Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
К ЮНОМУ ЧИТАТЕЛЮ
«Его величество» Электричество. О чем эта книга! И пища для ума, и дело для рук. Ваш рабочий уголок. Инструменты, материалы, детали. Несколько полезных советов. В путь!
В каждом доме, в каждой квартире на стене у входной двери или в специальной нише лестничной клетки укреплена небольшая черная коробочка со стеклянным оконцем. За стеклом вращается металлический диск. К коробочке подведены провода. -
Есть такая коробочка и в вашей квартире. Это — известный каждому электрический счетчик.
Когда электричество отключено и электрические приборы не работают, диск стоит на месте. Но едва включается в квартире хоть одна лампочка, он начинает вращаться
Вращение дисков в наших счетчиках из года в год убыстряется, потому что мы все больше расходуем электрической энергии. Когда-то она использовалась только для освещения. Потом появились электрические плитки и утюги. Затем к ним присоединились радиоприемники и вентиляторы, магнитофоны и телевизоры, стиральные машины и холодильники, электрические камины и кухонные комбайны... По мере того как улучшается и совершенствуется наш быт, все более широкое применение находит в наших квартирах электричество.
И не только в квартирах.
В народном хозяйстве страны используются миллионы электрических машин и приборов. Они установлены на станках, конвейерных линиях, буровых вышках, строительных кранах, электропоездах. Их можно видеть на оросительных сооружениях, молотильных токах, животноводческих фермах. Электричество плавит металл и печет хлеб, сваривает каркасы заводских цехов и закаливает сталь, доит коров и выводит в инкубаторах цыплят, начисляет заработную плату и помогает проводить научные исследования...
Оно вездесуще." Оно — наш могучий и добрый помощник и ДРУГ.
А друзей надо любить. Любить и знать.
Вот почему, кем бы вы ни мечтали стать по окончании школы — шахтером или учителем, летчиком или механизатором, космонавтом или строителем,— вам необходимо овладеть основами электротехники — отрасли науки и техники, связанной с получением и использованием электроэнергии.
Задача нашей книги — помочь вам сделать на этом пути первые шаги. Она так и называется: «Первые шаги в электротехнику». Страницы книги поведают вам о волшебном и загадочном мире электрических и магнитных явлений, дадут началь-
ные представления о том, что такое электрический ток, почему он возникает и как действует; они помогут вам узнать, как устроены и работают некоторые электрические машины и приборы — и те, с которыми вам уже приходилось встречаться дома или в школе, и иные, быть может, пока еще совсем незнакомые. И, конечно же, они поставят перед вами множество вопросов — разнообразных «как?», «зачем?» и «почему?», в поисках ответов на которые вам потребуется обращаться и к другим книгам, и к дальнейшему изучению школьных наук, и к мудрым советам старших товарищей и наставников.
Мы должны вас предупредить, что наша книга не из числа тех, что читаются лишь за письменным столом или в уютном мягком кресле. Вам то и дело придется откладывать ее в сторону, чтобы проделать описанные здесь опыты и проверить их результаты. Вам придется также вооружиться простейшими электромонтажными инструментами, ибо мы предполагаем, что по крайней мере некоторые из описанных в книге самоделок: игрушек, моделей, приборов и других полезных устройств — вы пожелаете изготовить. Поэтому вам следует подумать о своем рабочем уголке и его оборудовании.
Для работы с этой книгой понадобится постоянное место, где вы могли бы, не мешая другим и не портя домашние вещи, пилить и строгать, резать и сверлить, клеить и паять,— словом, мастерить. Конечно, стол, за которым вы готовите домашние уроки, для таких занятий неудобен. Но его можно приспособить для практических монтажных и других работ, покрывая сверху на время этих занятий листом фанеры, гетинакса, текстолита и иного пла'стика.
Однако лучше иметь свою маленькую мастерскую. Вместе с родителями выберите в квартире светлое место и оборудуйте там рабочий уголок. Нужно купить или сделать небольшой столик или верстачок с ящиками и полочками для хранения инструмента, материала, поделок. Этот рабочий уголок всегда должен быть чистым и прибранным: инструменты после работы необходимо складывать в отведенное им место, прибирать на столе, подметать и убирать мусор.
Для работы вам понадобятся разнообразные инструменты. Можно, конечно, воспользоваться теми, которые есть у отца или старшего брата, но лучше постепенно приобретать свои. Вот что может понадобиться вам в первую очередь:
молоток, ножовка по металлу, нож монтажный, ножницы для бумаги, ножницы для жести, линейка, угольник, ручная дрель, сверла разные, шило, пинцет,
ножовка ко дереву, напильники, лобзик, плоскогубцы, кусачки, бокорезы, отвертка, электропаяльник, тиски.
Для изготовления поделок потребуются также некоторые материалы, детали. Часть их можно купить в магазине, а частью могут послужить ненужные в домашнем хозяйстве консервные банки, кусочки проводов, обрезки картона и фанеры и т. п. Перечислим самое необходимое:
провод монтажный, бумага наждачная, листовые материалы(фанера, жесть, алюминий, латунь, картон, бумага, гегинакс, оргстекло и пр.),клей (БФ-2, «Феникс», казеиновый и др.), канифоль, пр'ипой,провод монтажный, бумага наждачная, листовые материалы(фанера, жесть, алюминий, латунь, картон, бумага, гегинакс, оргстекло и пр.),клей (БФ-2, «Феникс», казеиновый и др.), канифоль, пр'ипой,лампочки низковольтные, батарейки и гальванические элементы(3336 Л, «М а р с»,«Уран», «Элемент 373» и т. п.), микровыключатели, тумблеры, клеммы электрические, постоянные магниты, гвозди, шурупы, гайки с винтами.лампочки низковольтные, батарейки и гальванические элементы(3336 Л, «М а р с»,«Уран», «Элемент 373» и т. п.), микровыключатели, тумблеры, клеммы электрические, постоянные магниты, гвозди, шурупы, гайки с винтами.
провод монтажный, бумага наждачная, листовые материалы
(фанера, жесть, алюминий, латунь, картон, бумага, гегинакс, оргстекло и пр.),
клей (БФ-2, «Феникс», казеиновый и др.), канифоль, пр'ипой,
провод монтажный, бумага наждачная, листовые материалы
(фанера, жесть, алюминий, латунь, картон, бумага, гегинакс, оргстекло и пр.),
клей (БФ-2, «Феникс», казеиновый и др.), канифоль, пр'ипой,
лампочки низковольтные, батарейки и гальванические элементы
(3336 Л, «М а р с»,
«Уран», «Элемент 373» и т. п.), микровыключатели, тумблеры, клеммы электрические, постоянные магниты, гвозди, шурупы, гайки с винтами.
лампочки низковольтные, батарейки и гальванические элементы
(3336 Л, «М а р с»,
«Уран», «Элемент 373» и т. п.), микровыключатели, тумблеры, клеммы электрические, постоянные магниты, гвозди, шурупы, гайки с винтами.
Первые свои конструкции лучше делать под руководством взрослых и старших товарищей. Они помогут вам разобраться в описаниях приборов и моделей, подобрать необходимые материалы и детали, научат обращению с инструментами, соблюдению правил безопасного труда. Следует помнить, что работать нужно только исправным, наточенным инструментом, пользоваться им по назначению.
Позаботьтесь и о вашей книжной полке. Не следует думать, что рассказанное в этой книге охватывает всю электротехнику. Это лишь самые первые шаги. В дальнейшей работе вам окажут помощь другие книги. Некоторые из них указаны в списке рекомендуемой литературы в конце нашей книги. Советуем также подписаться на журналы «Юный техник» (с приложением), «Моделист-конструктор», покупать в книжных киосках периодически издаваемые брошюры серии «Мастерок», польский журнал на русском языке «Горизонты техники для детей» и др.
Итак, в путь! Вас ждут увлекательные занятия и интересные дела.
ШАГ ПЕРВЫЙ
ВОЛШЕБНЫЙ МИР «ЯНТАРЯ»
Первые опыты. Свидетельство Фалеса Милетского. Не только янтарь... Электризация: помеха или помощница! «Плюсы» и «минусы», притяжение и отталкивание. Прадедушка электрических приборов. Электроскопы — своими руками. Продолжаем опыты. Невидимая «река». Проводники и изоляторы. Забавы и игрушки. Подумай и сделай
Попробуйте расчесать пластмассовой гребенкой только что просохшие после мытья волосы. Вы услышите легкое потрески-
вание, а если проделаете этот опыт в темноте перед зеркалом то увидите, как между волосами и гребенкой проскакивают небольшие искорки. Поднесите расческу тотчас после этого к маленьким кусочкам бумаги или пушинкам — она притянет их.
Это интересное явление люди заметили очень давно. Впервые его описал древнегреческий философ Фалес Милетский, живший в VI веке до н. э. По словам ученого, древние ткачи заметили удивительную особенность янтаря (из этой окаменевшей смолы в те времена изготовляли веретена для пряжи): если его потереть шерстяной тканью, то он приобретает способность притягивать соломинки, пушинки и другие легкие предметы. Древнегреческие мудрецы объясняли это таинственное свойство янтаря присутствием в нем особого «духа».
«Янтарь» — по-гречески «электрон». От этого слова и про
изошло название «электричество».
Позднее выяснилось, что таким свойством обладает не только янтарь, но и стекло, сера, смола, пробка, шелк и многие другие вещества. Вы можете убедиться в этом на примере стеклянной палочки или пластмассовой линейки. Потрите их кусочком ткани (линейку лучше шерстяной, стекло — шелковой). Они все станут «волшебными» — наэлектризуются и будут притягивать маленькие кусочки бумаги, пушинки, вату (рис. 1).
Вот еще один пример электризации трением, который вы, несомненно, наблюдали не раз. Вспомните,
Рис. 1Рис. 1что происходит, когда вы, раздеваясь, снимаете с себя майку или рубашку из ткани, содержащей синтетическое волокно? Эти действия сопровождаются обычно негромким потрескиванием, а также вспышками и искрами, которые видны только в темноте. Одежда из синтетической ткани из-за электризации при движении человека иногда прилипает к телу. Чтобы этого не происходило, при стирке изделий из таких тканей используют антистатик — специальное средство, уменьшающее электризацию одежды при ее ношении.
Рис. 1
Рис. 1
Не следует, однако, думать, что электризация трением столь уж безобидна и способна служить лишь для забавных наблюдений и опытов. Молния и гром — грозное и величественное явление природы — это ведь тоже результат электризации трением воздушных потоков в атмосфере. Так что легкое потрескивание снимаемой с тела нейлоновой рубашки и оглушительный раскат грома во время летней грозы имеют одинаковое физиче-
ское происхождение.
В промышленности электризация трением нередко становится серьезной помехой для многих производственных процессов. Так, в типографиях электричество, возникающее при трении бумажных листов, значительно затрудняет печатание, потому что наэлектризованные листы бумаги слипаются, что мешает их движению и укладке. На текстильных фабриках по этой же причине плохо скручиваются нити (электризация волокон вызывает их взаимное отталкивание), а на производстве,- где применяют горючие вещества, электрическая искра может вызвать их воспламенение. Так, на заводах по производству резиновых изделий работают машины, которые наносят резиновый клей на тканевые материалы/ В результате постоянного трения тканей при движении они электризуются. Даже небольшая искра при этом может вызвать пожар, так как окружающий воздух насыщен парами бензина!
Особенно опасна электризация при транспортировке и перекачке легко воспламеняющихся жидкостей, например при заправке горючим самолетов. Здесь электризация трением может наделать много бед. Специалисты нашли способ борьбы с «диким» электричеством: в бензин добавляют магниевую соль олеиновой кислоты, которая полностью устраняет электризацию.
Но можно привести примеры и таких производственных процессов, где электричество, возникающее при трении, удалось «приручить» и «заставить» приносить большую пользу.
Так, электризуя частицы краски при ее распылении, можно добиться более ровного и прочного окрашивания предметов. Такое электроокрашивание полностью устраняет потери краски, дает большую экономию материалов и облегчает труд маляров. На некоторых предприятиях аналогичным способом, называемым электроворсованием, к ткани приклеивают ворс — короткие волокна и частицы шерсти. Так изготовляют искусственный мех, бархат, плюш, замшу, ковры. На других предприятиях подобным же образом получают наждачную бумагу.
С помощью электризации нередко удается разделить смесь, состоящую из различных частиц. Такое разделение смеси называют электросепарацией. В литейном производстве, например, электросепарацией очищают землю от примесей после отливки. В сельском хозяйстве применяют электрический способ очистки зерна и семян. На этом принципе основано действие используемых на многих заводах и фабриках электрических фильтров, очищающих воздух от дыма и пыли.
Совершенно неожиданные возможности открыло «гребеночное» электричество.
Что же происходит с различными предметами при их элейтри- зации?
А вот что.
Каждый предмет — физическое тело, даже карандаш, которым вы пишете, или рубашка, которую вы носите, состоит из очень маленьких, невидимых глазом частиц — атомов. Сло-
—-—^^^—^—-^ |Ш -во <<атом>> — тоже греческое, । в переводе означает «недели- 1 мый». Долгое время люди так и полагали, что атомы — это наименьшие частицы вещества, Рис. 2которые невозможно разделить
на более мелкие частицы.
И только в XX столетии ученые обнаружили, что «неде- Hiлимый» атом в действительнос-
Д I ти имеет сложное строение. Тонкими и остроумными опытами удалось доказать, что в цент- ₽ис’ 3ре каждого атома находится я д
р о, а вокруг него быстро вращаются очень маленькие и легкие частицы — э л е к т р о н ы. Электроны во много-много раз меньше ядра. Но самым удивительным в этом открытий было то, что ядра и электроны в атомах отличаются загадочными свойствами, которые ученые назвали электрическими зарядами. Эти заряды бывают двух видов — положительные (их обозначают знаком « + ») и отрицательные (обозначаемые знаком «—»). Положительно заряжены ядра атомов, отрицательно — электроны. Обычно в атоме положительный заряд ядра равен по абсолютной величине отрицательному заряду электронов. Поэтому в целом атом не заряжен, нейтрален. Стало быть, и в теле, состоящем из многих атомов, зарядов противоположного знака тоже одинаковое количество, и никакого электричества в этом физическом теле мы не замечаем. Но вот стеклянную палочку потерли кусочком шелковой ткани, «сняли» с нее часть электронов, а следовательно, и отрицательных зарядов. Положительные же заряды ядер остались без изменения (рис. 2) и сразу стали... «заметными» — проявили себя: наэлектризованная положительными зарядами стеклянная палочка начала притягивать клочки бумаги.
А вот пластмассовая линейка, если с нею поступить подобным образом, зарядится отрицательно: ткань при трении передает ей часть своих электронов (рис. 3). Отрицательно заряженная пластмассовая линейка также приобретает способность притягивать клочки бумаги.
После сказанного интересно узнать: а как наэлектризованные, заряженные тела взаимодействуют между собой?
Опыты, которые помогут ответить на этот вопрос, вы можете проделать сами. Но мы должны вас предупредить: все эти опыты удается успешно провести лишь в сухом помещении. Палочки, кусочки ткани и другие предметы, которые вы будете использовать, и даже руки ваши — все это тоже должно быть сухим. Влага на поверхности тел и водяные пары в воздухе могут оказаться непреодолимой помехой, и опыты не получатся. Поэтому перед проведением опытов все используемые предметы
необходимо тщательно просушить, а помещение — проветрить.
Наэлектризуйте уже известным вам способом стеклянную палочку и пластмассовую линейку, предварительно подвесив их на шелковых нитях, а затем сблизьте наэлектризованные тела. Палочка и линейка притянутся друг к другу (рис. 4). Попробуйте теперь таким же образом сблизить две одинаковые наэлектризованные линейки или две стеклянные палочки. И в том, и в другом случае заряженные тела будут взаимно отталкиваться (рис. 5).
На основании таких простых опытов и был когда-то сделан вывод о существовании двух видов электрических зарядов. Эти же опыты показывают, что разноименно заряженные тела взаимно притягиваются, а одноименно заряженные — отталкиваются.
Действие заряженных тел друг на друга связано с существованием электрических сил. Эти силы проявляются в пространстве около заряженных тел, поэтому и принято говорить, что вокруг каждого заряженного тела существует поле электрических сил, или просто электрическое поле. Электрическое поле не имеет ни цвета, ни запаха, оно не действует на наши органы чувств. Но, как мы уже убедились, электрическое поле вокруг заряженного тела можно обнаружить по его действию на другие заряженные тела.
Рис. 5Рис. 5Рис. 4Рис. 4
Рис. 5
Рис. 5
Рис. 4
Рис. 4
По взаимному притяжению или отталкиванию тел можно судить не только о том, что они наэлектризованы, но даже оценить, велик ли их заряд. Для этой цели применяют специальный прибор. И здесь нет ничего удивительного. Ведь когда мы хотим узнать, например, тепло на улице или холодно, совсем не обязательно выходить из дома, если за окном укреплен специальный прибор — термометр. По нему всегда можно определить, какая в данное время температура. Прибавку в вашей массе после летнего отдыха можно определить с помощью другого специального прибора — весов. Вот и в электротехнике тоже есть свои «весы», на которых «взвешивают» электрические заряды, определяют, много их или мало. Такой прибор называют электроскопом (от уже знакомого нам слова «электрон» и другого греческого слова «скопео» — наблюдать, обнаруживать) .
Электроскопы, пожалуй — самые древние электрические приборы. Ими пользовались ученые еще во времена М. В. Ломоносова. Устроены они очень просто. На фотографии 6 показан электроскоп, который есть теперь в каждом школьном кабинете физики. В этом приборе через пластмассовую пробку, вставленную в стеклянную оправу, продет металлический стержень. Сверху на стержне укреплен металлический шарик, а к нижнему концу приклеены бумажные листочки. На фотографии 7 показан электрометр, с помощью которого можно также обнаруживать электрические заряды, определять их знаки.
Как только мы коснемся шарика заряженной палочкой, часть ее зарядов перейдет к электроскопу. Бумажные листочки его зарядятся одноименно и оттолкнутся друг от друга. Если они разойдутся далеко, значит, заряд палочки большой, а если
немного, то это означает, что палочка наэлектризована слабо.
Для проведения опытов с наэлектризованными предметами необязательно обращаться в школьный кабинет физики. Простей
шую модель электроскопа можно построить самому, взяв карандаш, линейку, иголку с ниткой и бумажный шарик. На рисунке 8 показан общий вид такого прибора. Главный элемент, как вы, наверное, догадались,— бумажный шарик, подвешенный на тонкой нити. Иголку, в которую вдета нитка, воткните в карандаш с отточенного конца, а другой конец карандаша укрепите, например, в отверстии обычной школьной линейки. Для проведения опыта наэлектризуйте палочку и поднесите ее к электроскопу; и вы убедитесь, что шарик притягивается к заряженной палочке точно так же, как притягиваются к ней пушинки, мелкие кусочки бумаги и т. п.
^Можно сделать и другой конструкции электроскоп, похожий на школьный физический прибор. Для этого возьмите стеклянную банку и полиэтиленовую крышку к ней. Приготовьте кусок медной проволоки длиной 5—6 см и две полоски тонкой бумаги для листочков-лепестков. Вставьте в крышку гвоздь длиной 8—10 см и закрепите на кончике гвоздя медную проволоку так, чтобы получилось два крючка. В бумажных лепестках еде-К
лайте отверстия — они должны быть немного больше диаметра проволоки. НаIW
крючки наденьте лепестки, а банку за-|
кройте крышкой — ваш электроскоп готовII
(рис. 9).ill
Для некоторых опытов вам понадобят-I
ся два электроскопа, поэтому лучше1•
сразу изготовить и второй — точно так же, как вы сделали первый. Теперь в ваших руках появились настоящие электрические приборы и вы можете провести с их помощью много интересных наблюдений и опытов.Рис- 8
Мы отмечали выше, что пластмассовая линейка при натирании шерстяной тканью получает от нее отрицательные заряды. Значит, в самой ткани таких зарядов будет не хватать — и она зарядится положительно. Проверим наши предположения.
Для этого нам понадобятся два электроскопа, пластмассовая линейка и шерстяная ткань (суконка), наклеенная на деревянную дощечку с ручкой. Потрите линейку шерстью, а затем коснитесь линейкой одного электроскопа, а шерстью—
другого. Листочки электроскопов разойдутся. Значит, заряды на них есть. Но одинакового они или разного знака?
Снова потрите линейку о шерсть и затем прикоснитесь линейкой к каждому из электроскопов. Лепестки первого электроскопа поднимутся еще выше, а второго опустятся. Почему это произошло?
На первом электроскопе, по-видимому, был отрицательный заряд. Коснувшись его линейкой во второй раз, вы передали электроскопу еще какую-то часть се заряда. Заряд этого электроскопа увеличился, и листочки его, оттолкнувшись сильнее, поднялись выше.
Второй электроскоп был сначала заряжен положительно. Но когда вы коснулись его линейкой, отрицательные заряды линейки перешли на электроскоп. Число положительных и отрицательных зарядов в приборе уравнялось, и листочки его опали.
Итак, опыты подтвердили наше предположение о том, что при трении электризуются оба дела, причем они приобретают электрические заряды противоположного знака. Кроме того, мы убедились, что если разноименные заряды в равном количестве собираются в одном месте — одном теле, то они перестают проявлять себя. В этом случае принято говорить, что ранее заряженное тело становится нейтральным — нейтрализуется.
Теперь мы можем разобраться в том, что такое электрический ток. Часто его сравнивают с рекой. Дело в гом, что электрический ток сродни течению воды. Только движется здесь не вода, а очень маленькие, невидимые глазом заряженные частички вещества. В этом мы можем убедиться на простом опыте.
Зарядите два электроскопа разными по знаку зарядами. Как это сделать, вы уже знаете. Возьмите кусок монтажного медного провода, удалите с его концов (с помощью острого ножа) резиновую или хлорвиниловую оболочку и присоедините эти концы к электроскопам (рис. 10). Листочки электроскопов опустятся. Нетрудно объяснить, почему это происходит.
Как только электроскопы соединяют медной проволокой, часть заряженных частиц с электроскопа, где их был избыток, по этой проволоке переходит на другой электроскоп, где их не хватало — происходит нейтрализация. Такое направленное упорядоченное движение заряженных частиц от одного тела к другому и называют электрическим током.
