Если вы когда-нибудь смотрели на некое электронное устройство и задавались вопросом "Как оно работает?" и "Могу ли я сделать это сам?" — или если ваш ребенок уже вырос из электронного конструктора "Знаток" и готов двигаться дальше, книга "Электроника для детей" — то, что вам нужно, особенно таким дождливым летом, как нынешнее. Если вы в детстве с упоением разбирали радиоприемник, а сейчас ваш сын спрашивает, как устроен компьютер, эта книга для вас. Отрывок, который мы публикуем сегодня, даст детям первое представление об электричестве и поможет собрать первое собственное устройство — охранную сигнализацию.
Прежде чем мы приступим к опытам с электричеством — немного физики. Как электричество заставляет лампочку гореть? Здесь действует сочетание четырех понятий. Это:
- Электроны
- Ток
- Напряжение
- Сопротивление
Что такое электрон
Все, что нас окружает, состоит из атомов — частиц настолько малых, что разглядеть их можно только с помощью особого типа микроскопа. Но сами атомы состоят из еще меньших частиц — протонов, нейтронов и электронов.
Протоны и нейтроны образуют ядро атома (его центр), а электроны вращаются вокруг этого ядра, как планеты вокруг Солнца. Протоны и электроны несут электрические заряды, протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный.
Именно поэтому электроны удерживаются в атоме: положительный и отрицательный заряды притягивают друг друга подобно разноименным полюсам магнитов.
Некоторые вещества обладают проводимостью: если воздействовать на них энергией (например, запасенной в батарейке), то электроны в них начинают перемещаться от атома к атому!
Напряжение заставляет электроны двигаться
Присоединив к лампочке батарейку, вы подали на нить лампочки напряжение. Это напряжение, измеряемое в вольтах (В или V), толкает электроны в одном направлении, заставляет их двигаться по нити. Чем оно выше, тем больше электронов будет передвигаться по нити.
Представьте себе нить в виде трубы, целиком заполненной шариками. Если с одного конца трубы втолкнуть шарик, с ее противоположного конца тут же без всякой задержки выпадет другой шарик.
Чем больше шариков вы будете заталкивать в один конец трубы, тем больше их будет выпадать из другого. Именно так ведут себя электроны в нити накаливания лампочки, когда на нее подается напряжение.
Электрический ток
Электрический ток — это течение потока электронов по нити лампочки. Вы могли слышать слово течение применительно к реке: "У этой реки сильное течение". Это значит, что по реке протекает много воды. Электрический ток подобен этому течению: если говорят "сильный ток", это значит, что по проволоке протекает много электронов.
Сила тока измеряется в амперах (А). При увеличении напряжения в цепи увеличивается и сила тока. Как вода течет по склону под действием силы тяготения, так ток течет от положительного вывода батарейки (+) к отрицательному (—). При этом сами электроны движутся в противоположном направлении — от отрицательного вывода к положительному. Однако применительно к току всегда говорят, что он течет от плюса к минусу.
Сопротивление уменьшает силу тока
Напряжение заставляет электроны двигаться и тем самым создавать электрический ток, а сопротивление препятствует этому току. Это подобно игре с садовым шлангом: если сжать его, сопротивление потоку воды увеличится и поток ослабнет, т. е. воды станет протекать меньше. Но если открыть кран еще больше, увеличится давление (это будет подобно повышению напряжения), и поток воды увеличится, даже если шланг останется сжатым в той же степени. Сопротивление в электричестве действует подобно сжатию шланга, а измеряется оно в омах (Ом или Ω).
Теперь я объясню вам, как электроны, ток, напряжение и сопротивление действуют вместе, заставляя светиться лампочку.
Зажигаем лампочку
Концы нити накаливания лампочки соединены с деталями ее цоколя: один — с боковой поверхностью его корпуса, другой — с центральным контактом. Когда вы присоединяете лампочку к батарейке, вы создаете то, что называется электрической цепью. Цепь — это путь, по которому ток может течь от плюса батарейки к минусу.
Создаваемое батарейкой напряжение заставляет электроны двигаться по цепи, частью которой является нить накаливания лампочки. Нить обладает сопротивлением, ограничивающим силу тока в цепи. Когда электроны преодолевают сопротивление нити, она становится такой горячей, что начинает светиться, т.е. испускать свет.
Чтобы батарейка могла заставить электроны двигаться, цепь между ее выводами не должна иметь разрывов, т. е. должна быть замкнутой.
Чтобы электричество могло работать, всегда необходимы замкнутые цепи. Достаточно разомкнуть цепь — создать в ней хоть один разрыв в каком-либо месте, и лампочка сразу погаснет! Давайте рассмотрим электрические цепи более подробно.
В чем электрическая цепь подобна системе труб
Давайте продолжим рассматривать электричество, сравнивая его с течением воды в трубах. Представьте себе систему труб в виде замкнутой петли с насосом, которая целиком заполнена водой. В одном месте эта система имеет сужение.
Насос играет роль батарейки, которая питает цепь энергией. Сужение в трубе уменьшает поток воды. Так же действует сопротивление в электрической цепи.
Теперь вообразите, что вы можете ввести в эту систему труб некое измерительное устройство, которое позволит определять количество воды, протекающей через него за одну секунду. Обратите внимание, что здесь я говорю лишь о том, сколько воды протекает через одно случайно выбранное место в трубе, а не об общем количестве воды в трубах. Точно так же мы будем говорить о силе тока в цепи: сила тока — это количество электронов, протекающих через определенную точку цепи в секунду.