы снега — большой ток. Большая высота падения — большое напряжение. Большая разрушительная сила снежной лавины — большая электрическая мощность.
При токе большой величины и большом напряжении получается большая электрическая мощность. Но такую же мощность можно получить при большей величине тока и соответственно меньшем напряжении или, наоборот, при меньшей величине тока и большем напряжении.
Электрическая мощность постоянного тока равна произведению величин напряжения и тока. Электрическую мощность выражают в ваттах и обозначают буквами вт.
Уже говорилось о том, что водный поток определённой величины может привести в действие одну мельницу, вдвое больший поток — две мельницы, в четыре раза больший поток — четыре мельницы и т. д., несмотря на то, что перепад воды (напряжение) будет одним и тем же.
На рисунке показан небольшой водный поток (соответсвующий электрическому току), вращающий колёса четырёх мельниц благодаря тому, что перепад воды (соответствующий электрическому напряжению) достаточно велик.
Для вращения колёс этих четырёх мельниц можно было бы использовать вдвое больший поток воды при высоте падения, уменьшенной наполовину. Тогда мельницы были бы устроены несколько иначе, но результат получился бы такой же.
На следующем рисунке показаны две лампы, включённые параллельно в осветительную сеть напряжением 110 в. Через каждую из них протекает ток величиной 1 а. Проходящий через обе лампы ток составляет в сумме 2 а.
Произведение величин напряжения и тока определяет мощность, которую эти лампы потребляют от сети.
110 в х 2а = 220 вт.
Если напряжение осветительной сети равно 220 в, те же лампы следует включить последовательно, а не параллельно (как это было в предыдущем примере), чтобы сумма падений напряжений на них равнялась напряжению сети. Протекающий в этом случае через обе лампы ток равен 1 а.
Произведение величин напряжения и тока, текущего в цепи, даст нам мощность, потребляемую этими лампами 220 в х 1а=220 вт, т. е. ту же, что и в первом случае. Это и понятно, так как во втором случае ток, отбираемый от сети, меньше в два раза, но зато в два раза больше напряжение в сети.
Ватт, киловатт, киловатт-час
Каждый электрический прибор или машина (звонок, осветительная лампа, электродвигатель и т. д.) потребляет от осветительной сети определённую электрическую мощность.
Для измерения электрической мощности применяют специальные приборы, называемые ваттметрами.
Мощность, например, осветительной лампы, электродвигателя и т. д. можно определить и без помощи ваттметра, если известны напряжение сети и величина тока, который протекает через включённый в сеть потребитель электрической энергии.
Равным образом, если известны потребляемая от сети мощность и напряжение сети, то может быть определена величина тока, протекающего через потребитель.
Например, в осветительную сеть напряжением 110 в включена 50-ваттная лампа. Какой ток протекает через неё?
Так как произведение напряжения, выраженного в вольтах, и тока, выраженного в амперах, равно мощности, выраженной в ваттах (для постоянного тока), то, проделав обратный расчёт, т. е. разделив число ватт на число вольт (напряжение сети), получим величину тока в амперах, протекающего через лампу,
а = вт/в,
т. е. ток равен 50 вт / 110 в = 0,45 а (приблизительно).
Таким образом, через лампу, которая потребляет мощность 50 вт и включена в электрическую сеть напряжением 110 в, протекает ток величиной около 0,45 а.
Если в осветительную сеть комнаты включены люстра с четырьмя 50-ваттными лампочками, настольная лампа с одной 100-ваттной лампочкой и утюг мощностью 300 вт, то мощность всех потребителей энергии составляет в сумме 50 вт х 4+100 вт + 300 вт = 600 вт.
Так как напряжение сети равно 220 в, то по общим осветительным проводам, подходящим к этой комнате, протекает электрический ток, равный 600 вт / 220 в = 2,7 а (приблизительно).
Пусть электродвигатель потребляет от сети мощность 5000 ватт или, как говорят, 5 киловатт.
1000 ватт = 1 киловатт подобно тому, как 1000 грамм = 1 килограмм. Киловатт сокращённо обозначают буквами квт. Поэтому об электродвигателе и можно сказать, что он потребляет мощность 5 квт.
Чтобы определить, какое количество энергии потребил какой-либо электрический прибор, необходимо принять во внимание продолжительность времени, в течение которого эта энергия потреблялась.
Если осветительная лампа мощностью 10 вт горит в течение двух часов, то расход электрической энергии составляет 100 ватт х 2 часа = 200 ватт-часов, или 0,2 киловатт-часа. Если осветительная лампа мощностью 100 вт горит в течение 10 часов, то количество израсходованной энергии равно 100 ватт х 10 часов = 1000 ватт-часов, или 1 киловатт-час. Киловатт-час обозначают сокращённо буквами квт-ч.
В этой книге ещё масса интересного, но даже эти примеры показывают, насколько ответственно и с душой подходили к своей работе авторы того времени, особенно в случае обучения детей.