Что же это за частицы — невидимые из-за малых размеров, но поведением своим убе-
дигельно свидетельствующие о том, что они существуют и движутся? Частицы эти электроны.
Электроны в самом деле очень малы — их невозможно увидеть не только невооруженным глазом, но и даже в самый сильный микроскоп. Если представить себе электрон в виде маленького шарика, то диаметр такого шарика окажется нс более 0,00000000000028 см, а если можно было бы положить электрон на чашу весов, то весы показали бы 0,00000000000000000000000000091 г.
Свои электрические заряды могут обнаружить и более крупные частицы вещества — атомы, молекулы (если у них не хватает электронов или последние имеются в избытке). Упорядоченное, направленное движение таких частиц от одного заряженного тела к другому ■— это тоже электрический ток.
Однако вернемся к нашим электроскопам. Если теперь их снова зарядить разноименными электрическими зарядами, а затем соединить электроскопы не металлической проволокой, а, например, деревянной линейкой или стеклянной палочкой, то... мы никаких изменений не заметим, листочки электроскопов останутся приподнятыми. Значит, в дереве и стекле направленного движения заряженных частиц не происходит — эти вещества не проводят электрический ток.
Хорошо проводят электричество все металлы, а также сырая почва, растворы солей и кислот в воде. Тело человека тоже хорошо проводит электрические заряды. Чтобы убедиться в этом, проделайте такой опыт.
Зарядите электроскоп от наэлектризованной стеклянной или пластмассовой палочки, а затем прикоснитесь к его шарику рукой. Листочки электроскопа при этом опускаются. Значит, электроскоп разрядился. Куда же исчезли заряды? Они по руке и телу ушли в землю.
Вещества, способные хорошо проводить электрические заряды, называют проводниками. Эти вещества используют в тех случаях, когда нужно передать куда-нибудь электрические заряды. Особенно хорошие проводники электричества — серебро и медь, а также алюминий. Поэтому для изготовления электрических проводов чаще всего применяют медь и алюминий (серебро — слишком редкий и дорогой металл).
Вещества, которые очень плохо проводят электрические заряды, называют непроводниками или изоляторами (от греческого слова «изоляро» — уединять). Как мы уже убедились, к изоляторам следует отнести дерево (сухое), стекло. К этой же группе веществ относятся янтарь, резина, шелк, пластмассы, слюда, фарфор. Ими пользуются в тех случаях, когда необходимо задержать движение заряженных частиц.
Чем же отличаются проводники от изоляторов? Почему первые хорошо проводят электрический ток, а вторые нет?
Ученые с помощью многочисленных опытов и теоретических расчетов раскрыли секрет природы. Оказалось, что физическое
тело хорошо проводит электрический ток лишь в тех случаях, если в нем имеется много заряженных частиц, которые свободно перемещаются. Например, в металлах и сплавах некоторые электроны слабо связаны с ядрами атомов. Они легко отделяются от атомов и беспорядочно перемещаются внутри металла. Такие электроны получили название свободных электронов. Наличием свободных электронов и объясняется хорошая электропроводность металлов. В электрическом поле эти частицы начинают двигаться в одном направлении, упорядоченно — возникает электрический ток.
В изоляторах же электроны прочно удерживаются своими атомами. Там нет свободных заряженных частиц, а значит, нечему создавать электрический ток.
Впрочем, если очень сильно нагреть изолятор, то он может потерять свои изолирующие свойства. При высоких температурах связь многих электронов со своими атомами нарушается, и освободившиеся частицы получают возможность перемещаться внутри тела — оно становится способным проводить электрический ток.
А теперь попробуем изготовить несколько простых и забавных самоделок, действие которых основано на свойствах наэлектризованных тел._ Показывая эти самоделки-игрушки и опыты с ними своим друзьям, вы сможете не только удивить и развлечь их, но, возможно, пробудите и в них интерес к увлекательному миру электричества.
Забавные фигурки. Из картона вырезают
Офигурки высотой 7—10 см. Это могут быть
IБуратино, Чебурашка, Незнайка или другие
Iсказочные персонажи. Фигурки надо оклеить
фольгой. (Фольга — это тончайшие металлические листки из свинца, олова, алюминия. Алюминиевую фольгу можно купить в хозяйственных магазинах.) У каждой фигурки на уровне плеч делают ножом прорезь и вставляют в нее руки, сделанные из тонкой бумаги.
Затем фигурки подвешивают к какой- нибудь стойке на шелковых нитках. Если теперь коснуться фигурки заряженной стеклянной или пластмассовой палочкой, то она
С/ У°o°<A«оживает» и раскидывает руки в стороны
Го^оХ(рис. 11). Троньте ее пальцем — и руки опус
каются.
Нетрудно догадаться, что описанные забавные фигурки — это разновидность уже зна- П комого вам прибора — электроскопа. Ваша Н фантазия подскажет, какой еще облик можно Цпридать этому древнему электрическому прибб-
ру, чтобы можно было, заряжая и разряжая
Рис. 11его, позабавить зрителей.
«Электрический» хоккей. В картонной коробке размерами 20X15X3 см внутреннюю поверхность (дно) раскрасьте под хоккейное поле. Проведите линии центра и границы зон; по краям поля «установите» картонные ворота. Затем из тонкой бумаги вырежьте фигурки хоккеистов и судей и раскрасьте их соответствующим образом. Ноги вратарей обеих команд приклейте к «полю» у ворот, а к ногам других игроков и судей прикрепите маленькие кусочки проволоки. Небольшому куску пробки придайте форму шайбы. Сверху коробку закройте прозрачным
рисунок).рисунок).оргстеклом или целлулоидом (см. цветную вклейку I, верхний
рисунок).
рисунок).
Теперь достаточно потереть суконкой крышку, как произойдет электризация оргстекла. Фигурки хоккеистов и судей «приподнимутся» на ноги и вслед за движением вашей руки «побегут»
по полю, а вратари начнут «дрожать», оставаясь на своих местах. Эта игра будет пользоваться большим успехом у ваших друзей.
Электрофор. Для проведения многих интересных и забавных опытов с наэлектризованными телами недостаточно зарядов, которые можно получить натиранием стеклянной палочки или пластмассовой линейки. Нужен более сильный источник электрических зарядов. Простейшим таким источником служит электрофор, который можно сделать своими руками. «Электрофор» в переводе с греческого означает «несущий электричество». Этот прибор, как видно из рисунка 12, состоит из двух дисков. Нижний диск изготовлен из изолирующего материала, который при трении должен заряжаться отрицательно, а верхний представляет собой металлический круг с изолирующей ручкой.
Для нижнего диска можно использовать, широкую банку (диаметром 160—180 мм) из-под консервов, отрезав у нее верхнюю часть. Осторожно, чтобы не порезаться, зачистьте банку до блеска, затем насыпьте в нее мелко раздробленную канифоль и воск. Канифоли нужно взять девять весовых частей, воска — одну. Смесь перемешайте, уложите в банку и слегка подогрейте на слабом огне. После того как смесь расплавится, дайте ей остыть в течение двух дней. Если в процессе остывания на поверхности появятся воздушные пузырьки, проколите их иглой. У остывшей смеси должна образоваться гладкая горизонтальная поверхность.
Верхний диск (по диаметру меньше нижнего примерно на 10 мм) выпилите из толстой фанеры. В центре сделайте отверстие для крепления деревянной ручки. Прежде чем укрепить ручку, диск оклейте в несколько слоев фольгой. Для склеивания используйте клей БФ-2 или «Феникс». Клеить надо тщательно
Рис. 13Рис. 13и аккуратно, чтобы листы ложились ровно, без складок. Когда листы хорошо подсохнут, можно укрепить ручку. Для этого осторожно вырежьте отверстие в фольге сверху над отверстием в диске и укрепитеи аккуратно, чтобы листы ложились ровно, без складок. Когда листы хорошо подсохнут, можно укрепить ручку. Для этого осторожно вырежьте отверстие в фольге сверху над отверстием в диске и укрепитеможно также вырезать из 2 мм.можно также вырезать из 2 мм.ручку с помощью клея, не разрушая при этом нижний слой фольги. Верхний диск листа алюминия толщиной I —ручку с помощью клея, не разрушая при этом нижний слой фольги. Верхний диск листа алюминия толщиной I —
Рис. 13
Рис. 13
и аккуратно, чтобы листы ложились ровно, без складок. Когда листы хорошо подсохнут, можно укрепить ручку. Для этого осторожно вырежьте отверстие в фольге сверху над отверстием в диске и укрепите
и аккуратно, чтобы листы ложились ровно, без складок. Когда листы хорошо подсохнут, можно укрепить ручку. Для этого осторожно вырежьте отверстие в фольге сверху над отверстием в диске и укрепите
можно также вырезать из 2 мм.
можно также вырезать из 2 мм.
ручку с помощью клея, не разрушая при этом нижний слой фольги. Верхний диск листа алюминия толщиной I —
ручку с помощью клея, не разрушая при этом нижний слой фольги. Верхний диск листа алюминия толщиной I —
Работа с электрофором сводится к следующему. Нижний диск натирают шерстяной тканью. В результате этого он заряжается отрицательно. Затем верхний диск накладывают на нижний.
Что же при этом произойдет в приборе? В металле, как и в любом теле, есть отрицательные и положительные заряды. Отрицательно заряженные частицы — электроны — будут отталкиваться от отрицательно заряженного диска и переместятся на верхнюю сторону металлического диска (или фанерного, оклеенного фольгой), а на нижней его поверхности обнаружится избыток положительных зарядов (рис. 13). Если теперь коснуться рукой внешней (верхней) стороны металлического диска, то электроны уйдут в землю, а избыток положительных зарядов на диске останется. Этот заряженный диск можно использовать для передачи положительного заряда любому проводнику.
Лейденская банка. От электрофора заряд получается больший, чем от натертой пластмассовой линейки. Электрические заряды, получаемые от электрофора, можно собирать и накапливать с помощью специального прибора — конденсатора. «Конденсаре» по-гречески — сгущать. Конденсатор — это «копилка» электрических зарядов. Он состоит из двух проводников- обкладок (на которых скапливаются разнородные заряды), разделенных слоем изолятора.
Простейшим конденсатором является лейденская банка. Это старинный прибор. Название его происходит от голландского города Лейдена, где впервые стали изготовлять такие конденсаторы еще в середине XVIII века. Лейденскую банку нетрудно сделать самому. Для этого можно использовать стеклянную банку (рис. 14). t
Стенки банки с внешней и внутренней поверхности на 2/з высоты оклейте фольгой. Они будут служить обкладками конденсатора. Работать нужно аккуратно, чтобы не образовалось складок на фольге. Затем возьмите полиэтиленовую крышку, вставьте в середину ее металлический стержень длиной 8— 10 см. На верхний конец стержня насадите стальной шарик (или деревянный, оклеенный фольгой). Из фольги сделайте метелочку и укрепите ее на нижнем конце стержня. Длинна метелочки должна быть такой, чтобы при закрытой крышке она
Рис. 14Рис. 14Рис. 15Рис. 15
Рис. 14
Рис. 14
Рис. 15
Рис. 15
касалась внутренней поверхности банки. Закройте банку крышкой — и прибор готов.
Чтобы «наполнить» такой конденсатор электрическими зарядами, заряжайте металлический круг электрофора и прикасай
тесь его краем к шарику лейденской банки. При этом на внутренней обкладке будут скапливаться положительные заряды, а на внешней — отри- дательные. С помощью электрофона и1
конденсатора выполните ряд заниматель
ных опытов.
Пауки и цветы (см. цветную вклейку II, вверху слева). Из пробки вырежьте тела пауков и ярко раскрасьте их. К телу приклейте лапы, вырезанные из тонкой бумаги. Затем подвесьте пауков на тонких проволочках, а проволочки соедините с шариком заряженного конденсатора. Пауки при этом «затанцуют» всеми своими бумажными лапами.
«Электрический» цветок можно изготовить так. На проволоке укрепите шарик из воска и оклейте его фольгой (см. цветную вклейку). В шарик вставьте несколько кусочков медной проволоки они будут изображать тычинки. Вокруг шари
ка приклейте лепестки из тонкой цветной бумаги так, чтобы они закрыли сердце- вину цветка. Затем укрепите цветок на изолирующей палочке и соедините с шариком лейденской банки. Вы увидите, как на ваших глазах цветок начнет распускаться.
«Электрическая» карусель. Уже давно было замечено, что если передать электрические заряды какому-нибудь телу, имеющему острие, то заряды будут «стекать» с острия в окружающее пространство. Это явление можно использовать в интересной игрушке «карусель».
Из тонкой полоски жести вырежьте пластинку длиной 70—80 мм. Заостренные концы пластинки загните в противоположные стороны, а в центре ее сделайте небольшое углубление. На деревянной подставке вертикально укрепите стеклянную трубку. В верхний конец ее вставьте пробку с иглой. Железная пластинка, положенная на иголку, будет находиться в равновесии (рис. 15). Если от лейден-
ской банки подводить через иголку к пластинке заряды, то с ее острия они будут стекать в воздух, толкая пластинку в противоположную сторону.
Жестяную пластинку можно заменить настоящей игрушечной каруселью, сделанной своими руками из... наперстка (см. цветную вклейку II, вверху справа). Прикрепите к наперстку три отрезка медной проволоки, расположив их так, как показано на рисунке. К заостренным концам проволочек подвесьте забавные фигурки, вырезанные из тонкой бумаги. Установив такую карусель на игле стеклянной стойки, соедините ее проводником с шариком лейденской банки — карусель придет в движение.
Используя тонкую бумагу, картон, проволоку и другие доступные материалы, вы можете смастерить самые разнообразные игрушки, которые будут «оживать» под действием электрических зарядов. Здесь были описаны только некоторые из них. Подумайте над конструкциями других самоделок такого рода, изготовьте их и испытайте в действии.
С лейденской банкой обращайтесь осторожно! На ее внутренних обкладках могут скапливаться большие заряды. Если прибор вам больше не понадобится, разрядите его — нейтрализуйте заряды. Для этого зачищенными концами изолированного проводника коснитесь шарика и фольги внешней обкладки банки (держать провод надо за изолированную часть!). При этом вы увидите искру и услышите характерный треск — «гром и молнию» в миниатюре.
ШАГ ВТОРОЙ
ЧТОБЫ ЗАГОРЕЛАСЬ ЛАМПОЧКА
Одним движением руки. Еще раз о невидимой «реке». Электрическая цепь и ее «звенья». Источник тока, потребитель, прерыватель, соединительные провода. На языке схем, понятном всем. Арматура: клеммы, патроны, кнопки, вилки... Собираем простую электрическую цепь. Несколько опытов и вопросов. Фонарик — вещь полезная. Что такое «электрификация»! Игрушки становятся интереснее. Подумай и сделай
Как просто зажечь электрический светильник! Повернул выключатель, нажал кнопку, замкнул рубильник — и вспыхивает настольная лампочка, потянется яркий лучик от карманного фонарика, засверкает сотнями огней люстра в концертном зале.
Что же при этом происходит? Одним движением руки вы замкнули электрическую цепь, и в вольфрамовых волосках лампочек установился электрический ток.
Вы уже знаете, что электрический ток — это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц. Вы увидели, как проскакивает искра и опадают листочки электроскопов при таком направленном движении частиц от одного наэлектризованного тела к другому, имеющему заряд противоположного знака. Но в этих опытах электрический ток был кратковременным: благодаря переходу зарядов от одного тела к другому быстро происходит их нейтрализация и электрический ток прекращается.
А в электрическом светильнике лампочка может гореть многие и многие часы без перерыва. И все это время в ней есть электрический ток — «бегут» и «бегут» по вольфрамовой нити лампочки заряженные частицы — электроны. Это происходит потому, что лампочка присоединена к источнику электрической энергии, или, как чаще его называют, источнику тока, в котором непрерывно совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Заряды тел, между которыми устанавливается электрический ток, непрерывно пополняются.
Как же устроен источник тока?
В наши дни известно .много разнообразных источников тока. Мы рассмотрим действие одного из них —■ гальванической батареи (рис. 16), знакомой вам по карманным фонарям, радиоприемникам, переносным магнитофонам.
В каждой батарее есть два металлических вывода — полюса. В результате химических процессов, протекающих внутри батареи, на этих полюсах накапливаются электрические заряды: на одном полюсе — положительные, на другом — отрицательные. Полюсы батареи так и называют — «положительный» и «отрицательный» и обозначают их знаками «-ф»
и « — ».
Если с помощью медных проводов присоединить к полюсам батареи лампочку, то отрицательно заряженные частицы — электроны — начнут перемещаться к полюсу, обозначенному знаком «+»■ И непременно пойдут через нить лампочки, нагревая ее. На место ушедших зарядов на отрицательном полюсе
Рис. 16Рис. 16батареи появятся новые, которые,. в свою очередь, начнут «путешествие» по проводам, через нить лампочки — к положительному полюсу.
Рис. 16
Рис. 16
Вот мы и создали простейшую электрическую цепь. Состоит она из источника дока (батареи), потребителя (им является лампочка) и соединительных проводов. И все они связаны так, что образуют замкнутый путь, по которому
непрерывно могут двигаться заряженные частицы. Потому-то и называют такое соединение цепью. Оно — как замкнутая цепочка.
Но существует еще один, совершенно необходимый элемент электрической цепи, с которого мы и начали наш разговор. Вспомним: ведь электричеством не пользуются непрерывно. Ночью лампочки в нашей квартире гаснут. В положенное время гаснет и голубой экран телевизора, умолкает радиоприемник. Отключают после окончания работы пылесосы, полотеры, стиральные машины. Во всех этих случаях электрическую цепь размыкают прерыватели тока — кнопки, рубильники, выключатели. И сразу прекращается движение заряженных частиц вдоль цепи — прекращается электрический ток...
Итак, источник тока, потребитель, соединительные провода и выключатель тока — вот все необходимые и обязательные элементы любой электрической цепи.
Конечно, в различных электрических цепях все эти элементы выглядят по-разному. Да и размерами они значительно отличаются один от другого. Очень ли схожи, например, батарейка от карманного фонаря, аккумулятор и огромная машина-генератор на гидроэлектростанции (см. цветную фотографию на 3-й стороне обложки)? И все же, несмотря на все внешние различия, эти устройства — источники тока, в них вырабатывается электрическая энергия..
Потребители в электрических цепях тоже разнообразны: электрические лампочки, которые используют для освещения и сигнализации, электрические плитки и камины, применяемые для приготовления пищи и обогревания жилища, электрические двигатели, вращающие валы станков и колеса трамваев и троллейбусов... Общим для всех потребителей является лишь то, что все они преобразуют электрическую энергию, полученную от источника тока, в другие виды энергии: свет, тепло, работу машин.
Рис. 17Рис. 17Ну, а «дороги», по которым передается энергия от источников тока к потребителям? И они весьма разнообразны: шнур настольной лампы, проложенный под землей кабель, воздушная линия электропередач на ажурных металлических мачтах-опорах — все это не что иное, как соединительные провода различных электрических цепей.
Рис. 17
Рис. 17
О разнообразии выключателей электрического тока мы уже упоминали: одним движением руки с их помощью можно управлять потоком электрической энергии...
Теперь, после ознакомления
ааббс основными «звеньями» электрической цепи можно подумать и о том, как эти «звенья» собрать воедино, чтобы образовалась замкнутая цепь, в которой установится электрический ток.
а
а
б
б
6622Рис. 18Рис. 18Ограничимся для начала самой простой электрической цепью. Пусть она содержит уже упоминавшиеся элементы: батарейку от карманного фонаря, лампочку и выключатель (ключ), соединенные проводами (рис. 17).
6
6
2
2
Рис. 18
Рис. 18
Обычно, прежде чем собрать какую- либо электрическую цепь, ее сначала изображают на бумаге. И сделать это нужно так, чтобы по такому рисунку было понятно, из каких элементов составлена цепь и как эти элементы должны быть соединены между собой. Такой рисунок помогает быстро и без ошибок собрать цепь, а также разобраться в том, как взаимодействуют ее элементы. Однако просто рисовать батарейку, лампочку и другие «звенья» такими, как мы их видим, неудобно, так как на это уйдет много времени Да и рисунки у разных людей будут получаться различными (не все умеют хорошо рисовать). А если цепь сложна и содержит много различных элементов, то вряд ли удастся разместить такой рисунок цепи на бумажном листе.
Как же быть?
Вспомним: чтобы показать на географической карте леса, горы, населенные пункты, озера и реки, пользуются топографическими условными знаками. Точно так же поступают в электротехнике: когда хотят изобразить на бумаге электрическую цепь, чертят ее схему. На схеме каждый элемент электрической цепи изображают специальным условным значком и указывают, как соединены друг с другом все элементы цепи.
. Начертание условных знаков должно быть достаточно простым, чтобы их легко и быстро можно было воспроизводить. Вместе с тем условное обозначение каждого элемента электрической цепи должно содержать характерный признак этого элемента, чтобы его легко было отличить на схеме от других элементов. Так, например, лампочку изображают кружком и крестиком (рис. 18, о) —это как бы зарождающиеся в ней и расходящиеся во все стороны световые лучи. Источник тока обозначают двумя параллельными черточками разной длины (рис. 18, б) —это выводы (полюсы) батареи. Положительный полюс изображается более длинной черточкой, а отрицательный — более короткой. Проще всего на схеме изображаются соединительные провода (рис. 18, в): в виде линий, соединяющих условные обозначения других элементов.
Ключ обозначают на схемах так, как показано на рисунке 18, г.
Теперь вы можете начертить схему простейшей электрической цепи, показанной на рисунке 17. Вот как выглядит эта схема (рис. 19). Как видите, чтобы рисовать схемы электрических цепей, совсем не обязательно быть художником. Но очень важно другое: все схемы «говорят на одном языке». И понять этот «язык» может каждый, кто знаком с условными обозначениями.
Обратите внимание: "на схеме рядом с условным графическим обозначением каждого элемента электрической цепи поставлено буквенное его обозначение. Лампочка обозначается латинскими буквами HL, источник тока — буквой G, выключатель - SA Кроме того, на схемах принято нумеровать однотипные элементы: порядковый номер каждого элемента указывается после его буквенного обозначения. Так, например, на схеме (см. рис. 19) обозначены: источник тока G1, лампочка HL1, выключатель SAL Заметим еще, что схему электрической цепи, показанную на рисунке 19, называют принципиальной, потому что с помощью такой схемы показан принцип соединения содержащихся в этой цепи элементов.
Однако не пора ли уже приступить к сборке нашей первой электрической цепи? Схема начерчена, батарейку и лампочку вы уже, конечно, приготовили, провода тоже есть...
Нет, не торопитесь. Сначала сделаем еще несколько простых приспособлений, которые в дальнейшем облегчат и ускорят сборку не только этой, но и других, более сложных электрических цепей.
Прежде всего изготовьте клеммы винтовые зажимы, с помощью которых легко и удобно соединять провода с полюсами батареи. Из листа тонкой жести (или латуни) вырежьте заготовку, сделайте в ней отверстие для прижимного винта (рис. 20). Затем края заготовки согните, вставьте в отверстие болт и закрепите его гайкой. Готовую клемму загнутыми краями прикрепите к полюсу батареи. Если теперь конец провода, с которого удален слой изоляции, изогнуть и закрепить в виде петельки, то за эту петельку легко и просто присоединить провод к клемме, надежно прижав его болтом и гайкой.
Чтобы ввести в электрическую цепь лампочку, один из проводов нужно присоединить к ее винтовой нарезке (цоколю), а другой провод — к торцевому контакту. Надежное соединение лампочек удается
Рис. 22Рис. 22осуществить с помощью специальных устройств — патронов.
Рис. 22
Рис. 22
Изготовьте простой патрон для лампочки (рис. 21). Его основание можно сделать из
фанеры, текстолита, оргстекла или иного изолятора, легко поддающегося обработке. Контактные пластины обычно делают из латуни или меди. Но вы можете и здесь использовать полоски тонкой жести. В них, как и в клеммах, сделайте отверстия для крепежных болтов. Чтобы лампочка свободно ввинчивалась в патрон, у края отверстия для цоколя сделайте небольшое углубление. Провода к контактным пластинам патрона присоединяют с помощью петелек и крепежных болтов.
И наконец, надо изготовить прерыватель электрического тока— кнопку (рис. 22). Одна из его контактных пластин (верхняя) должна быть упругой — ее следует сделать из полоски бронзы или латуни (в крайнем случае можно взять подходящую по размерам стальную пластинку). Один конец ее, как видно из рисунка, зажмите болтом, а на другом конце свободно укрепите кнопку из изоляционного материала (можно использовать пластмассовую пуговицу). Для основания прерывателя вы можете взять такую же пластинку из фанеры или текстолита, какую использовали при изготовлении лампового патрона.
Все изготовленные вами приспособления: патроны для лампочек, прерыватели тока, клеммы, а также электрические вилки, штепсельные розетки и другие подобные устройства, с которыми вы еще встретитесь, занимаясь электротехникой, принято называть электрической арматурой.
Теперь вы сможете приступить к сборке простейшей электрической цепи. Соедините все элементы цепи проводами в соответствии с принципиальной схемой (см. рис. 19). К клемме положительного полюса батареи присоедините один из проводов прерывателя тока. Второй провод от прерывателя подведите к одной из контактных пластин лампового патрона. Другую контактную пластину с помощью провода соедините с клеммой отрицательного полюса батареи. Убедитесь, что лампочка надежно ввинчена в патрон.
Проверьте еще раз по схеме, правильно ли выполнены все соединения, не было ли допущено ошибок.
Проверили?
Ваша первая электрическая цепь готова. Нажмите кнопку прерывателя тока — и ярко вспыхнет электрическая лампочка.
Во многих магазинах («Юный техник», «Детский мир» и некоторых других) теперь продают различные наборы-комплекты батареек, лампочек, проводов, арматуры и других элементов электрических цепей. Их называют электроконструкторами. Если у вас есть подобный набор, то описанную электрическую
цепь вы можете собрать из его деталей. А в дальнейшем такой электроконструктор пригодится вам для сборки более сложных электрических цепей и при конструировании различных электротехнических устройств.
А сейчас проделайте несколько опытов с собранной вами простой электрической цепью и постарайтесь ответить на поставленные здесь вопросы:
С помощью прерывателя тока — ключа замкните и разомкните цепь. Что происходит при этом с лампочкой? Почему?
Поменяйте местами в цепи лампочку и прерыватель тока. Замкните и разомкните цепь. Что теперь происходит? Имеет ли значение, в какой последовательности соединены элементы в цепи?
При замкнутом ключе отвинтите немного лампочку в патроне. Что с ней происходит? Почему?
Вверните лампочку до упора. Ослабьте соединение одной из клемм батарейки с проводом так, чтобы лампочка перестала светиться. Почему погасла лампочка?
Какие неисправности могут возникнуть в простейшей электрической цепи?
Отвечая на последний вопрос, вы придете к выводу: электрическая цепь исправно работает (лампочка светится) только в том случае, если есть надежные соединения всех ее элементов (нет разрыва в цепи) и через лампочку проходит электрический ток.
А теперь подумайте: где можно использовать электрическую цепь, с которой вы ознакомились.
Об одной такой возможности вы, наверное, сразу же догадались — это самодельный фонарик!
Ну что же, предложение неплохое. И его легко осуществить. Нужно только взять подходящую по размерам пластмассовую или деревянную коробочку, укрепить внутри нее батарейку, а на одной из стенок — лампочку и самодельную кнопку (вроде изготовленного ранее прерывателя тока). Затем соединить все эти детали проводами (как это сделать, вы уже знаете) — и фонарик готов! Мы можем посоветовать только для лучшего использования светового потока лампочки снабдить ее жестяным рефлектором (отражателем света), а перед ней, в корпусе футляра, установить небольшую собирательную линзу.
Несомненно, самодельный электрический фонарик — вещь очень полезная, он вам пригодится. И все же, давайте еще раз подумаем: нельзя ли применить еще где-то нашу электрическую цепь с батарейкой и лампочкой?
Вот, например, игрушки: ярко раскрашенные или быстро движущиеся, они всегда были хорошей забавой для ребят. А если сделать так, чтобы в игрушке к тому же что-то вспыхивало, светилось? Тогда ведь она станет еще интереснее!
Вы, конечно, знаете подобные игрушки — их теперь немало выпускает наша промышленность. Называют такие игрушки
электрифицированными. Название это происходит от слова «электрификация», что означает широкое внедрение электрической энергии в народное хозяйство и быт.
Дело в том, что электрифицировать можно не только игрушки. Применяют электрические устройства на заводах, фабриках, колхозах, совхозах, на транспорте, в научных учреждениях — во всех сферах человеческой деятельности. И всюду внедрение электрических машин и приборов облегчает труд, улучшает и делает более интересной жизнь многих миллионов людей. Поэтому в нашей стране электрификации придается очень большое значение. Еще на заре Советской власти, в далеком 1920 году по предложению В. И. Ленина был'составлен первый план электрификации России.
Ныне же наша страна превратилась в могучую энергетическую державу, и то, о чем мечтал основатель Советского государства, успешно осуществляется на практике.
Однако вернемся к игрушкам и посмотрим, как некоторые из них можно электрифицировать. Вы теперь сможете делать такие игрушки сами — для себя и для своих младших сестренок и братишек. А если пожелаете взяться за работу вместе с друзьями ■— всем своим звеном, то нетрудно будет изготовить такие электрифицированные самоделки для школьной игротеки или обеспечить ими малышей в подшефном детском саду.
Лампочка Ильича. В период электрификации страны электричество пришло во все уголки нашей необъятной Родины. В деревнях и селах устанавливали столбы, протягивали провода и проводили их в каждую избу. Деревенские жители оживленно обсуждали это событие, многие с недоверием и страхом относились к нему. Но вот вместо свечей и керосиновых ламп в домах появилась «стеклянная банка с ниточкой» на потолке — и зажглась лампочка Ильича, как любовно назвал электрическую лампочку народ.
На планшете из картона (с использованием природного материала — веточек, мха, коры деревьев и пр.) вы можете собрать макет деревенской избы. Монтируя в нем электрическую цепь, лампочку и батарейку разместите внутри домика, а ключ — снаружи. По вашему желанию внутри домика загорится лампочка Ильича.
Можно также изготовить охотничью избушку, макет современного многоэтажного дома, древний замок или какое-либо сказочное сооружение, например избушку на курьих ножках.
Можно не только варьировать внешний вид и оформление домика, но и использовать в игрушке различные конструкции элементов электрической цепи. Попробуйте, например, сделать сказочный домик-теремок, а в дверь его вмонтируйте прерыватель тока так, чтобы, вставив ключ от домика в замочную скважину, можно было зажигать внутри теремка свет.
«Чудо-печка» (см. цветную вклейку II, нижний рисунок). Своей младшей сестренке сделайте игрушку «чудо-печка». Из
пенопласта, дерева или картона изготовьте и соответствующим образом раскрасьте корпус русской печи. Внутри нее укрепите лампочку и смонтируйте две металлические пластины — контакты Л и В — в виде опор-подставок для чугунка. Контактные пластины и лампочку с помощью проводов присоедините к батарее.
Чугунок также изготовьте из пенопласта, а к его дну прикрепите металлическую контактную пластину С. С помощью ухвата, сделанного из толстой проволоки и деревянной рейки, чугунок ставят в печь. При этом контактная пластина С замыкает опоры- контакты Л и В и вспыхнувшая лампочка имитирует огонь в печи.
Пусть ваша сестренка и ее подруги «сварят суп» в такой печи.
Тир-аттракцион «А ну, попади!». Это игровое устройство можно использовать в соревнованиях на стадионе, игровой площадке, в пионерском лагере. На четырех опорных ножках устанавливают деревянный ящик с ярко раскрашенной мишенью (см. цветную вклейку III, верхний рисунок). Ребята соревнуются в меткости попадания в центральный круг мишени небольшим резиновым мячом с расстояния 5—6 м. При удачном броске над мишенью загорается сигнальная лампочка.
В аттракционе использована простая электрическая цепь. Монтаж цепи выполнен внутри ящика, стенки которого сделаны из фанеры толщиной 4—6 мм. Задняя стенка ящика съемная для облегчения доступа к элементам электрической цепи.
Источник тока укреплен внутри ящика справа или слева от мишени. Устройство, включающее лампочку при попадании мяча в центральный круг мишени, состоит из деревянного стержня, к которому прикреплен диск центрального круга мишени, и деревянной трубки, на которой установлены упругие металлические контакты. (В качестве трубки можно использовать деревянную катушку из-под ниток.) На конец стержня надет металлический наконечник. Трубка-катушка двумя шурупами прикреплена внутри ящика к его стенке над отверстием в центре мишени. Через это отверстие стержень с наконечником вставлен в канал катушки так, чтобы диск центрального круга выступал над поверхностью мишени на 3—4 мм, а металлический наконечник не касался контактов цепи. При метком броске мяча последний, ударяя по диску, толкает стержень и наконечник замыкает контакты цепи, включая сигнальную лампочку.
Тир готов! В игре-соревновании могут участвовать не менее трех человек: один судья, а остальные соревнующиеся. Победителями становятся те, кто из возможных, например, 20 бросков наберет наибольшее количество очков. Судья во время соревнования находится около тира и после каждого удачного броска размыкает электрическую цепь, вытаскивая немного наконечник центрального круга.
Простую электрическую цепь можно использовать и в других случаях для электрификации спортивного инвентаря.
Попробуйте, например, электрифицировать кольцевой эспандер — прибор, позволяющий развивать силу кистей рук. Каждое сжатие эспандера должна отмечать вспышка лампочки. Наибольшее количество вспышек определит победителя среди соревнующихся ребят.
Тренажер «Пиши красиво». Тренажерами называют устройства, помогающие человеку в упражнениях по развитию ловкости, точности движений, наблюдательности и пр. С помощью этого тренажера школьники-первоклассники могут упражняться в правильном написании трудных букв и цифр.
Внешний вид прибора показан на цветной вклейке V, нижний рисунок. Он прост в изготовлении. На планшет из тонкого листа железа (размерами 250X200 мм), расположенный наклонно, наклейте вырезанные из бумаги контуры букв и цифр (ширина линий — около 1,5 мм). Укрепите на нем также лампочку, а под ним — с обратной стороны — батарейку. Через корпус шариковой ручки, из которой удален пишущий стержень, протяните монтажный провод. Один конец этого провода соедините с положительным полюсом источника тока, а другой конец зачистьте и закрепите в корпусе ручки. Торцевой контакт в цоколе лампочки соедините с отрицательным полюсом батареи, а винтовую нарезку — с планшетом.
В игре могут участвовать несколько человек. Играющий должен взять ручку-щуп и вести его точно по линии буквы или цифры, тренируясь в правильном ее написании. Если щуп сойдет с буквы и коснется металла, то замкнется электрическая цепь и лампочка загорится. При этом играющий должен передать ручку-щуп другому.
Тренажер «Твердость руки». В этой игре-тренажере тоже использована простая электрическая цепь. Для изготовления прибора требуется медный провод диаметром 2,5—3 мм и длиной 1,5 м. Проволоку выпрямите, тщательно зачистьте до блеска наждачной бумагой, а затем свейте в спираль и укрепите на деревянной подставке (рис. 23). На подставке укрепите также сигнальную лампочку, соединенную со спиралью и одним из полюсов источника тока. Ко второму полюсу источника тока присоедините щуп (его надо сделать из того же провода, что и спираль), конец которого изогнут в виде кольца диаметром 15 мм.
Рис. 23Рис. 23Задача играющего заключается в том, чтобы провести щуп по спирали, не коснувшись ее. Игру можно усложнить. Для этого следует качнуть спираль, она начнет колебаться, и играющим будет труднее выполнить свою задачу.
Рис. 23
Рис. 23
Возможна иная конструкция этого тренажера. В качест-
ве основания для него используйте металлическую пластинку, в которой сделана длинная зигзагообразная или спиралевидная прорезь. Щупу придайте форму стержня. Играющий должен провести щуп вдоль прорези в пластине, не коснувшись ее боковых сторон, так, чтобы сигнальная лампочка не вспыхнула ни разу.
Подумайте, как лучше укрепить такую пластинку с прорезью и как соединить ее с батарейкой и лампочкой.
Воспользовавшись простыми электрическими цепями, постройте световой телеграф. Чтобы обмениваться световыми сигналами со своим другом, вам понадобятся две лампочки, укрепленные на подставках, два кнопочных выключателя и две батарейки; соедините их надлежащим образом — и световой телеграф готов. Освоив азбуку Морзе, вы сможете использовать этот прибор в разнообразных увлекательных играх.
ШАГ ТРЕТИЙ
ЛАМПА ЗА ЛАМПОЙ
Напор и напряжение. Что такое «вольт»! если разобрать батарейку... Последовательное соединение источников тока. Две лампочки вместо одной. Еще одна конструкция лампового патрона. Возьмем и две батарейки. Почему лампочки не загораются! Ошибка найдена и устранена! Гирлянды для новогодней елки. Сколько же потребуется батареек! Подумай и сделай
Мы уже говорили об электрическом токе, сравнивая его с потоком воды. Это сравнение не случайно. Во-первых, перемещение заряженных частиц по проводнику действительно напоминает направленное движение воды — в реке или ручье. Во-вторых, в любом потоке между истоком и устьем существует напор воды (именно поэтому она и течет!), а в электрической цепи заряженные частицы от одного полюса к другому движутся потому, что в ней (в цепи) есть электрическое напряжение.
Различные источники тока характеризуются разными напряжениями. Для оценки напряжения используют специальную единицу— вольт. Это название она получила в честь известного итальянского ученого Алессандро Вольта (1745—1827). Сокращенно «вольт» обозначают прописной буквой В.
Вы, несомненно, не раз уже слышали это слово от родителей или старших товарищей, когда речь в разговоре заходила, например, о городской электросети, квартирной электропроводке или о каких-либо бытовых электрических приборах.
Так, говорят, что напряжение городской электросети —220 В, надписи на стеклянной колбе лампы настольного электрического светильника и на корпусе электрического утюга указывают, что эти приборы рассчитаны на включение в сеть с напряжением 220 В.
220 В — это довольно большое или, как говорят в электротехнике,— высокое напряжение. Настолько высокое, что прикосновение к оголенным проводам, по которым проходит электрический ток при таком напряжении, опасно для жизни. Позднее мы еще поговорим об этой опасности, ее причинах и мерах предосторожности, которые необходимо строго соблюдать, имея дело с таким напряжением. А пока обратимся к источникам тока, напряжение которых гораздо меньше, так что они совершенно безопасны в обращении (и поэтому их часто называют низковольтными).
С одним из таких источников тока вы уже имели дело — это батарейка карманного фонарика 3336Л. На корпусе этого источника тока можно прочесть: 4,5 В (см. рис. 16). Таково напряжение между полюсами этой батарейки.
Возможно, вам попадались и другие источники тока, например батарея «Крона», гальванические («сухие») элементы 316-«Уран», 373-«Марс» и т. п. (см. цветную вклейку IV, верхний рисунок). Их в большом количестве выпускает наша промышленность для питания переносных радиоприемников, магнитофонов, электрифицированных игрушек и других устройств. Напряжение между положительным и отрицательным полюсами батареи «Крона» — 9 В, а у гальванических элементов типа «Уран» и «Марс» оно составляет 1,5 В. Эти напряжения также указаны на корпусах источников тока.
Значит, у «плоской» батареи 3336Л напряжение в три раза больше, чем у гальванического элемента «Уран» или «Марс».
Почему?
Чтобы найти ответ на этот вопрос, разберите старую, отслужившую свой срок батарейку 3336Л. Для этого достаточно разорвать и удалить ее картонный футляр-оболочку. Вы обнаружите, что внутри находятся три цинковых цилиндрических стаканчика, каждый из которых по форме очень похож на элементы «Уран» или «Марс». Сходство это не только внешнее. Если разрезать цинковый корпус элемента «Марс» и точно так же вскрыть один из стаканчиков батарейки 3336Л, то можно убедиться, что устроены они одинаково (рис. 24). Внутри стаканчика (который служит отрицательным полюсом элемента) помещен полотняный мешочек с пероксидом марганца (порошкообразной черной массой). В нем установлен угольный стерженек. Медный колпачок, плотно насаженный на верхний конец этого стерженька, служит положительным полюсом гальванического элемента. Внутри стаканчика между его стенками и мешочком находится густой клейстер, приготовленный из муки на растворе нашатыря. Химическое воздействие этого раствора на цинк и
приводит к возникновению электрического тока в замкнутой цепи. Сверху стаканчик залит слоем смолы, в котором сделано небольшое отверстие для выхода образующихся при работе элемента газов.
Разбирая батарею, будьте аккуратнее, а после выполнения этой работы обязательно вымойте руки с мылом.
Присмотритесь теперь к цилиндрикам-элементам батарейки 3336Л. Вы увидите, что угольный стерженек первого из них соединен с цинковым корпусом второго, а угольный стерженек второго — с цинковым корпусом третьего элемента. От цинкового корпуса первого элемента и от угольного стерженька третьего элемента через смолу выведены жестяные пластинки — они-то и являются полюсами батареи.
Итак, в батарее 3336Л три гальванических элемента соединены последовательно — один за другим. И так как каждый из них имерт напряжение 1,5 В (а при таком соединении элементов их напряжения складываются), то общее напряжение батареи и составляет 4,5 В.
Значит, чтобы получить источник тока с напряжением 4,5 В, не обязательно иметь «плоскую» батарейку 3336Л. Можно взять три гальванических элемента «Марс» или «Уран» и соединить их последовательно, т. е. так же, как соединены элементы в батарее 3336Л.
Более того, путем последовательного соединения нескольких гальванических элементов можно получить и другие напряжения: 3, 6, 9 В и т. д: Так нередко и поступают.
Папример, во многих переносных радиоприемниках и магнитофонах, рассчитанных на напряжение 9 В, имеется специальное углубление в корпусе — отсек питания. В него вставляют гальванические элементы — шесть штук. При этом укладывают их так, чтобы колпачок угольного стержня («плюс») каждого последую1 щего элемента упирался в дно цинкового стаканчика («минус») предыдущего элемента — получается последовательное соединение элементов. Общее напряжение собранной таким образом батареи составляет 9 В:
1,5 ВХ6= 9 В.
Заметим теперь, что выше на принципиальной схеме простой электрической цепи (см. рис. 19) мы не совсем точно изобразили источник тока. Так, как показано на этом рисунке, изображают
отдельный гальванический элемент. Батарею же, содержащую несколько элементов, соединенных последовательно, изображают на схемах так, как показано на рисунке 25, и обозначают буквами GB.
Теперь внимательно рассмотрите лампочку от карманного фонарика, которую вы использовали, собирая простейшую электрическую цепь. На ее цоколе (винтовой нарезке) видна надпись: 3,5 В. Вы уже знаете, что так показывают напряжение, на которое рассчитана эта лампочка,— ее рабочее напряжение.
Если в цепи, собранной по схеме (см. рис. 19), вы использовали новую («свежую») батарейку 3336J1, то нить этой лампочки должна была светиться очень ярко: ведь напряжение источника тока (4,5 В) было даже немного выше, чем требуется для ее нормальной работы. С течением времени батарейка разряжается и напряжение ее снижается. Поэтому лампочка и рассчитывается на напряжение 3,5 В.
Наша промышленность выпускает такие же по внешнему виду лампочки, рассчитанные на другие напряжения: 2,5, 6,3 и 26 В. Если в вашем распоряжении окажутся такие лампочки, то вы можете убедиться, что лампочка, на цоколе которой указано «6,3 В», при подключении к батарейке 3336Л будет светиться тускло, а лампочка на 26 В вообще не будет гореть. Что же касается лампочки с рабочим напряжением 2,5 В, то ее лучше не присоединять к такой батарейке, так как она быстро перегорит: для нее напряжение 4,5 В окажется слишком большим.
Заметим, что напряжение можно измерить. Для этого существуют специальные измерительные приборы-—вольтметры. У вольтметра имеется шкала, на которой нанесены деления в вольтах, и стрелка-указатель, а также две клеммы, с помощью которых прибор подключают к электрической цепи. Если клеммы вольтметра присоединить проводниками к полюсам источника тока (рис. 26, а), то стрелка отклонится, указывая по шкале значение его напряжения. На рисунке 26, б показаны условные графическое и буквенное обозначения вольтметра и схема его включения в цепь.
После того как вы научились соединять последовательно источники тока, у вас могла появиться мысль: а нельзя ли последовательно соединить и потребители? Например, в простой цепи, схема которой приведена на рисунке 19, вместо одной лампочки
Рис. 27Рис. 27включить две. Что ж, попробуйте. Для этого понадобится изготовить еще один ламповый патрон — для второй лампочки. Его можно сделать, конечно, так же, как и первый. Но мы здесь опишем другую конструкцию лампового патрона, которую вы сможете использовать во многих своих самоделках.
Рис. 27
Рис. 27
Вырежьте из картона полоску длиной 40 мм и шириной 3 мм. Возьмите два куска монтажного изолированного провода длиной 300—400 мм. У одного из них удалите изоляцию на отрезке длиной 100 мм, у другого — на отрезке длиной 50 мм. Коротким оголенным концом провода обмотайте середину картонной полоски (рис. 27, а). Затем согните картонную полоску, наложите на торцевой контакт лампочки (рис. 27, б) и с помощью плоскогубцев прикрутите картон длинным концом оголенного провода к цоколю лампочки (рис. 27, в). После этого оба провода сложите вместе и обвяжите ниткой. При этом проследите, чтобы оголенные концы проводов не соединялись (рис. 27, г); затем, отогнув края картонной полоски, плотно обмотайте цоколь изоляционной лентой (рис. 27, б).
Патрон готов. Лампочку надо ввернуть плотнее, так, чтобы образовался хороший контакт патрона,— и можно присоединять собранное устройство к другим частям электрической цепи.
Схема электрической цепи с батарейкой 3336Л и двумя последовательно включенными лампочками приведена на рисунке 28. Соберите цепь по этой схеме и, внимательно проверив ее (все ли соединено так, как нужно), замкните прерывателем тока.
Если вы использовали лампочки, рассчитанные на напряжение 3,5 В, то вас ждет некоторое разочарование: хотя все соединения и выполнены правильно, обе лампочки будут светиться слабо.
А может быть, вы не удивлены и предвидели такой эффект? Ну конечно же, этого следовало ожидать. В самом деле, если в цепи с одной лампочкой на эту лампочку приходилось напряжение батарейки, т. е. 4,5 В, то теперь это напряжение распределяется между двумя лампочками. Поэтому на долю каждой из них приходится лишь немногим более 2 В, а такого напряжения уже недостаточно, чтобы лампочка светилаы
нормально, полным накалом.
Как же быть?
Ответ найти нетрудно: нужно в этой цепи использовать лампочки, рассчитанные на напряжение 2,5 В. Тогда, очевидно, каждая из таких лампочек будет светиться ярче.
Есть и другой выход: оставить в цепи лампочки на 3,5 В, но в качестве источника тока взять две батарейки 3336Л, соединив их последовательно. И в этом случае обе лампочки,
3333
33
33
получая необходимое рабочее напряжение, будут ярко светиться.
Такой совет мы дали одному мальчику, конструировавшему электрифицированную игрушку, в которой нужно было установить две лампочки на рабочее напряжение 3,5 В. Он быстро начертил схему цепи с двумя батарейками и двумя лампочками (рис. 29). Но когда по этой схеме была собрана электрическая цепь, то оказалось, что при включении прерывателя тока лампочки не загораются совсем. Напрасно Вова (так звали нашего юного конструктора) еще и еще раз проверял, надежны ли контакты,— лампочки упорно «не желали» гореть!
В чем же была ошибка?
В том, что Вова соединил между собой одинаковые (одноименные) полюса двух батареек — «плюс» одной батарейки с «плюсом» другой, а лампочки присоединил к «минусам». Такое «встречное» включение двух одинаковых источников тока приводит к тому, что напряжение на лампочках равно нулю — и поэтому они не горят.
Как же правильно изобразить схему цепи с последовательным соединением двух батареек и двух лампочек?
Ответ на этот вопрос дан на рисунке 30. И стоило нашему юному другу лишь поменять местами провода, присоединенные к одной из батареек, как обе лампочки ярко засияли, убедительно показывая, что ошибка найдена и устранена!
Теперь, пожалуй, вы не удивитесь, если мы скажем, что в одной электри- ческой цепи можно в качестве потребителя включить последовательно не только две, но и три, и четыре, и более лампочек. Нужно только, чтобы напряжение источника тока было достаточно большим.
Где может понадобиться такая гирлянда из нескольких одновременно заго- эающихся лампочек?
С помощью ламповых гирлянд можно составлять различные световые табло и надписи, праздничные плакаты и лозунги. Да и сами по себе гирлянды из разноцветных светящихся электрических лампочек могут служить прекрасным праздничным украшением карнавала, новогодней елки, школьного бала.
2. Зак 1533 М А Галагузова
Давайте-ка и мы с вами сконструируем и изготовим небольшую елочную гирлянду из разноцветных лампочек для праздника Нового года. Пусть наша гирлянда будет состоять из 10 разноцветных лампочек. Сколько же батареек 3336Л нам понадобится для питания такого потребителя?
Если в нашем распоряжении будут лампочки на 2,5 В, то для питания электрической гирлянды достаточно будет включить последовательно 4 или 5 батареек. Кроме лампочек и батареек, в цепи должен быть и прерыватель тока — ключ (рис. 31). Для размещения батареек целесообразно сделать небольшой деревянный ящичек соответствующих размеров. На стенке этого ящичка можно установить ключ, а для установки лампочек понадобятся десять ламповых патронов — их конструкция была описана выше. Длину проводов, соединяющих патроны с лампочками в. гирлянду, рассчитайте сами, сообразуясь с размерами предстоящего украшения.
Чтобы окрасить лампочки, можно купить жидкость для снятия лака с ногтей (или ацетон) и разлить ее в несколько маленьких пузырьков. В пузырьках с жидкостью растворите кусочки цветного целлулоида, которые можно взять от старых целлулоидных игрушек. Полученной краской и окрасьте лампочки. Это можно сделать с помощью кисточки. Другой способ изготовления краски для лампочек заключается в следующем: в ацетоне растворяют пасту из стержней шариковых ручек.
После того как краска высохнет, подвесьте готовую гирлянду на елку, а ящичек с источником тока — батарейками — установите у подножия елки, замаскировав его «снегом» (ватой). Теперь нужно лишь «повернуть» ключ — и елйа засияет яркими разноцветными огнями гирлянды.
Подобно елочной гирлянде к празднику 7 Ноября (8 Марта или 1 Мая) придумайте и сделайте красочные световые плакаты. Но прежде рассчитайте, сколько лампочек и батареек вам понадобится и как следует их соединить между собой.
Игра «Полет на Марс». В основу этой игры положен принцип действия описанного выше электрифицированного устройства для тренировки «твердости руки», состоящего из отрезка изогнутой проволоки и металлического крючка, который надо провести вдоль проволоки, не касаясь ее (при касании вспыхивает сигнальная лампочка).
Игру оформляют в виде планшета с траекторией космического полета «Земля — Марс» на фоне звездного неба (см. цветную вклейку IV, средний рисунок). Для этого планшет оклеивают черной плотной бумагой (или белой, которую затем окрашивают
в черный цвет). После того как бумага просохнет, на ней рисуют Землю, Марс, звезды. «Траекторию полета» — соответствующим образом изогнутую медную или алюминиевую проволоку диаметром 1—2 мм — устанавливают на высоте 3—4 мм от поверхности планшета. Она соединяет изображенные на планшете Землю и Марс и состоит из трех участков, последовательно соединенных между собой: участка старта с Земли, участка полета в межпланетном пространстве и участка облета Марса и посадки на эту планету. Чтобы проволока не западала в отверстия на планшете, на нее необходимо надеть (на высоту подъема над планшетом) полихлорвиниловые трубочки.
В углу планшета укрепляют сигнальную лампочку, сбоку выводят щуп с проволочным крючком на конце. Ручку щупа можно сделать деревянной и придать ей форму космического корабля. С внутренней стороны планшета элементы цепи (источник тока, лампочка, участки цепи) соединяют по схеме.
В игре участвуют два-три человека. Задача играющих состоит в том, чтобы провести «космический корабль» с крючком вдоль проволочной «траектории», не задевая ее. За прохождение каждого участка играющий получает 5 очков. Если крючок задевает проволоку — вспыхивает лампочка. За это с игрока берут штраф — одно очко. После трех вспышек «космический корабль» передается другому игроку. Выигрывает тот, кто при «полете» с Земли на Марс наберет большее число очков.
«Мигающий» зверь. Эту электрифицированную игрушку вы можете сделать для малышей. Она представляет собой фигурку льва (или волка, лисы, кошки и т. п.), у которой в глаза вмонтированы две последовательно соединенные лампочки (см. цветную вклейку IV, нижний рисунок). Подвижный хвост фигурки связан с установленными внутри нее металлическими контактами, которые соединены с лампочками и батарейкой (последняя также находится в фигурке животного). Если качнуть хвост игрушки, то он начинает раскачиваться, и в такт с этим качанием загораются и гаснут лампочки в глазах у зверя — лев «мигает».
Фигурку льва изготовляют из папье-маше (можно использовать и готовую—целлулоидную или пластмассовую). Хвост делают из железной проволоки (кончик хвоста утяжеляют для увеличения времени одного колебания) и прикрепляют к концу упругой стальной пластинки. Другой конец этой пластинки закрепляют неподвижно в «теле» зверя — он служит одним из контактов прерывателя тока. Вторую контактную пластинку укрепляют над первой, как показано на рисунке.
Игра «Включи лампочку». В электрической цепи последовательно соединять можно не только источники тока и потребители (о чем шла речь выше), но и любые другие элементы, например ключи. Именно на таком последовательном соединении нескольких ключей основана эта игра. На рисунке 32 показан ее внешний вид.
Рис. 33Рис. 33Электрическую цепь монтируют на верхней крышке- панели картонной коробки или фанерного ящика. В панели делают 9 отверстий диаметром 6 мм на расстоянии 18,5 мм друг от друга. В отверстия вставляют и закрепляют гайками штепсельные гнезда (их можно взять от старой электроарматуры). Сигнальную лампочку тоже устанавливают на панели, а источник тока — батарейку — под ней, внутри коробки. Крайние штепсельные гнезда 1 и 9 (рис. 33) через лампочку HL1 соединяют с батарейкой, как показано на схеме. (Обратите внимание: на этой схеме показано не только, как соединены между собой элементы, но и как они расположены и смонтированы на панели. В отличие от принципиальных схем, подобные схемы называют монтажными).
Рис. 33
Рис. 33
Штепсельные гнезда можно попарно соединять различным образом. Их соединяют под панелью специальными пере
мычками из жести или латуни (форма и примерные размеры, перемычек указаны на рисунке). Для соединения двух гнезд перемычку устанавливают и зажимают гайками. Над панелью такие соединения осуществляют с помощью обычных штепсельных вилок, у которых оба контакта замкнуты коротким проводником. И перемычки, и штепсельные гнезда выполняют здесь роль ключей — они замыкают участ
ки цепи между гнездами.
В игре участвуют двое. Первый из играющих, используя две перемычки, соединяет под панелью попарно какие-либо гнезда так, чтобы можно было двумя вилками над панелью замкнуть цепь — включить лампочку (например, перемычками соединяют гнезда 2—3 и 6—9; тогда цепь можно замкнуть, соединив вилками гнезда 1—2 и 3—6). Но свои соединения первый из играющих делает втайне от второго. Второй же должен попытаться включить лампочку штепсельными вилками. Затем играющие меняются ролями. Побеждает тот, кто включит лампочку наименьшим числом переключений штепсельных вилок.
«Морской бой». Вы, конечно, знаете игру «Морской бой»,
которая ведется на двух листах бумаги. На основе принципа описанной выше игры «Включи лампочку» можно изготовить электрическое устройство для обнаружения «кораблей» противника.
Готовое устройство показано на цветной вклейке V, вверху. В приборе используют две одинаковые электрические цепи (у каждого играющего своя), состоящие из источника тока, лампочки и штепсельной вилки (см. цв. вкл. V, средний рисунок). Вертикальные щиты — поля игры представляют собой панели, разделенные на 36 квадратов. В каждом из квадратов по одному штепсельному гнезду, расстояние между которыми 18,5 мм. Подставку, в углубление которой вставляют вертикальные щиты, а также установлены батареи и лампочки, можно сделать из фанеры или реек. Удобна для этой цели и готовая картонная или пластмассовая коробка подходящих размеров.
У каждого играющего свое поле с «кораблями» — перемычками из жести или латуни, которые не видны противнику. Штепсельные вилки соединены гибкими изолированными проводниками с батареями и лампочками. С помощью этих штепсельных вилок играющие находят «корабли» противника. Если вилку вставить в гнезда, где находится вражеский «корабль», то замкнется электрическая цепь и лампочка загорится. Это означает гибель «корабля», и играющий делает следующую попытку. Если же «корабль» не обнаружен, то ход делает противник.
Количество «кораблей» может быть произвольным. Играют до уничтожения всех «кораблей» одного из игроков или по договоренности выигрывает тот, кто быстрее уничтожит половину «кораблей» противника.
ШАГ ЧЕТВЕРТЫЙ
ОТ ГИРЛЯНДЫ К ЛЮСТРЕ
Лампы не вечны. Почему гаснет гирлянда! Сравнение гирлянды с люстрой. Лампочки «обретают независимость». Словно «рукава» одной реки. Сила тока в цепи. Что такое «ампер»! Еще несколько опытов. Модель люстры. Когда сила тока возрастает... И снова выход — взять две батарейки, но... Подумай и сделай
Электрические лампочки в вашей квартире иногда выходят из строя — перегорают. Висит, например, под потолком в коридоре лампочка. Год, два, а то и более включают и выключают ее по мере надобности, не задумываясь... Но вот однажды щелкнет выключатель — и лампочка, ярко вспыхнув, гаснет... навсегда.
Что случилось?
Рассматривая вывернутую из патрона лампочку, вы замечаете разрушенную нить накала и темный налет на внутренней поверхности колбы: перегорела. Приходится заменять ее новой...
В изготовленной вами электрической елочной гирлянде много лампочек. И поэтому, если вы ею пользуетесь, то рано или поздно какая-нибудь из них перегорает. Как вы думаете, что произойдет при этом с остальными лампочками этой гирлянды?
Немного поразмыслив, вы придете к заключению, что в этом случае все другие лампочки гирлянды тоже должны погаснуть. Не потому, конечно, что и они выйдут из строя. Просто перегоревшая лампочка образует разрыв в электрической цепи. А если цепь не замкнута, то тока нет — и лампочки не светятся.
В этой особенности последовательно соединенных лампочек заключается одно из главных неудобств такого способа включения потребителей. Представьте себе, например, что было бы, если бы все потребители электрической энергии в вашей квартире соединили последовательно. Тогда для включения, например, электрического утюга пришлось бы ввести в действие и все другие электрические приборы: холодильник, телевизор, настольную лампу и прочее. И если бы один из них вышел из строя, то прекратили бы работу и все остальные.
Очень неудобно!
Различные потребители электроэнергии в квартире необходимо присоединять к источнику тока — городской электросети — независимо друг от друга! Здесь последовательное соединение не годится.
Хорошим украшением большой комнаты в современной квартире является нарядная, переливающаяся огнями люстра. В ней, как и в гирлянде, несколько лампочек — четыре, пять, а иногда и больше. Но вы, конечно, обратили внимание, что если и перегорает в люстре одна из ламп, то остальные светятся, как ни в чем не бывало. Значит, лампочки в люстре соединены не так, как в гирлянде, не последовательно.
А как же?
Чтобы разобраться в этом, проделайте такой опыт.
Сначала из батарейки, лампочки с патроном, ключа и соединительных проводов составьте уже знакомую вам простую электрическую цепь (рис. 34, а). Проверьте ее внимательно и убедитесь в том, что при замыкании контактов SA1 лампочка HL1 загорается. Затем возьмите еще одну такую же лампочку HL2 с патроном и соедините проводами каждый из контактов (выводов) этого патрона с таким же выводом первого патрона, как показано на рисунке 34, б.
Если теперь вы замкнете полученную электрическую цепь ключом SA1, то обе лампочки-—HL1 и HL2—должны вспыхнуть одновременно и гореть одинаково ярко — полным накалом.
Нетрудно понять, почему это происходит. Ведь при таком —
ббаапараллельном — соединении лампочек к каждой из них от источника тока подводится полное напряжение gbi\ батарейки, т. е. 4,5 В.
б
б
а
а
Но очень важно и другое — при таком соединении двух лампочек они оказы
ваются взаимно независимы- Рис 34 ми. В этом легко убедиться.
Выверните немного лампочку HL1 из патрона так, чтобы разомкнулся ее торцевой контакт. Лампочка погаснет. А что при этом произойдет с лампочкой HL2?
Ничего! Она по-прежнему будет светить: ведь напряжение от источника тока продолжает подводиться к этой лампочке, и через ее нить накала продолжает проходить ток!
Теперь попробуйте ввернуть лампочку HL1 в патрон до упора (она снова загорится) и выверните немного лампочку HL2. Что
происходит?
На этот раз лампочка HL1 горит, хотя лампочка HL2 погасла.
Итак, при параллельном соединении двух лампочек каждая из них светит сама по себе, вне зависимости друг от друга. Выключить одновременно обе светящиеся лампочки можно,
лишь разомкнув цепь.
Как же проходит ток по такой электрической цепи? Проследим по схеме, изображенной на рисунке 34, б. От положительного полюса батарейки ток течет до точки т и здесь разветвляется на два проводника — один с лампочкой HL1, другой — с лампочкой HL2. В точке п цепи обе ветви вновь соединяются, и ток «направляется» к отрицательному полюсу батарейки. Это происходит подобно тому, как поток воды в реке распре
деляется по двум «рукавам», которые сходятся затем вновь (рис. 35).
Обратите внимание на то, что в неразветвленной части этой цепи поток протекающих ежесекундно зарядов или, как го
ворят в электротехнике, сила тока вдвое больше, чем число зарядов, проходящих за эту же секунду через нить каждой из лампочек (так как заряженные частицы нигде не скапливаются
Рис. 35Рис. 35и никуда из цепи не уходят). Этим цепь с параллельным соединением элементов отличается от цепи с последовательным их соединением, где на любом участке сила тока одна и та же.
Рис. 35
Рис. 35
Для того чтобы можно было оценить силу тока в раз
ных электрических цепях и в отдельных частях неразветв-
ленных цепей, введена специальная единица силы тока — ампер.
Это название дано в честь знаменитого французского ученого Андре Мари Ампера (1775—1836). Сокращенно «ампер» обозначают прописной буквой А.
Посмотрите теперь внимательно на цоколь лампочки от карманного фонаря. Кроме уже знакомой вам надписи «3,5 В», рядом с ней вы увидите еще одну (о ней мы ранее не упоминали): «0,26 А». Эта надпись означает, что лампочка рассчитана на силу тока 0,26 А. Именно такой силы ток обеспечивает ее нормальное свечение.
Подобные же надписи-указания вы можете увидеть и на других технических приборах и устройствах — потребителях электрической энергии.
Значит, каждый потребитель характеризуется не только рабочим напряжением (о чем мы упоминали выше), но и рабочей силой тока, обеспечивающей его нормальное действие. Такая сила тока получается именно при рабочем напряжении, на которое рассчитан потребитель.
Например, для того чтобы лампочка, на цоколе которой имеется надпись: «3,5 В 0,26 А», светилась нормально, полным накалом, нужно присоединить ее к источнику тока с напряжением 3,5 В. При этом сила тока, проходящего по ее вольфрамовой нити, окажется равной 0,26 А. Если подвести к такой лампочке меньшее напряжение (например, 1,5 В — от гальванического элемента 373-«Марс»), то сила тока в лампочке окажется гораздо меньше, чем требуется, чтобы раскалить ее нить добела, и лампочка будет светиться тускло.
Если же, наоборот, присоединить эту лампочку к источнику тока с большим напряжением (например, к батарее «Крона», у которой она составляет 9 В), то сила тока увеличится настолько, что нить лампочки от перегрева расплавится — перегорит, и лампочка испортится.
Вообще, чем больше подводимое от источника тока напряжение, тем больше и сила тока, проходящего через потребитель. Эту важную закономерность следует всегда помнить.
Рис. 37Рис. 37силу тока. На рисунке 36, бсилу тока. На рисунке 36, бСилу тока в цепи, как и напряжение, можно измерить. Для этого существуют специальные измерительные приборы — амперметры. У амперметра деления на шкале нанесены в амперах (или долях ампера). Включают его в электрическую цепь последовательно с потребителем, т. е. в разрыв цепи (рис. 36, а). При замыкании цепи по амперметру протекает такой же ток, как и по проводам. Стрелка амперметра отклоняется, показывая по шкале
Рис. 37
Рис. 37
силу тока. На рисунке 36, б
силу тока. На рисунке 36, б
показаны условные графическое и буквенное обозначения амперметра и схема его включения в цепь. На фотографии (рис. 37) показаны школьный вольтметр и амперметр.
Однако вернемся к схеме электрической цепи с двумя параллельно соединенными лампочками (см. рис. 34, б). Мы уже отмечали, что включать и отключать здесь можно лишь обе лампочки одновременно с помощью выключателя SA1. А как быть, если отключить нужно только одну из лампочек?
Очевидно, для этого понадобится «ввести» в каждую ветвь цепи с лампочкой отдельный, «свой» ключ. Схема такой цепи показана на рисунке 38. Соберите эту цепь и проверьте, как она работает. Вы убедитесь, что, пользуясь двумя ключами SA1 и SA2, можно включать как обе лампочки одновременно, так и каждую из них отдельно. Именно так — параллельно — и присоединяют к городской электрической сети различные потребители электроэнергии в вашей квартире.
Попробуем теперь немного усложнить изученную электрическую цепь. Как вы думаете, что произойдет, если параллельно одной из лампочек, например параллельно HL2, присоединить третью такую же лампочку HL3, как показано на рисунке 39?
Рис. 40Рис. 40Проверьте ваши предположения, собрав такую цепь и испытав ее.
Рис. 40
Рис. 40
Что у вас получилось?
Во-первых, вы убедитесь, что при замкнутых выключателях SA1 и SA2 все три лампочки светятся одинаково ярко (так как теперь все три соединены параллельно). Во-вторых, вы обнаружите, что ключ SA1 позволяет управлять лампочкой HL1, а ключ SA2— сразу двумя лампами HL2 и HL3
Где можно использовать электрическую цепь, собранную по такой схеме?
Не догадались?
Вспомните еще раз о люстре. Ведь именно «двойной» выключатель позволяет нам управлять ее лампочками -- включать «малый» или «большой» свет. Значит, схема, изображенная на рисунке 39, раскрывает секрет соединения ламп в люстре. Теперь вы можете изготовить модель такого трехлампового светильника — внешний вид ее показан на рисунке 40.
Следует заметить, что лампочки накаливания, используемые не для сигнализа
ции, а для освещения, имеют иное условное обозначение (см. приложение в конце книги). Возможно, после этого вы пожелаете сделать светильник посложнее и с большим количеством лампочек. Как это сделать,
теперь вы знаете. Однако примите во внимание следующее.
Батарейка 3336Л — сравнительно слабый источник тока, в ней запасено не так много электрической энергии. Одна лампочка в карманном фонарике, получая энергию от такой батарейки, будет гореть довольно долго. Но если вы присоедините к полюсам этого источника тока люстру, содержащую несколько лампочек, соединенных параллельно, то общий ток в Цепи получится довольно большой, батарейка быстро отдаст лампочкам свою энергию и разрядится. Поэтому лампочки, светившие вначале очень ярко, станут светить все слабее ки слабее, пока совсем не погаснут.
Разумеется, не так уж и трудно догадаться, как можно увеличить запас электроэнергии в этой цепи, чтобы сделать ее работу более продолжительной. Нужно взять в качестве источника тока не одну батарейку, а две или даже три. Последовательно соединять батарейки между собой в этом случае, конечно, нельзя. Ведь при этом вдвое или даже втрое увеличится напряжение на каждой лампочке и они могут перегореть.
Как же поступить?
Батарейки здесь надо включить параллельно друг другу, как и лампочки. Для этого одним проводом соединяют положитель-
ные полюсы батареек — это будет общий «плюс», а другим проводом — отрицательные полюсы батареек — получится общий «минус». К этим общим выводам и подключают потребители — лампочки в люстре — вместе с выключателями (рис. 41). Заметим только, что параллельно можно соединять лишь такие источники тока, у которых напряжение одинаково.
Батарейки и здесь советуем разместить в специально изготовленном для них ящичке.
Знание параллельного соединения источников тока и потребителей электрической энергии позволит вам сконструировать и построить немало различных полезных и нужных приборов и игровых устройств, которые в дальнейшем можно передать в школьную игротеку или оставить дома, чтобы играть со своими братьями, сестрами, друзьями.
Электровикторина «Знаешь ли ты виды тканей?». Это одна из наиболее простых электровикторин. Ее внешний вид и принципиальная электрическая схема показаны на цветной вклейке VI (нижний рисунок). На планшете из плотного картона (или фанеры) наклеены образцы различных тканей. Под каждым из них установлен металлический контакт-болтик, который с обратной стороны планшета закреплен гайкой. В правой части планшета прикреплены таблички с названиями тканей. Рядом с каждым названием также установлен контакт-болтик. На обратной стороне планшета контактные выводы под образцами тканей и у соответствующих названий соединены отрезками монтажного провода.
На лицевой стороне планшета установлена лампочка и выведены щупы — два гибких изолированных провода, с концов которых снят слой изоляции. Батарейка укреплена на обратной стороне планшета.
Если одним щупом коснуться контакта под образцом ткани, а другим дотронуться до контакта у соответствующего названия ткани, то сигнальная лампочка загорится. Таким образом вы можете проверить знания своих друзей — викторина является простейшим экзаменатором.
Тематика и содержание вопросов подобной викторины могут быть самыми разными: «Знаешь ли ты флаги союзных республик?», «Знаешь ли ты минералы?» и т. п. Электровикторины интересны, полезны и могут быть применены на уроках
66/766/7662 i662 iили кружковых занятиях. Например, для ребят второго класса по схеме этой викторины можно сделать экзаменатор «Знаешь ли ты таблицу умножения?». Он поможет школьникам выучить эту таблицу.
66/7
66/7
662 i
662 i
Электровикторина «Съедобные и ядовитые грибы» (см. цветную вклейку III, нижний
рисунок). Здесь электрическая цепь сложнее: в ней использованы две параллельно соединенные лампочки HL1 и HL2. ;
На планшете укреплены рисунки с изображениями различных грибов. Под каждым из них дано название гриба и укреплен металлический контакт-болтик. В нижней части планшета установлены две лампочки (зеленая HL1 — с надписью «съедобные» с ключом SA1 и красная HL2— над словом «ядовитые» с ключом 5Л2) и выведен щуп — XL На обратной стороне планшета укреплена батарейка и выполнены все монтажные соединения.
Играющий, включив ключ SA1, должен коснуться наконечником щупа поочередно контактов у тех рисунков, на которых, по его мнению, изображены съедобные грибы. Если эти грибы указаны правильно, то при каждом касании вспыхивает зеленая лампочка. Чтобы определить ядовитые грибы, играющий проделывает те же действия, предварительно разомкнув ключ SA1 и замкнув SA2. При верном определении ядовитого гриба вспыхивает красная лампочка. Соревнуясь со своими друзьями, постарайтесь запомнить названия и внешний вид грибов.
Числа у контактов на схеме соответствуют следующим изображениям грибов на планшете:
Съедобные грибыОпенокСыроежкаГруздьРыжикПодосиновикЛисичкиМасленокСъедобные грибыОпенокСыроежкаГруздьРыжикПодосиновикЛисичкиМасленокЯдоеитые грибы
Съедобные грибы
Опенок
Сыроежка
Груздь
Рыжик
Подосиновик
Лисички
Масленок
Съедобные грибы
Опенок
Сыроежка
Груздь
Рыжик
Подосиновик
Лисички
Масленок
Мухомор красный
Мухомор серый
Желчный гриб
Сатанинский гриб
Поганка бледная
Ложные опята
Ложные лисички
Игровой аттракцион «Попробуй попади». С помощью этого аттракциона можно упражняться в точности движений. Внешний вид его и схема электрической цепи показаны на рисунке 42. Здесь лампочки HL1 и HL2 соединены параллельно, а роль ключа играет щуп XI, которым можно замыкать цепь то одной, то другой лампочки.
Щуп выполнен в виде тонкой проволоки — «нитки», которую нужно продеть через ушко «иголки» А. Если, «продевая нитку», коснуться «ушка», последовательно соединенного с красной
лампочкой HL1, то она загорится. Если же «продеть нитку», не задевая «ушка», и коснуться на диске металлического кружка В, то загорится зеленая лампочка HL2, соединенная с диском. Задача играющих состоит в том, чтобы набрать большее количество очков — вспышек зеленой лампочки из определенного числа попыток.
Корпус игры — картонная коробка, мишень (пластинка из жести или меди) и лампочки укреплены на картонной подставке, батарея смонтирована внутри коробки. «Ушко» и «нитку» выполняют из медной или алюминиевой проволоки. Диаметр «ушка» должен быть приблизительно на 1 мм больше диаметра «нитки».
Игра «Авторалли». Внешний вид этой настольной игры- соревнования и электрическая схема ее показаны на цветной вклейке VII, вверху.
На планшете, изготовленном из картона или фанеры, установлены две лампочки, окрашенные в зеленый (HL1) и красный (HL2) цвета, и изображена трасса движения гоночного автомобиля. Она разделена на отдельные участки, заканчивающиеся металлическими пластинами (а, б, в, г, д), которые с внутренней стороны планшета соединяются с одним из выводов лампочки HLL Вдоль пути следования автомашины с обеих сторон натянуты отрезки проволоки, которые соединяются внутри планшета с одним выводом лампочки HL2.
Упрощенный макет гоночного автомобиля можно сделать из мягкой жести. Размеры макета должны быть такими, чтобы при его движении по трассе между бортами машины и проволокой оставался зазор 3—4 мм. Автомобилю необходимо придать форму, обеспечивающую хороший контакт его с металлическими пластинами на планшете и проволокой в случае касания. К автомобилю припаивают длинный гибкий изолированный провод. Провод соединяют с одним из полюсов источника тока, установленного также внутри планшета. К другому полюсу источника присоединяют свободные выводы лампочек HL1 и HL2.
Вы уже, наверное, догадались, что принцип работы этой конструкции аналогичен игровому аттракциону «Попробуй попади». Если автомобиль А коснется пластины на планшете, то замкнется цепь с зеленой лампочкой и она загорится. Касание борта машины проволоки замыкает цепь красной лампочки, соединенной параллельно с зеленой. Автомобиль в этой цепи играет роль выключателя то одной, то другой цепи.
В игре могут участвовать несколько человек. Играющий должен провести автомобиль через первый участок трассы, не задевая проволоки. Если при достижении точки а загорится зеленая лампочка, то машина следует дальше. Если же загорится красный свет, играющий передает автомобиль другому, а свой ход начинает с места остановки. Выигрывает тот, кто первым придет к финишу.
Параллельное соединение элементов электрической цепи мож-
но использовать и в других игровых устройствах. Так, для занятий в младших классах можно изготовить электровикторину «Знаком ли ты с героями книг для детей?», для уроков географии — электрифицированную карту Советского Союза с крупнейшими стройками века, для уроков истории — электрифицированное устройство для проверки знаний некоторых дат важнейших исторических событий. Попробуйте вначале на бумаге изобразить схему электрической цепи какой-либо электровикторины, а потом изготовьте ее.
ШАГ ПЯТЫЙ
ПОЧЕМУ НЕ СВЕТЯТСЯ... ПРОВОДА!
В самом деле — почему! Снова опыты. Сопротивление проводников. Что такое «ом»! Закон Ома и чудесный треугольник. Медь и алюминий, нихром и фехраль. Длинные и короткие, тонкие и толстые. Как в зале кинотеатра. Реостаты. Короткое замыкание. Чтобы провода не «светились»... Подумай и сделай
Этот вопрос, наверное, уже не раз приходил вам в голову во время опытов с простой электрической цепью, составленной из батарейки, лампочки, соединительных проводов и ключа. В самом деле, ведь один и тот же ток проходит по всем этим элементам цепи. А между тем нить лампочки раскаляется добела и ярко светится, тогда как провода остаются совсем холодными. Почему же они не нагреваются электрическим током?
Не так-то просто сразу ответить на этот вопрос. Давайте все же попробуем разобраться. Для этого вам придется, как и прежде, выполнить несколько интересных опытов, а потом поразмыслить над их результатами и многое понять.
Кроме уже знакомых элементов электрической цепи (батарейки, лампочки, ключа и соединительных проводов), вам понадобится несложное самодельное приспособление, с помощью которого можно будет вводить в простую цепь некоторые дополнительные элементы. На деревянной или пластмассовой подставке размерами 12X6 см и толщиной 1,5—2 см установите две металлические стойки (из латуни или меди), укрепив их с помощью болтов и гаек, как показано на рисунке 43. Верхние концы этих стоек должны иметь отверстия, в которые тоже вставлены болты с гайками. Они и будут служить клеммами, к которым можно присоединить дополнительные элементы цепи.
В качестве одного из таких элементов используйте спираль из медной проволоки. Для изготовления спирали возьмите отрезок медной проволоки длиной 30—40 мм и диаметром 0,2—
0,3 мм. Проволоку намотайте плотно, виток к витку, на обыкновенный круглый карандаш, а затем карандаш удалите. Концы полученной спирали зачистьте до блеска и изогните в виде петелек, чтобы было удобно присоединять спираль к клеммам стоек.
В качестве другого дополнительного элемента можно взять примерно такой же длины часть спирали от старой, испорченной электрической плитки (спирали электроплиток изготовляют из нихрома — специального сплава на основе никеля и хрома; этим и объясняется название сплава). Концы этой спирали тоже зачистьте и изогните в виде петелек.
После того как все приготовления будут закончены, присту пите к опытам.
Сначала составьте простую электрическую цепь (см. рис. 19) и проверьте ее (при замыкании цепи лампочка должна нормально светиться). Затем разомкните цепь ключом. Установите на стойках изготовленную вами медную спираль и с помощью соединительных проводов введите ее в электрическую цепь последовательно между выключателем и лампочкой, как показано на рисунке 44 (на схеме эта спираль условно изображена прямоугольником). Замкните цепь ключом и обратите внимание на лампочку: она загорается, как и прежде. Следовательно, введение в цепь медной спирали последовательно с лампочкой не изменило яркости ее свечения.
Разомкните цепь и вместо медной спирали установите на стойке нихромовую спираль от электрической плитки.
Снова замкните цепь. Теперь лампочка светится значительно слабее. Значит, сила тока, проходящего через ее нить, значительно уменьшилась.
В чем же дело? Почему медная спираль не оказала заметного влияния на силу тока в цепи, а спираль из нихрома вызвала значительное ее уменьшение? Ведь напряжение источника тока в этом опыте не менялось!
Дело в том, что сила тока в проводнике зависит не только от напряжения, но и от свойств самого проводника. Одним из важных свойств любого проводника является его сопротивление прохождению тока. Поток заряженных частиц — электронов, перемещаясь внутри проводника вдоль цепи, сталкивается
с частицами самого проводника. Это затрудняет их движение, подобно тому как затрудняется бег человека, если на пути ei/o находятся другие люди или какие-либо предметы.
Различные проводники способны оказывать различное сопротивление прохождению тока в цепи. В этом вы и убедились на последних опытах. Медная спираль обладает очень малым сопротивлением, поэтому она не повлияла заметным образом на силу тока и свечение лампочки, а вот примерно такая же по размерам спираль из нихрома из-за своего большого сопротивления вызвала значительное уменьшение силы тока в цепи — и лампочка стала светиться слабее.
Следовательно, сопротивление — очень важная характеристика любого элемента цепи. Для оценки сопротивления различных проводников установлена специальная единица — «ом» — в честь известного немецкого ученого Георга Ома (1787—1854). Сокращенное обозначение этой единицы — Ом.
Итак, вы можете теперь с уверенностью утверждать, что разобрались, от чего зависит сила тока в цепи.
Во-первых (и это мы установили еще в предыдущей беседе), она зависит от напряжения источника тока: чем больше это напряжение, тем больше и сила тока, точнее: сила тока прямо пропорциональна напряжению.
Во-вторых (и это показали последние опыты), она зависит от сопротивления потребителя энергии: чем больше это сопротивление, тем меньше сила тока, а именно: сила тока обратно пропорциональна сопротивлению. Оба эти вывода можно объединить, записав их в виде математического выражения:
сила токасила токанапряжениесопротивление "
сила тока
сила тока
В электротехнике напряжение принято обозначать буквой U, сопротивление — буквой R, а силу тока — буквой /. Воспользовавшись этими обозначениями, можно представить это выражение в виде формулы:
Эта зависимость силы тока от напряжения и сопротивления впервые была установлена Георгом Омом и получила название закона Ома.
Закон Ома — один из основных законов электротехники, его используют во многих электрических расчетах. Этот закон указывает на взаимную связь трех важных величин в электрической цепи и позволяет по любым двум из них найти третью. Нетрудно убедиться, что
R = T- U=IR.
Чтобы не запоминать эти формулы, разместите три буквы U, R и 1 в треугольнике, как показано на рисунке 45. Тогда
этот треугольник поможет вам правильно применять закон Ома при вычислениях. Достаточно закрыть в треугольнике пальцем ту величину, которая неизвестна,— и сразу станет ясно, как ее вычислить.
Попробуйте, например, вычислить сопротивление нити-волоска горящей лампочки в карманном фонарике. Исходные данные и вычисления запишите в виде условия и решения задачи.
Дано:Решение:
/7 = 3,5 ВПо закону Ома (используя «чудесный
/ = 0,26 Атреугольник») находим:
/?-?
«=7 fi=oi^=13’5OM-
Сопротивление элемента или отдельного участка электрической цепи можно не только вычислить (пользуясь законом Ома), но и измерить. Для этого существуют специальные измерительные приборы — омметры.
А теперь мы должны вернуться к рассказу о сопротивлении различных проводников, который еще не окончен.
Знакомясь с электризацией и свойствами электрической проводимости разных веществ, мы уже отмечали, что серебро, медь и алюминий особенно хорошо проводят электричество и поэтому из меди или алюминия делают электрические провода (серебро слишком дорого для этого и его используют лишь в специальной аппаратуре). Теперь вам должна быть понятна эта особенность указанных металлов: медные и алюминиевые провода обладают очень малым сопротивлением по сравнению с подобными проводами, сделанными из железа (стали), никеля, вольфрама и других металлов или сплавов, у которых сопротивление гораздо больше.
Но особенно большим сопротивлением обладают провода из некоторых сплавов, таких, например, как уже упоминавшийся нихром,- константан (сплав меди с никелем), фехраль (сплав железа, хрома, алюминия, марганца и никеля). Из нихромовой и фехралевой проволоки изготовляют спирали нагревательных элементов для электрических плиток, чайников, утюгов, паяльников. А нити-волоски для электрических лампочек, которые должны к тому же выдержать, не плавясь, температуру около 2600°С, делают из вольфрама — самого тугоплавкого из металлических проводников.
Сопротивление провода зависит не только от материала, из которого он изготовлен, но также и от его размеров — длины и толщины (диаметра). В этом вы легко можете убедить-
ся, используя для опытов уже сооранную вами цепь (см. рис. 44). Если включенную в эту цепь нихромовую спираль заменить другой, более короткой, то сила тока возрастет, в чем вы убедитесь по более яркому свечению лампочки. Значит, взяв более короткую спираль, вы уменьшили сопротивление цепи.
Наоборот, удлинив спираль и, следовательно, увеличив ее сопротивление, вы добьетесь уменьшения силы тока в цепи: лампочка будет светиться слабее, а может быть, и вообще
перестанет гореть.
Если вам удастся найти два куска нихромовой проволоки одинаковой длины, но разной толщины, то с помощью подобного же опыта можно убедиться, что чем толще проволока, тем меньше се сопротивление. Вместо более толстой проволоки можно использовать такую же, скрутив ее вдвое или втрое (при одинаковой длине!),— результат опыта будет аналогичен. Впрочем, и без опытов это должно быть понятно: чем тоньше и длиннее проводник, тем более затруднено движение вдоль него заряженных частиц — тем больше сопротивление проводника.
Наши последние опыты и рассуждения не только помогают выяснить, как зависит сопротивление проводника от его формы. Они также указывают способ изменения силы тока в цепи для регулировки свечения лампочки. В самом деле, для этого, оказывается, достаточно изменить длину (и сопротивление!) соединенной последовательно с лампочкой нихромовой спирали. Если в цепь введена длинная спираль, то нить лампочки еле-еле «тлеет». При укорочении спирали лампочка начинает гореть ярче. При удалении спирали вообще (замкнув присоединенные ранее к ее концам провода) лампочка засияет полным накалом.
Можно изготовить простое приспособление для плавного изменения длины включенной в цепь спирали. Оно поможет легко
изменять сопротивление цепи, регулируя яркость свечения лампочки или даже целой люстры,— как в зрительном зале кинотеатра. Такие специальные приборы для регулировки силы тока
в цепи называют реостатами.
Соберите электрическую цепь, включив в нее в качестве потребителя энергии (нагрузки) 2—3 лампочки или изготовленную вами модель люстры. Для регулировки силы тока воспользуйтесь простейшим реостатом. Для этого к одному полюсу источника тока присоедините торцевые выводы всех лампочек (соединенных параллельно), а к другим их выводам присоедините
Рис. 46Рис. 46один конец нихромовой спирали. Ко второму полюсу источника тока с помощью медного провода присоедините зажим типа «крокодил» (такие зажимы можно приобрести в магазине электротоваров). Получится цепь, схема которой показана на рисунке 46. На этой
Рис. 46
Рис. 46
Рис. 47
схеме спираль, как и прежде, изображена прямоугольником, а зажим «крокодил» — стрелочкой.
Перемещая зажим как своеобразный скользящий контакт вдоль спирали, вы тем самым будете изменять длину той ее части, которая введена в цепь, а значит, изменять и сопротивление цепи. При этом, например, с увеличением сопротивления люстра начинает медленно гаснуть — как свет в кинотеатре перед началом сеанса.
Однако наш реостат из нихромовой спирали и зажима «крокодил» очень неудобен в обращении. Настоящие реостаты выглядят иначе. Вот, например, реостат, который вы встретите в любом школьном кабинете физики (рис. 47, а). Константановая проволока намотана на керамический цилиндр. Концы ее присоединены к клеммам 1 и 4. Проволока покрыта тонким слоем окалины, не проводящей ток, поэтому отдельные витки изолированы друг от друга. Над цилиндром расположен металлический стержень, по которому может перемещаться ползунок 3. Своими скользящими контактами он прижат к виткам проволоки. От трения о витки слой окалины под контактами стирается, и электрический ток может протекать от витков проволоки к ползунку, а через него — к стержню, имеющему на конце клемму 2.
Включают такой реостат в цепь с помощью одной из клемм 1 или 4 и клеммы 2. На рисунке 47, б показан реостат с кожухом, применяемым в целях безопасности. Условное обозначение реостата на схемах показано на рисунке 48.
Существует много разнообразных конструкций реостатов. Одна из возможных самодельных конструкций этого прибора показана на рисунке 49. Это — жидкостный реостат. Его нетрудно изготовить. Для этого возьмите две пластинки из жести размерами 30X 120 мм. На одном конце каждой пластинки сделайте отверстие для крепления проводника Этот конец
Рис. 48Рис. 49
загните так, чтобы пластинку можно было укрепить на кромке стакана или стеклянной банки.
Соберите электрическую цепь согласно изображенной на рисунке схеме. Вы видите, что лампочка не горит. Понятно почему — цепь разомкнута. Теперь налейте воды в стакан. Чтобы уменьшить сопротивление воды, растворите в ней чайную ложку поваренной соли (раствор надо готовить заранее). При наполнении стакана раствором лампочка начинает светиться. Регулировать силу тока (и яркость свечения лампочки) можно изменением глубины погружения одной из пластин в жидкость. Такой реостат можно использовать для определения высоты уровня воды в сосуде: чем выше уровень — тем ярче светится лампочка.
После наших опытов, рассуждений и практических работ с электрическими цепями мы можем вернуться к вопросу, поставленному в начале нашей беседы, и объяснить, почему в исправно действующей электрической цепи провода не светятся.
Проходящим по ’ цепи током больше нагреваются те ее участки, которые обладают большим сопротивлением: вольфрамовая нить в лампочке, нихромовая спираль в электрической плитке, утюге, реостате, а медные соединительные провода, обладающие малым сопротивлением, при этой же силе тока почти не нагреваются.
Однако бывает, к сожалению, и так, что медные соединительные провода не только значительно нагреваются, но даже раскаляются и начинают светиться (и может загореться их защитная оболочка — изоляция). Происходит это в тех случаях, когда почему-либо вдруг резко уменьшается и становится очень малым сопротивление цепи и, как следствие этого, многократно возрастает сила тока. В частности, такое явление происходит при коротком замыкании.
Например, если в простой электрической цепи, схема которой показана на рисунке 19, выводы-контакты в ламповом патроне случайно соединятся между собой, то ток будет проходить не по нити лампочки, а по образовавшемуся новому, более короткому пути — напрямую, через соединительные провода, от одного полюса батарейки к другому — произойдет короткое замыкание. Лампочка в этом случае, конечно, сразу погаснет, и энергия батарейки будет передаваться лишь соединительным проводам, которые, таким образом, станут теперь потребителем. Из-за значительно возросшего тока провода быстро нагреваются (и могут расплавиться), а батарейка быстро отдаст накопленный в ней запас энергии и разрядится.
Если же подобное короткое замыкание произойдет в электрической цепи с более мощным источником тока, например в городской электросети, то это может привести к пожару или серьезной аварии.
Чтобы такого не случилось, в электрических цепях устанавливают специальные защитные устройства — предохранители. Простейший предохранитель представляет собой тоненькую про-
Рис. 50Рис. 50Волочку из легкоплавкого металла, вставленную в стеклянную трубочку. Вводится он в цепь последовательно с потребителем. Пока сила тока в цепи не превышает допустимой величины, проволочка не препятствует его протеканию. Но как только из-за короткого замыкания
Рис. 50
Рис. 50
или по какой-либо другой причине сила тока заметно увеличится, тоненькая проволочка от нагревания быстро расплавится (более толстые соединительные провода за это время и нагреться-то не успеют!), цепь окажется разомкнутой и ток прекратится — аварии не произойдет.
Подобные «плавкие» предохранители используют в радиоприемниках, телевизорах и других бытовых электротехнических устройствах. А пробки над счетчиком электроэнергии в вашей квартире — это тоже предохранители, но несколько иной конструкции. Они надежно защищают электрическую сеть от всяких случайностей.
Ламповый реостат. Если параллельно соединить в цепи несколько лампочек, то от числа их будет зависеть сила тока в нсразветвленной части цепи: чем больше включено лампочек, тем больше и сила тока. Поэтому такую группу параллельно включенных лампочек можно использовать в роли реостата — регулятора силы тока.
На рисунке 50 изображена схема цепи, в которой яркость свечения лампочки ELI можно регулировать реостатом, составленным из четырех лампочек HL1—HL4. На схеме каждая из лампочек включается своим ключом SA1—SA4 (SA5—общий ключ цепи). Но можно обойтись и без них: включать или выключать любую лампочку можно ввинчиванием или вывинчиванием ее из патрона.
Вы можете изготовить такой ламповый реостат. Возможный внешний вид его показан на рисунке.
ШАГ ШЕСТОЙ
УЧИМСЯ ПАЯТЬ
Чем сложнее цепь, тем больше соединений. Если хотя бы один контакт нарушен... Что такое пайка! Припой и флюс — зачем они! Знакомимся с электрическим паяльником. Необходима осторожность. Подставка для паяльника. Несколько полезных советов. Легко ли паять! Сувениры из проволоки. Буратино, Чебурашка и другие. Подумай и сделай
При составлении и монтаже электрической цепи бывает необходимо соединить ее части и элементы, используя для этого клеммы, зажимы, штепсельные вилки и гнезда, упорные и нарезные контакты и другие специальные приспособления, а иногда и просто скручивая оголенные концы соединительных проводов. Даже в простой электрической цепи карманного фонарика вы насчитаете около десятка таких соединений. А ведь мы с вами конструируем модели, приборы и игровые устройства с гораздо более сложными электрическими цепями: в них последовательно или параллельно могут быть соединены несколько батареек и лампочек, реостаты и другие элементы. Здесь количество подобных соединений достигает иногда трех-четырех десятков и более.
А электрические цепи современных радиоприемников, магнитофонов, телевизоров содержат сотни и даже тысячи соединенных между собой деталей.
И каждое из этих соединений должно быть не только механически прочным, но и обеспечивать надежный электрический контакт.
Это совсем не так просто. Если в месте соединения проводники недостаточно плотно прижаты друг к другу или если их поверхность покрыта пленкой оксидов, плохо проводящей электрический ток, то при кажущейся прочности соединения оно будет ненадежным. А вы уже знаете, что стоит лишь в одном месте цепи нарушить контакт, как ток прекратится и изготовленный вами прибор перестанет работать.
Как же обеспечить прочность и надежность многочисленных соединений элементов и деталей в сложных электрических цепях?
Одним из наиболее широко применяемых способов такого соединения является пайка. При пайке поверхности соединяемых металлических деталей нагревают и затем покрывают расплавленным припоем — специальным легкоплавким сплавом. Припой заполняет пространство между соединяемыми проводниками и частично растворяется в них. Это обеспечивает после затвердевания припоя механическую прочность и хорошую электрическую проводимость места соединения.
Для пайки деталей из жести, меди и латуни используют припои, представляющие собой сплав олова со свинцом или олова со свинцом и висмутом. Наиболее часто применяют оловянно- свинцовые припои марок ПОС-40 и ПОС-60 (соответственно с 40- и 60-процентным содержанием олова), а также оловянно- свинцово-висмутовый припой ПОСВ-33. Припой ПОС-40 плавится при температуре 235 °C, а ПОС-60—- при 183 °C. Припой ПОСВ-33 имеет температуру плавления около 130 °C — применяют его для пайки деталей и элементов, не допускающих перегрева.
Припой можно купить в магазинах электротоваров. Он поступает в продажу в виде прутков или проволоки диаметром 2—2,5 мм.
Поверхности спаиваемых деталей предварительно очищают от грязи и оксидной пленки. Однако при нагреве во время пайки они могут снова покрываться тонким слоем оксидов, что ухудшает качество соединения. Чтобы этого не произошло, при пайке применяют флюсы — вещества, защищающие поверхность спаиваемых деталей от дальнейшего окисления. Наиболее распространенным флюсом является канифоль. Ее можно приобрести в магазине хозяйственных товаров.
Главный ваш инструмент при пайке соединений электрических цепей — паяльник. Ознакомимся с его устройством и действием.
Электрический паяльник — это «родной брат» электрического утюга, плитки, чайника и других бытовых электронагревательных приборов. Действие таких приборов основано на выделении большого количества теплоты при прохождении электрического тока. Основная часть паяльника (рис. 51) — медный стержень / с заостренным концом — «жалом», вставленный в металлическую трубку 2, вокруг которой расположен нагревательный элемент 3 (нихромовая спираль в оболочке из жаропрочной изоляции — слюды или керамики). Концы спирали нагревательного элемента присоединены к медным изолированным проводам — шнуру 4, который выведен через полую пластмассовую ручку 5 и заканчивается штепсельной вилкой 6. Нагревательный элемент закрыт сверху кожухом 7.
При включении паяльника в электрическую сеть ток проходит через нихромовую спираль и нагревает ее. Выделяющееся тепло передается медному стержню, который нагревается до температуры 300—350 °C. Прикосновениями горячего жала паяльника можно расплавить кусочки припоя и нагреть поверхности спаиваемых деталей до температуры, при которой осуществляется пайка.
Наша промышленность выпускает электрические паяльники различных форм и размеров. Многие из них рассчитаны на включение в городскую сеть с напряжением 220 В. Но вам следует приобрести для работы небольшой и безопасный в обращении низковольтный инструмент. Можно использовать, например, паяльник типа ПСН-25, предназначенный для включения в цепь с
напряжением 36 В. Такие паяльники продаются в магазинах электротоваров вместе с добавочным устройством типа П223, с помощью которого паяльник можно питать и от сети с напряжением 220 В.
Хотя мы и назвали этот паяльник низковольтным и без опасным, при работе с ним необходимо соблюдать определенные меры предосторожности. Работы с паяльником следует выполнять только под наблюдением и руководством взрослых людей!
Следует иметь в виду также, что для работы паяльника штепсельную вилку добавочного устройства П223 присоединяют к розетке электрической сети с напряжением 220 В. А при таком высоком напряжении, как мы уже упоминали, прикосновение к неизолированным токонесущим проводникам цепи связано с опасностью для жизни.
В чем же причина этой опасности?
Дело в том, что тело человека — хороший проводник электричества. Поэтому, когда человек касается проводов, соединенных с различными полюсами источника тока, по его телу начинает проходить электрический ток. Если напряжение источника тока мало—9—12 В, то сила тока не превышает одной тысячной доли ампера, что почти не ощущается человеком (он может чувствовать лишь слабый зуд или легкое покалывание). Но при более высоких напряжениях сила тока, протекающего по телу человека, может оказаться значительно большей и вызвать тяжелое поражение нервной и сердечно-сосудистой системы. Установлено, что уже ток 0,05 А является очень опасным, а при силе тока 0,1 А человек погибает от паралича сердца. Прикосновение же к проводам, которые находятся под напряжением 220 В, может вызвать в теле человека и гораздо большие токи. Вот почему, имея дело с любыми электрическими приборами, включенными в городскую электрическую сеть, следует всегда помнить об указанной опасности, быть внимательным и соблюдать осторожность.
У исправных электрических приборов все провода и другие токонесущие элементы надежно закрыты и защищены изоляцией. Но с течением времени эта изоляция по тем или иным причинам может быть повреждена и тогда оголенные участки электриг ческой цепи становятся доступными случайному прикосновению. Поэтому состояние изоляции необходимо регулярно и тщательно проверять и ни в коем случае не работать с прибором, если она неисправна.
Это важное правило работы с электрическими приборами полностью относится и к работе с электрическим паяльником.
Кроме опасности поражения электрическим током, в неосторожном обращении с паяльником таится другая опасность — опасность ожогов и пожаров. Металлический кожух и медный стержень паяльника нагреваются до высокой температуры. Об этом нужно всегда помнить. Держать нагретый паяльник следует только за пластмассовую ручку. Необходимо следить за тем,
Рис. 51Рис. 51чтобы хлорвиниловая изоляция проводов, по которым подводится к паяльнику ток, случайно не коснулась горячего кожуха или стержня, ибо при таком соприкосновении изоляция расплавится и может произойти короткое замыкание.
Рис. 51
Рис. 51
Класть паяльник в перерывах между пайками можно только на основание из невоспламеняющегося материала: асбеста, керамики и т. п. Но лучше сделать специальную подставку для паяльника, предусмотрев в ней не только место для удобного его расположения, но и небольшие углубления для необходимых при пайке материалов — припоя и канифоли. Простейшая конструкция такой подставки показана на рисунке 52. Ее основание можно изготовить из дерева, опору-держатель — из толстой проволоки.
Нельзя обойти молчанием и то обстоятельство, что пары припоя и флюса, образующиеся при пайке, оказывают вредное воздействие на организм человека. Поэтому нельзя непрерывно заниматься пайкой в течение длительного времени, а в перерывах не забывайте хорошо проветривать помещение.
Перед пайкой прибор следует подготовить к работе. С помощью напильника рабочую часть его — жало — надо сточить под углом 30—45° и зачистить. Затем его необходимо залудить.
Для этого включают паяльник в сеть и, когда он слегка нагреется (через 1—2 мин), покрывают жало слоем флюса, прижав его к кусочку канифоли. Растекаясь по поверхности жала, канифоль предохраняет его от окисления при дальнейшем нагревании. Как только жало нагреется до температуры плавления припоя (это можно определить, касаясь им кусочка припоя), рабочую поверхность его покрывают припоем.
Обратите внимание на то, что перегрев паяльника перед покрытием жала канифолью недопустим. Если все-таки по какой-либо причине паяльник перегреется и защищенная часть его покроется темно-синим налетом оксида меди, то его следует выключить, остудить и вновь зачистить, а затем приступить к залуживанию сначала.
Подготовленные к спаиванию поверхности металла должны быть тщательно очищены от оксидов и жиров и залужены. Зачищают места пайки ножом, наждачной бумагой или напильником. При залуживании на поверхность металла вначале наносят слой флюса, а затем горячим паяльником с небольшим количеством припоя на жале несколько раз проводят по залу- живаемой поверхности, помогая припою растекаться и смачивать ее тонким и ровным слоем.
При пайке монтажных соединений на место спая сначала
Рис. 53Рис. 53наносят слой флюса. Затем к этому месту одновременно прикладывают припой и жало паяльника. Пруток припоя держат в левой руке (лучше держать его пинцетом, чтобы не обжечь пальцы, так как во время пайки он тоже нагревается), а ручку паяльника — в правой (рис. 53). Для быстрого прогрева места спая до температуры плавления припоя паяльник прикладывают сначала не острием жала, с которого стекает припой, а плашмя, чтобы площадь соприкосновения была наибольшей.
Рис. 53
Рис. 53
Подержав паяльник в таком положении не более секунды, жалом распределяют припой по всей поверхности спая.
Расплавленный припой можно переносить на место пайки и жалом паяльника. Для этого его предварительно на долю секунды окунают в канифоль и берут каплю припоя, находящегося в коробочке на подставке. Количество припоя, необходимое для пайки, должно быть минимальным. Припой должен заливать место соединения со всех сторон.
При пайке важен и уход за паяльником. Поверхность его жала должна быть ровной, очищенной от нагара (оксида) и хорошо залуженной. Паяльник должен быть нагрет до необходимой температуры, зависящей от марки припоя. Нормальным считается такой температурный режим, при котором припой быстро плавится, но не стекает с жала паяльника; канифоль не сгорает мгновенно, а остается на жале в виде кипящих капелек. Перегрев паяльника недопустим, так как это приводит к окислению жала и появлению на нем раковин. Но и недостаточно нагретым паяльником работать тоже нельзя: соединения получаются непрочными и ненадежными.
Теперь, принимая во внимание все наши советы и рекомендации, потренируйтесь в пайке, соединив этим методом отрезки медных проводов диаметром 0,8—1,5 мм.
Сначала с концов проводников удалите изоляцию. Затем концы зачистьте ножом на длину 8—10 мм и залудите. После этого концы проводников приложите один к другому и спаяйте. При качественной пайке припой покрывает место спая ровным слоем с гладкой и блестящей поверхностью. Неровная и зернистая поверхность места спая — признак недостаточного прогрева спаиваемых деталей.
Хорошим тренировочным упражнением при практическом освоении пайки может быть спаивание разнообразных фигур из отрезков медных проводов. Сначала изготовьте таким образом несколько геометрических фигур и тел: квадрат, треугольник, куб, пирамиду и т. п. Затем попробуйте из отрезков медной проволоки смонтировать фигурки животных и героев сказок:
Рис. 54рис. 55
Буратино, Чебурашку, крокодила Гену и др. Образцы таких фигурок показаны на рисунке 54. Оригинальные изделия такого рода могут украсить интерьер вашей квартиры; вы можете подарить их в качестве сувениров своим друзьям. И, конечно же, это поможет вам приобрести навыки в пайке, необходимые для монтажа электрических цепей в изготавливаемых вами моделях, приборах и других устройствах.
Светильник. Маленький светильник-ночник выполняют в виде фигурки бегущего человека, в руках которого горит фонарик (рис. 55). Фигурку высотой примерно 150 мм спаивают из кусочков медной проволоки диаметром 2—2,5 мм и прикрепляют к деревянной подставке.
Источник тока устанавливают внутри подставки, а выключатель — снаружи. Лампочку в самодельном патроне укрепляют в руке фигурки. От нее к источнику тока и выключателю протягивают два провода (лучше в светлой полихлорвиниловой изоляции) .
Для лампы можно сделать абажур из цветной бумаги или накрахмаленной ткани.
Игра «А ну, пробеги!». Внешний вид этой настольной игры- соревнования и схема ее электрической цепи показаны на цветной вклейке VI (верхний рисунок). Заяц должен пробежать через лес к грядкам моркови, но при этом не попасть в какой-либо из капканов, которые Волк расставил на лесных тропинках. Вдоль возможных путей следования Зайца на тропинках установлены пары металлических контактов (полоски из жести); некоторые из них (капканы) соединены проводами с лампочками, вмонтированными в глаза Волка, и с источником тока. Для лучшего контакта полоски жести следует припаять к проводам.
Фигурки Зайца и Волка можно сделать из пенопласта или использовать готовые пластмассовые игрушки подходящих размеров. К лапкам Зайца надо прикрепить металлическую контактную пластинку. Декорации леса могут быть изготовлены из пенопласта или какого-либо иного подходящего материала.
В игре принимают участие несколько человек. Один из играющих ведет Зайца вдоль тропинок, которые считает безопасными; если Заяц попадет в капкан, пластинка на лапках Зайца замкнет контакты электрической цепи и у Волка загораются глаза. В этом случае играющий передает Зайца другому, выбывая из игры. Выигравшим считается тот из ребят, чей Заяц первым доберется через лес к грядкам моркови и не попадет в капкан.
Электровикторина «Проверь свой ответ». Этот прибор вы можете сделать для школы. Он позволяет проверить правильность ответа ученика, например, при определении продуктов, получаемых из зерновых культур. Такое устройство можно использовать на уроках ботаники и труда.
Внешний вид прибора и принципиальная схема его показаны на цветной вклейке I (нижний рисунок). Образцы зерен и круп насыпают в небольшие целлофановые пакетики и прикрепляют к планшету. Возле пакетов делают соответствующие надписи.
У названий культур укрепляют три лампочки, а у названий круп —■ семь контактов (в качестве контактов можно использовать болтики, закрепленные с обратной стороны планшета гайками); на планшет выводят также щуп.
С обратной стороны на планшете все детали прибора соединяют проводами согласно принципиальной схеме. Так как в цепи встречается много соединений, то целесообразно для надежности контактов применить пайку.
При касании щупом контакта у пакетика с какой-то крупой (например, геркулесом) вспыхивает лампочка, указывающая, из какой культуры (овса) приготовлена эта крупа.
Придумайте для этой электровикторины другие вопросы с ответами, чтобы можно было использовать ее на уроках русского языка, математики, природоведения, а также в часы досуга.
ШАГ СЕДЬМОЙ
ЗАЙМЕМСЯ УПРАВЛЕНИЕМ
Что такое «управление»! «Пульт управления» карманного фонарика. Когда одного выключателя мало... Используются реостаты. От выключателя к переключателю. Из разных мест. Как управлять светофором! Сам себе выключатель. Несколько слов об автоматах. Чудесная пластинка и электрический утюг. Много ли воды в баке! Подумай и сделай
В наши дни слово «управление» знакомо и понятно каждому. Шофер, сидя за рулем, управляет автомобилем, механизатор в поле — комбайном или трактором, а директор предприятия —- заводом или фабрикой. Управлять ■— значит, приводить в дейст-
вие, руководить, одновременно контролируя и регулируя, добиваясь наилучших результатов работы управляемого объекта.
Конечно, управление управлению рознь. Управлять велосипедом, например, несравненно проще, чем космическим кораблем. Но и в том, и в другом случае управление необходимо, без него не только наилучших, но и сколько-нибудь удовлетворительных результатов работы объекта не получится.
Объекты, устройство и действие которых обсуждаются- на страницах этой книги,— это электрические цепи разнообразных электрифицированных самоделок: игрушек и игр, моделей, приборов. И все они, разумеется, тоже нуждаются в управлении. А для этого нужны специальные приспособления.
Проще всего, конечно, выглядит- «пульт управления» у карманного фонарика. Это всего лишь кнопка или выключатель на его корпусе. Но именно этот простой элемент цепи и позволяет нам управлять работой фонарика. Нажал кнопку — и вспыхивает яркий лучик, раздвигая темноту и освещая невидимые ранее предметы. Отпустил кнопку — и все вокруг снова погружается во мрак. Не к этому ли сводятся «наилучшие результаты работы» карманного фонарика?
Но не только его. Обычный выключатель помогает управлять и многими другими электротехническими приборами, содержащими простую электрическую цепь. Вспомните, например, настольную лампу в вашей квартире, электрический звонок над входной дверью, электрокипятильник, чайник, вентилятор, кофемолку и другие бытовые электрические устройства, а также первые электрифицированные игрушки, изготовленные вами по нашим описаниям и советам. Во всех электрических цепях здесь использовано простейшее приспособление для управления — прерыватель тока.
Но в более сложных цепях одного выключателя для управления нередко бывает недостаточно — приходится использовать два. Примером может служить управление уже знакомой вам моделью трехламповой люстры (см. рис. 40): «малый свет» включают выключателем SA1, «средний свет»-—выключателем SA5, а «большой свет» — одновременным включением того и другого. Подобные же схемы цёпей с двойными выключателями используют для управления бытовыми электрическими плитками, радиаторами. Это обеспечивает несколько ступеней регулирования, благодаря чему достигается экономное расходование электроэнергии и удобство эксплуатации — все те же «наилучшие результаты работы управляемого объекта».
Но выключатели —■ это лишь самые простые приспособления для управления электрической цепью. Возможности управления с их помощью весьма ограничены: «включено» — «отключено», «большой свет» — «малый свет». А если этого недостаточно? Если нужно, например, медленно и плавно изменять яркость свечения лампочек?
Вы уже знаете, что в таких случаях для управления можно
Рис. 56Рис. 56SASAРис. 56аРис. 56а
Рис. 56
Рис. 56
SA
SA
Рис. 56а
Рис. 56а
использовать реостат: с его помощью можно в широких пределах регулировать силу тока в цепи, а значит, и накал вольфрамовых нитей ламп.
Разумеется реостаты применяют не только для медленного и плавного выключения огней люстры в зрительных залах кинотеатров. Этот прибор используют и в более сложных электрических цепях. Например, в радиоприемниках и магнитофонах, где необходимо управлять громкостью воспроизводимого звука (музыки, речи), или в телевизорах, где, кроме того, нужно еще управлять яркостью свечения экрана. Так, вращая ручку регулятора громкости в каком-либо из этих электронных аппаратов, мы просто-напросто перемещаем ползунок реостата!..
Однако вернемся к выключателю — к нашему наипростейшему ключу. Если немного усложнить его конструкцию, то это позволит шире применять такой элемент в управлении электрическими цепями и устройствами. На рисунке 56 показан знакомый вам прерыватель тока, но у него два неподвижных контакта. Подвижную контактную пластинку можно перемещать, замыкая ее с любым из неподвижных контактов. Это уже не выключатель, а переключатель на два положения. (Условное изображение его показано на рис. 56а). Вы можете использовать его в цепи, собранной по схеме, которая изображена на рисунке 57.
Передвигая подвижный контакт переключателя, можно включать одну из лампочек: в правом его положении (по схеме) загорается лампочка HL1, в левом — HL2.
Используя два таких переключателя, можно решить интересную задачу управления включением и выключением одной лампочки из двух различных и удаленных друг от друга мест.
Рис. 58Рис. 58
Рис. 58
Рис. 58
Рис. 59Рис. 59
Рис. 59
Рис. 59
Предположим, например, что в двухэтажном доме лестничная клетка освещена одной лампочкой. На первом этаже лестничной клетки установлен переключатель SA1 (рис. 58), а на втором — переключатель SA2. Лампочка должна включаться и выключаться поворотом (перемещением подвижного контакта) любого
из них, независимо от положения другого переключателя Схема, приведенная на рисунке, показывает, как нужно соединить элементы цепи для решения этой задачи.
А вот задача посложнее. Как обеспечить управление включением и выключением одной лампочки из трех различных и удаленных друг от друга мест?
Для решения этой задачи, кроме уже знакомых вам переключателей, придется применить еще один, сдвоенный (или двухполюсный) переключатель на два положения. На рисунке 59 показан такой переключатель, а на рисунке 59 а — его условное изображение. У него обе подвижные контактные пластинки объединены изолированной перемычкой, поэтому их можно перемещать одновременно, переключая сразу два различных участка цепи.
Схема электрической цепи с лампочкой, которую можно включать и выключать из трех различных мест переключателями SAI, SA2 и SA5, приведена на рисунке 60.
В электрических цепях применяют переключатели не только на два положения, но и на три, а иногда — и на большее число положений. На фотографии 61 показана конструкция простого
самодельного переключателя на три положения, на рисунке 61а приведено условное обозначение этого элемента цепи на принципиальных схемах. Такой переключатель можно использовать в интересной игрушке— действующей модели уличного светофора.
Светофор на перекрестке улиц вам хорошо знаком. Три _. его сигнальные лампочки — зе- бвл леная, желтая и красная — -т управляют движением транспорта и пешеходов через L
перекресток. А как управляютрис. 60
Рис. 61
SA
Рис. 61а
лампочками светофора? В нашей модели это делается с помощью переключателя на три положения.
На рисунке 62 показаны внешний вид и схема простейшей модели уличного светофора. Для ее изготовления вам понадобятся обрезки фанеры, жести, три низковольтные лампочки, изолированные соединительные провода и источник тока (батарейка).
Выпилите лобзиком из фанеры стойку для будущей модели и установите ее на подставку из более толстой фанеры. В верхней расширенной части стойки высверлите три отверстия для торцевых контактов ламповых патронов. Вставьте в отверстия пластинки из жести и припаяйте к ним концы соединительных проводов. Изготовьте из жести обойму с тремя отверстиями для лампочек и установите ее на стойке так, чтобы эти отверстия
совпадали с расположением торцевых контактов. Жестяная обойма будет как бы объединять три патрона. Ввинтите в отверстия обоймы предварительно окрашенные лампочки: в верхнее отверстие — красную, в среднее — желтую, а в нижнее — зеленую. Припаяйте к жестяной обойме соединительный провод — его нужно будет подключить к одному из полюсов источника тока.
Затем на подставке укрепите переключатель, соединив его неподвижные контакты с проводами, припаянными к торцевым контактам на стойке. К подвижному контакту припаяйте другой соединительный провод — его вы подключите ко второму полюсу источника тока.
Модель готова. Передвигая подвижный контакт переключателя, можно зажигать три сигнала нашего простейшего светофора.
Конечно, у настоящего светофора конструкция сложнее, чем у описанной модели. Ведь если светофор установлен на перекрестке, то его сигнальные огни должны быть видны и пешеходам и водителям машин, которые приближаются
равления в том или ином конкретном электротехническомравления в том или ином конкретном электротехническом
равления в том или ином конкретном электротехническом
равления в том или ином конкретном электротехническом
iio двум пересекающимся здесь направлениям улиц. Причем, когда в одном направлении виден зеленый свет («путь свободен»), в другом — должен гореть красный сигнал («путь закрыт»). Поэтому у светофора по меньшей мере две секции сигнальных лампочек — по три лампочки в каждой.
Внешний вид более совершенной модели уличного светофора, который вы можете построить, показан на рисунке 63. Схема его электрической цепи усложняется незначительно: вместо одной лампочки к каждому неподвижному контакту переключателя присоединены параллельно две — по одной от каждой секции. Но вот что необходимо принять во внимание. К среднему неподвижному контакту переключателя присоединяют обе желтые лампочки, а к каждому из его крайних неподвижных контактов следует присоединить попарно «разноцветные» (красную и зеленую) лампочки из разных секций (рис. 64).
Эту модель светофора можно с успехом использовать в классе или кружке при изучении правил дорожного движения.
Мы ознакомили вас лишь с несколькими различными вариантами конструкций прерывателей тока: выключателей и переключателей, применяемых для управления электрическими цепями. Вообще же конструкции всех этих контактных элементов многочисленны и очень разнообразны. Нередко им специально придают какую-либо особую форму, удобную для целей уп
устройстве. Так, вы уже, наверное, поняли, что всевозможные щупы, крючки и другие подобные приспособления в некоторых описанных в этой книге самоделках («Пиши красиво», «Полет на Марс», «Твердость руки» и др.) — это именно такие своеобразные выключатели и переключатели. Манипулируя ими, играющий фактически управляет соответствующими электрическими цепями, делая это нередко помимо своей воли, а подчас и вопреки ей (например, когда в игре «Твердость руки» щуп касается спирали, включая сигнальную лампочку, хотя играющий прилагает все свои старания, чтобы этого не произошло).
Очень часто в электротехническое устройство вводят специальные выключатели и переключатели, задуманные и сконструированные так, чтобы управлять цепью — включать или выключать ток —- вообще без участия человека. Вы уже знакомы с таким «самовыключателем» — о нем мы рассказывали в одной из предыдущих бесед. Это — плавкий предохранитель. Он самостоятельно, без участия человека, отключает потребитель от источника тока, когда возникшая в цепи неисправность (о которой мы можем и не подозревать) грозит аварией.
К подобному «самообслуживанию» приходит- 3. Зак. 1533 М. А. Галагузова
Рис. 64Рис. 64ся прибегать в наши дни все чаще не только в бытовой технике, но и в промышленности, и в сельском хозяйстве, и на транспорте, и в других областях народного хозяйства. Дело в том, что теперь разнообразные и сложные машины и агрегаты,
Рис. 64
Рис. 64
требующие постоянного контроля и управления, приме-
няют повсеместно. Способности же человека следить за такими
машинами и управлять ими весьма ограничены его природными данными: остротой зрения и других органов чувств, физической силой, выносливостью и пр. Во многих случаях задача управления может быть вообще непосильной для человека (большие скорости, высокие или очень низкие температуры и т. п.). Вот и приходится поручать контроль и управление самим машинам и приборам, без участия человека. Такие устройства и машины называют автоматами. Название это происходит от греческого слова «аутоматос» — самодвижущийся.
Тоненькая проволочка плавкого предохранителя — далеко не единственный элемент, применяемый в простых устройствах- автоматах. Другой широко распространенный элемент автоматических устройств — биметаллическая пластинка. Это небольшая пластинка, склепанная из полосок двух разных металлов. Такую пластинку изготовить несложно, а опыты с ней весьма полезны и поучительны.
Из тонких полосок железа и меди (вместо меди можно взять полоску латуни или алюминия) вырежьте две пластинки одинаковых размеров: 100Х Ю мм и толщиной 0,5—1 мм. Сложите пластинки и просверлите в них 4 или 5 небольших отверстий (диаметром 2—3 мм). Плотно соедините пластинки с помощью заклепок (в качестве заклепок можно использовать кусочки толстой медной проволоки). У одного из концов склепанной таким образом биметаллической пластинки просверлите отверстие для крепления с помощью винта и гайки к одной из стоек приспособления, которое вы использовали при исследовании сопротивления медной и нихромовой спирали (см. рис. 43). Прикрепите к этой стойке биметаллическую пластинку так, чтобы другой конец ее свободно прижимался к клемме второй стойки со стороны медной пластинки, обеспечивая при этом надежный контакт.
Соберите простую электрическую цепь, введя биметаллическую пластинку (БП) на стойках между лампочкой и выключателем (рис. 65). Включите последний — лампочка должна загореться.
А теперь подогрейте биметаллическую пластинку зажженной спичкой. Через 3—4 с лампочка погаснет — явный признак того, что цепь разомкнулась! Внимательно присмотритесь к биме-
таллической пластинке. Вы увидите, что она немного изогнулась от нагревания и ее свободный конец отодвинулся от стойки.
Подождите немного — биметаллическая пластинка остынет. Как только это произойдет, она выпрямится и снова замкнет цепь — лампочка засияет по-прежнему.
Чудесное свойство биметаллической пластинки объясняется очень просто. И медь, и железо при нагревании расширяются. Но медь расширяется больше, чем железо. Поэтому медная пластинка удлиняется больше, чем железная. И так как пластинки скреплены вместе, происходит изгиб в сторону железной пластинки — в нагретом состоянии она ведь окажется короче медной. После остывания медная и железная части биметаллической пластинки вновь выравниваются по длине и она распрямляется.
«Самовыключатель» тока с биметаллической пластинкой используют во многих электронагревательных приборах в качестве автоматического регулятора температуры. Например, такой терморегулятор есть в обычном электрическом утюге. В электрическую цепь утюга (рис. 66), кроме нагревательной спирали /, введены контактные пластины 2 и 3. К пластине 3 прикреплен стержень 4, упирающийся одним концом в биметаллическую пластинку 5, которая соприкасается с подошвой утюга. Пока утюг холодный, контактные пластины 2 и 3 замкнуты. Но как только температура утюга, повышаясь, достигает заданной величины, биметаллическая пластинка изгибается, надавливает на стержень 4 и он, поднимая пластину 3, размыкает контакты — нагревание спирали прекращается. Через некоторое время утюг остывает. Биметаллическая пластинка распрямляется, контакты пластин 2 и 3 снова замыкаются, и через спираль начинает проходить ток. Этот процесс: нагревание — отключение спирали — остывание — новое замыкание цепи — вновь нагревание — периодически повторяется. В итоге температура утюга с небольшими отклонениями поддерживается на заданном уровне.
Нужная температура утюга задается рычажком 6, с которым соединен поводок 7. С его помощью можно изменять расстояние между контактными пластинами и биметаллической пластинкой. Чем это расстояние больше, тем более высокая температура потребуется, чтобы биметаллическая пластинка изогнулась до
размыкания контактов. Около рычажка 6 располагают шкалу с названиями видов тканей, глажение которых требует той или иной температуры.
Утюг с терморегулятором повышает производительность труда гладильщиц, улучшает качество глажения и экономит расход электроэнергии.
А теперь расскажем еще об одном простом элементе многих автоматических приборов— поплавковом устройстве.
...Много ли горючего осталось в баке автомобиля? Этот вопрос всегда важен для водителя. От ответа на него зависит, можно ли еще спокойно ехать или уже пора позаботиться о новой заправке бака. Но бак непрозрачен, да и расположен в стороне от кабины шофера — как узнаешь?
Ну что ж, скажете вы, на пульте управления в кабине перед водителем должен быть специальный прибор, сигнализирующий об этом. Вы правы. Такой прибор есть, и водитель в любой момент получает нужную информацию.
Сведения такого рода нужны не только шоферу, летчику, трактористу. Количество воды, керосина, масла и других жидкостей, имеющихся в баках, цистернах, резервуарах и иных хранилищах, необходимо знать многим работникам, обслуживающим различные производственные процессы. И во всех этих случаях на помощь им приходит поплавок.
Поместите в стеклянную банку с водой легкий кусочек пробки — поплавок. Если воды в банке немного, то он окажется у самого дна. Но если наполнить банку до краев, вместе с уровнем жидкости вверх поднимется и поплавок.
От поплавка к «самовыключателю» — один шаг. Надо только заставить этот поплавок передвигать подвижный контакт прерывателя тока, который включает цепи сигнальных лампочек.
Рис. 67Рис. 67Модель такого автоматического сигнализатора уровня жидкости показана на рисунке 67. Основная часть ее — поплавок /, помещенный в сосуд 2, уровень жидкости в котором необходимо контролировать. Поплавок с помощью проволочной тяги связан с одним плечом металлического рычага 3, который может свободно поворачиваться относительно оси 4. Ось укреплена на стойке 5. Второе плечо рычага служит подвижным контактом переключателя. Рычаг через ось и стойку соединяется с одним из полюсов источника тока, а верхний —6 и нижний —7 неподвижные контакты—с лампочками. Вторые выводы лампочек соединены с другим полюсом источника тока.
Рис. 67
Рис. 67
С понижением уровня жидкости в сосуде опускается и поплавок, что вызывает перемещение подвижного контакта вверх. При наинизшем допустимом уровне жидкости происходит замыкание контакта 6 с рычагом — загорается сигнальная красная лампочка HL1.
Если уровень жидкости повышается, то поплавок всплывает и вызывает перемещение подвижного контакта вниз. При самом высшем допустимом уровне жидкости в сосуде происходит замыкание контакта 7 с рычагом — загорается сигнальная зеленая лампочка HL2.
При практическом использовании подобных устройств сигнальные лампочки могут находиться на большом расстоянии от резервуара с жидкостью. По свечению .той или другой лампочки (или отсутствию свечения) можно судить о высоте уровня жидкости, находясь далеко от объекта контроля.
Позднее мы расскажем еще и о других элементах простейших автоматических устройств и обсудим конструкции соответствующих моделей. Сейчас вернемся к опытам с биметаллической пластинкой и разработаем еще одну конструкцию автомата, в которой такой пластинке отводится главная роль.
Подумайте, как надо изменить положение биметаллической пластинки на стойке, чтобы при нагревании она замыкала ранее незамкнутую цепь. .
Такое автоматическое устройство может быть использовано, например, в приборах пожарной сигнализации, которые нередко устанавливают на складах, в некоторых учреждениях и других местах. В случае пожара нагревшаяся биметаллическая пластинка должна, изогнувшись, включить цепь с сигнальной лампочкой «тревоги», расположенной в помещении пожарной команды.
Сконструировать и построить модель такого прибора пожарной сигнализации — вполне посильная теперь для вас конструкторская задача.
Указание. Биметаллическую пластинку следует расположить на стойке так, чтобы она была обращена к неподвижному контакту железной частью пластинки, но не касалась его в холодном состоянии. Тогда при нагревании биметаллическая пластинка, изогнувшись, замкнет сигнальную цепь.
Игра-состязание «Кто быстрее?». В этой игре используется электротехническое устройство, внешний вид и схема электрической цепи которого показаны на рисунке 68. Оно представляет собой небольшой ящичек, на верхней, лицевой панели которого расположены две лампочки и два переключателя-тумблера.
В игре участвуют трое. Один из них — ведущий — подает звуковой сигнал (например, хлопает в ладоши). По этому сигналу каждый из двух других ° участников спешит включить тумблером свою лампочку на панели прибора. У того, кто это успеет сделать первым, лампочка вспыхивает, а затем гаснет, так как ее выключает партнер. Лампочка отставшего игрока не загорается вообще.
Рис. 68Рис. 68
Рис. 68
Рис. 68
Каждое соревнование состоит из 15—20 партий игры, и выигравшим считается тот, чья лампочка загорится большее число раз. После каждой партии игры тумблеры возвращаются
в исходное положение.
Важно, чтобы соревнующиеся не видели действий ведущего. Лучше, если он будет находиться за их спинами; интервалы
между звуковыми сигналами ему следует варьировать от партии к партии, чтобы состязающиеся не могли заранее определить
момент подачи сигнала.
Корпус прибора можно изготовить из дерева или пластмассы. Источник тока — батарейку 3336Л —- располагают внутри ящичка. Лампочки МЫ и HL2 (3,5 В, 0,26 А) и тумблеры SA1 и SA2 (типа ТП1) устанавливают на лицевой панели. Монтаж электрической цепи выполняют внутри прибора. .
Автомат-отгадчик. Эта игрушка представляет собой небольшой плоский ящик (см. цветную вклейку I, средний рисунок). На лицевой его панели нарисованы 8 разноцветных квадратов, в центре каждого из которых установлена лампочка. Расцветка квадратов такова:
белый, фиолетовый, синий, зеленый,белый, фиолетовый, синий, зеленый,желтый, красный, коричневый, черный.желтый, красный, коричневый, черный.
белый, фиолетовый, синий, зеленый,
белый, фиолетовый, синий, зеленый,
желтый, красный, коричневый, черный.
желтый, красный, коричневый, черный.
Ниже на панели расположены три таблички, в каждой из них указан цвет некоторых из этих квадратов. Под табличками установлены переключатели (тумблеры), а еще ниже — кнопка SB1 «Ответ».
Действие автомата демонстрируют так. Предлагается загадать какой-либо из цветных квадратов в верхней части панели, а затем включить тумблеры под теми табличками, в которых указан цвет загаданного квадрата. Если после этого нажать кнопку SB1 «Ответ», то автомат отгадает задуманный квадрат: его укажет загоревшаяся лампочка.
В приборе используют лампочки HL1—HL8 на 3,5 В, 0,26 А. В качестве переключателей SA1SA3 можно применить телефонные коммутаторные ключи типа КТРО или тумблеры типов ТП1-2, ТЗ и т. п.
Если применять тумблеры, имеющие по две пары переключающих контактов, то переключатель 5Л5 придется составить из двух таких тумблеров, соединив их ручки перемычкой. Кнопка — самодельная, любой конструкции. Батарейку 3336Л и монтажные провода располагают внутри ящика, на обратной стороне панели.
Прибор для проверки знаний. Подобные приборы и устройства используют в школах, училищах, техникумах и других учебных заведениях для быстрого опроса учащихся на различных этапах учебного процесса. По принципу действия они относятся к контрольно-обучающим устройствам с выборочным методом ввода ответов: ученику предлагается серия вопросов и на каждый из них несколько ответов, из которых он должен выбрать правильный. Получив ответы ученика, прибор автоматически оценивает их и указывает, какие из ответов верны.
Прибор представляет собой небольшую коробку, верхняя лицевая панель которой показана на рисунке 69. Электрическая схема прибора приведена на рисунке 69а.
Рис. 69Рис. 69На лицевой панели укреплены в ряд пять одинаковых переключателей SA1—5Л5, каждый из которых может быть, установлен в любое из четырех рабочих положений, обозначенных цифрами /, 2, 3, 4, или в исходное положение 0, соответствующее отключению переключателя. Подвижные контакты переключателей соединены с лампочками HL1—HL5, также установленными на лицевой панели. Неподвижные контакты переключателей соединены с пятью группами контактных гнезд, расположенных под лицевой панелью, внутри коробки. Там же находятся пять штырей (штекеров) XI — Х5, каждый из которых может быть вставлен в одно из четырех «своих» гнезд.
Рис. 69
Рис. 69
Все пять параллельных цепей, образованных лампочками, переключателями и гнездами со штыря-
ми, могут с помощью кнопки подключаться к источнику тока — батарейке GB1—3336Л.
Работа с прибором сводится к следующему.
Ученику для проверки его знаний по какому-либо разделу учебного материала выдают карточку-билет с пятью вопросами (по числу переключателей и лампочек в приборе). На каждый вопрос в билете дано несколько (до четырех) пронумерованных ответов, один из которых правильный, а остальные — неполные или неправильные. Информацию о правильных ответах вводят в прибор заранее установкой штырей в гнезда, соответствующие номерам правильных ответов. Для этого снимают нижнюю крышку коробки; после ввода информации крышку закрывают. Поэтому ученик, работая с прибором, не видит, какие гнезда соединены со штырями.
Приведем пример карточки-билета по программе «Знаете ли вы географическую карту?».
Карточ ка-бил ет
Знаете ли вы географическую карту?
Где расположен пункт с географическими координатами 20° с. ш. и 10° з. д.:
в Австралии,3) в Южной Америке,
в Европе,4) в Африке?
С каким из указанных государств Советский Союз не имеет общих границ:
с Норвегией,3)с Чехословакией,
с Польшей,4)с Болгарией?
Столицей какой союзной республики является г. Фрунзе:
Таджикской ССР,3)Туркменской ССР,
Узбекской ССР,4)Киргизской ССР?
Какой город является столицейЭквадора:
Богота,3)Лима,
Каракас,4)Кито?
Какая из рек Северной Америки не является притоком реки Миссисипи:
Огайо,3)Миссури,
Арканзас,4)Колорадо?
Опрашиваемый выбираеттеизответов навопросы, которые
считает правильными, и устанавливает переключатели в соответствии с номерами этих ответов. Для получения отметки нужно нажать кнопку SB1 «Отметка», и загорятся лампочки, соответствующие вопросам, на которые были даны правильные ответы.
По числу загоревшихся лампочек определяется отметка. Если все пять лампочек горят, это соответствует отметке «5» (отлично); четыре горящие лампочки соответствуют «4» (хорошо); три горящие лампочки — «3» (удовлетворительно). Если
*—I SM.1L!—! SA1.2Рис. 70*—I SM.1L!—! SA1.2Рис. 70же загорелось менее трех лампочек, то отметка считается неудовлетворительной («2»).
*—I SM.1
L!—! SA1.2
Рис. 70
*—I SM.1
L!—! SA1.2
Рис. 70
В конструкции прибора использованы лампочки накаливания на 3,5 В, 0,26 А; переключатели типа 5П2Н; штекеры-штыри и гнезда взяты от старой, отслужившей свой век электроаппаратуры; кнопка SB1 самодельная. Лицевая панель изготовлена из гетинакса, а коробка (футляр) — из деревянных дощечек.
Рассмотрим конструкцию переключателя
типа 5П2Н. Схема такого переключателя показана на рисунке 70. Это так называемый галетный многопозиционный переключатель. Он имеет две подвижные контактные пластинки, каждая из которых может замыкаться с любой из пяти неподвижных пластинок. Таким образом, обеспечиваются пять положений переключателя для двух направлений разных цепей (этому и соответствует условное обозначение типа переключателя 5П2Н). В схеме описанного прибора для проверки знаний у каждого из переключателей SA1—SA5 используются контактные пластины только одного направления; пластины второго направления остаются свободными.
ШАГ ВОСЬМОЙ
ПОЛУПРОВОДНИКИ: «ГАДКИЙ УТЕНОК»
Плохие проводники и скверные изоляторы. Как в сказке Андерсена. Знакомьтесь: диод. Простые опыты и неожиданные результаты. Экскурсия внутрь полупроводника. Что происходит на границе! Найдем применение диоду. Как определить полярность батареи! Что, где, когда! Справочники-автоматы. У карты Европы. Подумай и сделай
Вы сели за стол, включили настольную лампу, раскрыли нашу книгу...
Оторвитесь на минутку от чтения и оглянитесь вокруг себя.
В электрической лампочке ярко светится тоненькая вольфрамовая спираль. Энергия к ь^й поступает по медным проводам. Медь и вольфрам отлично проводят электрический ток. Таким же свойством обладают и другие металлы, за это их и назвали проводниками. Вы уже знаете причину этой особенности металлов: в них всегда есть большое количество свободных, не связанных с ядрами своих атомов и беспорядочно движущихся электронов. Они-то и создают электрический ток, едва лишь к ним подводят напряжение от батарейки или другого источника.
А вот стеклянная колба лампочки, пластмассовый патрон,
в который она ввинчена, резиновая или хлорвиниловая оболочка, охватывающая медный провод, электрический ток почти совсем не проводят. Вы, конечно, помните, что такие вещества называют изоляторами, и уже можете объяснить это их свойство. В изоляторах практически нет свободных электронов: они крепко удерживаются своими атомами.
Проводники и изоляторы — главные материалы в электротехнике. Мы с вами уже убедились в этом, конструируя и изготовляя различные электротехнические устройства. Но кроме них, в природе есть вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Они-то и получили название полупроводников.
Наш мир богат подобными веществами. Пожалуй, не будет преувеличением, если мы скажем, что полупроводники окружают нас повсюду: мы ходим по ним, многие из них употребляем в пищу. Ведь самый распространенный на Земле кремний и основа жизни — углерод образуют полупроводниковые кристаллы.
О полупроводниках люди знали давно. И применяли их довольно широко: в металлургии, химии, строительном деле — всюду, кроме электротехники!
В электротехнике же полупроводниковые материалы долго считались непригодными. Бурное развитие электроэнергетики требовало от ученых и инженеров создания хороших проводников электрического тока и прочных изоляторов, не пропускающих тока даже под действием очень высокого напряжения. О полупроводниках рассуждали так: едва ли они могут для чего- нибудь пригодиться. Ими не заменишь ни медного проводника, ни фарфорового ролика. И на протяжении многих десятилетий электрики всячески избегали иметь дело с полупроводниками.
Только к середине XX века ученым удалось разобраться в строении и особенностях полупроводников, и тогда стало ясно, что пренебрежение к ним было большой ошибкой.
Сейчас об этих замечательных материалах знает каждый. Серо-голубые, тускло поблескивающие кристаллы германия, кремния, селена, бесчисленные их сплавы и оксиды окружены пристальным вниманием инженеров и ученых, изделия из этих материалов получили широкое применение в электротехнических устройствах и аппаратах.
С полупроводниками произошло то, что случилось в известной сказке Андерсена с гадким утенком, превратившимся в прекрасного лебедя. '
Чем же заслужили полупроводники такое внимание к себе, в чем их ценность?
Не будем спешить с ответом. Сначала разберемся в некоторых свойствах простого полупроводникового прибора — диода.
Название «диод» греческого происхождения, в переводе оно означает («ди» — дважды, «одос» — путь) «прибор с двумя выводами». Наша промышленность выпускает'много различных
типов полупроводниковых диодов. Для ознакомления и проведения простых опытов вам понадобятся широко распространенные кремниевые диоды типа Д226 или КД 105. Их можно приобрести в любом магазине радиотоваров, стоят они недорого. На рисунке 71, а, б показан их внешний вид.
Рассмотрите внимательно диод. У этой совсем небольшой детали два вывода: у диода Д226— в виде проволочек, а у диода КДЮ5— в виде тонких металлических полосок. С помощью выводов диод присоединяют к электрической цепи. На рисунке 71, в показано условное обозначение диода на схемах электрических цепей: треугольник и короткая черточка. На схеме один вывод соединен
с треугольником, его называют анодом;Рис 72
другой — с черточкой, это катод. У диодов типа Д226 такое условное обозначение изображено на корпусе прибора, что позволяет различать анод и катод. У диодов КД 105 с этой же целью на черный корпус прибора со стороны анода наносят желтую метку.
Для удобства работы с диодом при проведении опытов и во избежание повреждения его выводов при многократных соединениях с другими элементами электрической цепи укрепите диод на деревянной или пластмассовой подставке с двумя клеммами, как показано на рисунке 72. Выводы диода припаяйте к шайбам клемм, с помощью которых вы и будете подключать диод к электрической цепи.
Соедините последовательно диод VD1, лампочку HL1 и выключатель SA1 и подключите к батарейке GB1 так, чтобы
анод диода оказался присоединенным к «плюсу» источника тока (рис. 73, а). Замкните контакты выключателя — лампочка загорается. Значит, диод, включенный последовательно с ней, не оказал заметного влияния на силу тока. Отсюда можно
сделать вывод: сопротивление диода очень мало.
Теперь соберите цепь по схеме, изображенной на рисунке 73, б (здесь диод присоединен к «плюсу» историка тока своим
катодом). Замкните цепь выключателем. Лампочка не горит
Тщательно проверьте надежность контактов в цепи, чтобы убедиться, что дело не в них, а в диоде: сопротивление его стало теперь очень большим и он практически не проводит электрического тока — вот почему лампочка не загорается!
Повторите еще раз эти опыты и убедитесь: диод обладает односторонней проводимостью — хорошо проводит ток от анода к катоду (т. е. при соединении анода с положительным полюсом батареи) и не проводит тока в обратном направлении.
Результаты опытов оказались- совершенно неожиданными, и их необходимо объяснить. Для того чтобы понять причину загадочного поведения полупроводникового диода, надо «заглянуть» внутрь полупроводника и ознакомиться с характером его электропроводимости (т. е. способности проводить электрический ток), который существенно отличается от характера электропроводности металлов.
Полупроводники - это вещества, которые в обычных условиях проводят ток гораздо хуже, чем металлы, так как в них мало свободных электронов. Большинство электронов удерживается атомами. Но некоторые из электронов связаны с атомами слабо, и в случаях нарушения связи (например, при нагревании полупроводника) они становятся свободными. Эти электроны и переносят электрические заряды.
Есть у полупроводников еще одна особенность. Оказывается, здесь могут переносить заряды не только электроны, оторвавшиеся от атомов, но и те, что остаются связанными с ними.
Почему это происходит?
В каждом атоме, «потерявшем» электрон, остается как бы свободное место. И оно лишь ничтожное время пустует. Под действием электрического поля его сразу же занимает электрон с соседнего атома. Не получая полной свободы, этот электрон просто «меняет хозяина». Вновь освободившееся место занимает электрон с еще более далекого атома и т. д.
Таким образом, связанные электроны перемещаются по «свободным местам» в атомах по направлению к положительному полюсу источника тока и создают значительную «добавку» к току, проходящему по проводнику. А- «свободные места», или, как говорят ученые, дырки, тем временем перемещаются в обратную сторону, т. е. ведут себя как частицы, имеющие положительный электрический заряд.
Для удобства описаний и расчетов ученые условились говорить, что в полупроводнике, кроме отрицательно заряженных частиц — свободных электронов, носителями электрических зарядов служат и положительно заряженные дырки. Но нужно всегда помнить, что подлинные носители тока — это электроны.
Можно подумать, что свободных электронов и дырок в полупроводнике всегда равное количество: сколько электронов оторвется от атомов, столько возникнет и дырок. Но так было бы
в абсолютно чистом полупроводнике. Как только в чистый полупроводник вводят немного другого вещества —- примесь, там появляется большой избыток либо электронов, либо дырок. Например, если в кремний добавить фосфор, то атомы примеси, внедрившись в кристалл кремния, отдают ему свои электроны, которые становятся свободными. Если же в кремний добавить алюминий, то его атомы легко принимают электроны на себя, создавая при этом в кристалле большой избыток дырок. Эти избыточные электроны или дырки и служат основными носителями зарядов в полупроводниках.
Те полупроводники, в которых основными носителями тока являются электроны, называют электронными или полупроводниками «-типа (от латинского слова «негатив» ■— отрицательный), а полупроводники с избытком дырок называют дырочными или полупроводниками p-типа (от латинского «позитив» — положительный).
Теперь рассмотрим устройство полупроводникового диода и объясним его загадочное поведение в электрической цепи.
В пластмассовом и металлическом корпусе прибора находится пластинка полупроводникового кристалла (германия или кремния), в которой введением примесей создаются две области: p-типа (анод) и «-типа (катод). К ним припаивают металлические выводы. Границу раздела между этими противоположными областями называют р— «-переходом.
Что же происходит на этой границе при включении диода в электрическую цепь?
Если p-область присоединить к «плюсу» источника тока, а «-область — к «минусу» (прямое включение «-перехода, рис. 74, а), то свободные электроны из «-области устремляются через границу раздела к положительному полюсу источника, а дырки из р-области — в обратном направлении, двигаясь к отрицательному полюсу. Это встречное движение электронов и дырок и образует прямой ток диода. На место ушедших электронов из отрицательного полюса источника питания в «область будут поступать новые электроны. То же происходит
с дырками p-области. Так продолжается до тех пор, пока цепь замкнута. Лампочка, включенная в цепь, ярко светится, регистрируя протекание по ней электрического тока. В этом случае говорят, что диод открыт, его сопротивление мало.
Если же p-область присоединяют к «минусу» источника тока, а «-область— к «плюсу» (обратное включение р— п- перехода, рис. 74, б), то основные носители тока в обеих областях устремятся от границы раздела; все дырки p-области соберутся у отрицательного полюса источника, а электроны «-области — у положительного полюса, тока в цепи не будет. (Строго говоря, через р— «-переход будет протекать очень малый ток, получаемый от неосновных носителей). В таком случае говорят, что диод закрыт (заперт); его сопротивление очень велико (сотни тысяч ом и более), поэтому лампочка не горит.
Итак, мы ознакомились с одной из удивительных возможностей использования полупроводников в электротехнике — созданием на их основе диодов — устройств, обладающих односторонней проводимостью.
Где и как могут быть применены эти замечательные устройства?
Об одном из них мы, по сути дела, уже рассказали, описывая первые опыты с диодом: последовательно соединенные диод и лампочка могут служить пробником для определения полярности низковольтных источников питания. Смонтируйте эти две детали в небольшой коробочке (можно использовать пластмассовый футляр для запонок, сделав в нем «окошко», через которое было бы видно свечение лампочки). Выведите наружу два многожильных проводника-щупа в разноцветной изоляции, как показано на рисунке 75: к аноду диода должен быть припаян красный щуп, а к цоколю лампочки — синий. Заклейте «окошко» прозрачной пленкой — и ваш пробник готов.
Если у батарейки или гальванического элемента не обозначены выводы полюсов, найти «плюс» и «минус» поможет вам пробник. Коснитесь проводниками-щупами полюсов. Если лампочка пробника при этом вспыхнет, значит, красным щупом вы коснулись положительного полюса; в противном случае лампочка гореть не будет.
Рис. 76Рис. 76
Рис. 76
Рис. 76
АСУТ — автоматическое справочное универсальное табло.
— В каком из кинотеатров города демонстрируется сегодня новый кинофильм?
— Каково расписание уроков в четверг в 6 «А» классе?
— В какой из городских аптек есть данное лекарство?
По любому из этих и многих других вопросов вас проинформирует автоматическое справочное устройство — настенное табло (рис. 76). Слева у него расположены кнопки, справа — лампочки; возле них находятся рамки, в которые
вставлены карточки с названиями «объектов» (у кнопок) и их «признаков» (у лампочек). Стоит лишь нажать кнопку рядом с названием интересующего «объекта», как загораются лампочки, подсвечивающие присущие этому «объекту» «признаки».
Например, вам необходимо узнать расписание уроков в четверг в 6 «А» классе. На настенном справочном табло рядом
с кнопками указаны дни недели, кроме воскресенья, а рядом с лампочками — названия учебных предметов, изучаемых в классе. Нажим кнопки у слова «четверг» — и справа загораются лампочки, подсвечивающие названия учебных предметов, которые изучаются шестиклассниками в этот день недели.
Другой пример. Автоматическое табло-информатор дает справки, в каком кинотеатре демонстрируется тот или иной кинофильм. Здесь «объектами» выступают названия фильмов,
а их признаками — наименования и адреса кинотеатров.
Принципиальная схема АСУТ изображена на рисунке 77. Ос- r-^кз новой ее служат два ряда вер- | 0 I тикальных и горизонтальных про- Ч—if водников, изолированных друг U и от друга. В местах их пересече- б ния установлены контактные гнезда (рис. 78, а), рассчитанные под стандартную штепсельную вилку (рис. 78, б). К ее выводам
припаивают диод Д226 или КД 105. Такие вилки с диодами используют для ввода информации в «память» нашего автоматического устройства-справочника.
Каждый проводник горизонтального ряда через кнопку под
ключают к положительному полюсу батареи GB1, а каждый
из вертикальных проводников через лампу присоединяют к отрицательному полюсу того же источника питания.
Чтобы ввести справочные сведения по определенному циклу вопросов, нужно вставить карточки с надписями в рамки «объектов» и «признаков» и с помощью штепсельных вилок с диодами соединить кнопки «объектов» с соответствующими им лампочками (обратите внимание на полярность включения диодов!).
Количество горизонтальных и вертикальных проводников, кнопок и лампочек определяется объемом информации, которую необходимо ввести в автомат (для решения многих задач достаточно 10—15 кнопок и столько же ламп).
Горизонтальные и вертикальные проводники укрепляют на деревянной дощечке или пластмассовой пластинке — панели. Здесь же устанавливают гнезда. Панель соединяют с кнопками и лампами многожильным монтажным проводом. Кнопки можно использовать любого типа, в том числе и самодельные. Лампочки — на 3,5 В, 0,28 А.
Если программы работы автомата таковы, что одновременно включается не более двух-трех ламп, то для питания достаточно одной батареи 3336Л. Если же при нажатии какой-либо кнопки должны загораться сразу три-четыре или более ламп, то целесообразно в качестве источника тока использовать две такие батарейки, соединенные параллельно.
Возможно, вы пожелаете построить табло-информатор для работы только с одной постоянно введенной в него программой ответов-справок. В этом случае конструкцию автомата можно упростить, не используя ни штепсельные вилки, ни контактные гнезда: диоды припаивают в нужных местах непосредственно к вертикальным и горизонтальным проводникам.
Подобное упрощенное информационное устройство описано
ниже.
Для выдачи, например, информации типа «Как проехать до...» правую часть табло можно оформить в виде схемы маршрутов,
а лампочки расположить так, чтобы они подсвечивали отдельные участки этих маршрутов. Рядом с кнопками помещают таблички с названиями остановок или станций.
Изучающим географическую карту. В качестве примера простой модели автоматического справочного устройства с постоянной программой ответов-справок приведем стенд-информатор «С кем граничат государства Северо-Восточной Европы?». Его схема изображена на рисунке 79. Нажатием одной из кнопок SB1—SB4 подают запрос о странах, с которыми граничат Норвегия, Швеция, Дания или Финляндия — государства Северо-Восточной Европы. При этом загорающиеся лампочки подсвечивают ответы автомата. Например, если нажата кнопка SB2 (Швеция), то через диоды VD1 и VD6 ток поступает в лампочки HL1 (Норвегия) и HL3 (Финляндия), подсвечивающие названия государств, с которыми Швеция имеет общую границу. Как видно из схемы, для изготовления такого устройства понадобятся 4 кнопки, 5 лампочек и 9 диодов. Конечно, возможности его довольно скромные — это ведь всего лишь модель. Но этот же принцип устройства и действия можно положить в основу стенда-информатора, обладающего гораздо большей «памятью» и способного указать пограничные страны для всех 25 основных континентальных государств Европы. Ниже (см. с. 82) приведена таблица, в которой в алфавитном порядке указаны названия этих государств. Числа в третьей колонке таблицы показывают, с какими государствами имеет общую границу данная страна, согласно нумерации в первой колонке.
4. Зак 1533 М А Галагузова
81
По этой таблице вы можете сконструировать стенд-информатор, используя 25 кнопок, столько же лампочек и 96 диодов.
Таблица
№ п/п
Государство
№ граничащих государств
1
Австрия
5, 10, 21, 22, 23, 25
2
Албания
7, 25
3
Бельгия
11, 12, 20, 21
4
Болгария
7, 16, 18, 25
5
Венгрия
1, 16, 17, 22, 25
6
ГДР
14, 21, 22
7
Греция
2, 4, 18, 25
8
Дания
21
9
Испания
15, 20
10
Италия
1, 20, 23, 25
11
Люксембург
3, 20, 21
12
Нидерланды
3, 21
13
Норвегия
17, 19, 24
14
Польша
6, 17, 22
15
Португалия
9
16
Румыния
4, 5, 17, 25
17
СССР (европейская часть)
5, 13, 14, 16, 19, 22
18
Турция (европейская часть)
4, 7
19
Финляндия
13, 17, 24
20
Франция
3, 9, 10, 11, 21, 23
21
ФРГ
1, 3, 6, 8, 11, 12, 20, 22, 23
22
Чехословакия
1, 5, 6, 14, 17, 21
23
Швейцария
1, 10, 20, 21
24
Швеция
13, 19
25
Югославия
1, 2, 4, 5, 7, 10, 16
ШАГ ДЕВЯТЫЙ
МАГНИТЫ И ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ
«Любящий камень». Опыты с магнитами. Таинственные N и S. Притяжение и отталкивание. Секрет поведения стрелки компаса. Магнитная викторина. Электрический ток и магнитная стрелка. Делаем катушку с сердечником. Есть электромагнит! Не только для моделей. Пополним нашу игротеку. Геркон. Подумай и сделай
Вам, наверное, не раз уже приходилось играть с магнитом, наблюдать, как он притягивает гвозди, булавки и другие предметы, изготовленные из железа. Несомненно, вас забавляла его способность удерживать на весу целую вереницу ключей, кнопок, скрепок и шпилек, притягивающихся вблизи магнита друг к
другу. И удивляло свойство силы магнитного притяжения проникать сквозь различные преграды: картон, фанеру, стекло.
Эти интересные явления были открыты еще в глубокой древности. Конечно, настоящих, сильных магнитов, таких, какие могут сегодня попасть в ваши руки, в те далекие времена еще не было. Но люди находили в разных местах куски железной руды, которые отчетливо проявляли упомянутые свойства. Вероятно, потому, что одним из таких мест были окрестности древнего города Магнезии, греки и стали называть куски такой руды магнитными камнями или просто магнитами.
Древние китайцы, которым тоже было известно удивительное свойство куска железной руды, дали магниту поэтическое название «тшу-ши», что в переводе означает «любящий камень». «Тшу-ши,— говорили они,— притягивает железо, как нежная мать привлекает своих детей». Интересно, что и у французов, живущих на противоположном конце европейско-азиатского материка, слова «магнит» и «любящий» звучат одинаково — aimant.
Залежи железной руды — так называемого магнитного железняка — есть на Урале, Украине, в Карельской АССР, Курской области и в ряде других мест. На металлургических комбинатах из него получают сталь, а также различные магнитные сплавы. Все эти вещества называют ферромагнитными. Слово «ферромагнитный» происходит от латинского «феррум» — железо и «магнит».
Из стали и специальных сплавов теперь изготовляют для нужд народного хозяйства магниты самых разнообразных форм и размеров. Они могут быть прямыми — в виде полосок или стержней разной длины и толщины, подковообразными, а также в виде маленьких стрелок, какие можно видеть в компасах.
Из старого отслужившего магнита можно сделать простую, но полезную вещь в хозяйстве. Укрепите на деревянной подставке магнит, и вы получите магнитный хранитель (рис. 80). Он возьмет на себя заботу о сохранности различных мелких предметов — от скрепок и булавок до очень небольших инструментов и деталей. Он же поможет отыскать их на полу, покрытом
ворсистым ковром.
Стальные предметы после соприкосновения с магнитом сами приобретают свойства магнита — намагничиваются. При этом
Рис. 80Рис. 80сталь может прочно сохранять эти свойства длительное время. В этом нетрудно убедиться, проделав опыты с магнитом и мелкими предметами: стальными спицами и иглами, скрепками и полосками жести.
Рис. 80
Рис. 80
Положите большой магнит на рассыпанные на поверхности стола мелкие гвоздики, а затем поднимите его. Вы увидите, что гвоздики наибо-
лее «густо» облепили магнит у его концов. Значит, именно здесь, у концов магнита, сила его притяжения самая большая. Концы магнита принято называть полюсами. Их — два: северный (N) и южный (S). Эти названия полюсов связаны с древнейшей «профессией» магнитной стрелки, вот уже много столетий помогающей морякам ориентироваться в открытом море, а путешественникам и туристам — в глухих лесах, пустынях и вообще в незнакомой местности. В наши дни каждому школьнику известно, что магнитная стрелка компаса, как бы ее ни старались повернуть, всегда возвращается в одно и то же положение: один ее конец указывает на север, другой — на юг. Вот и условились тот конец, который обращен к северу, называть северным полюсом магнита (его окрашивают обычно в синий цвет). Противоположный же конец, обращенный на юг, называют южным полюсом магнита (его окрашивают в красный цвет). Загадочные обозначения N и S — это всего лишь первые буквы немецких слов Norden — север и Suden — юг.
Интересно наблюдать, как ведут себя магниты при сближении. Для опытов нужно взять один большой магнит, а другой — поменьше. В качестве меньшего магнита удобно использовать магнитную стрелку на подставке с иглой или компас.
Поднесите магнит северным полюсом к стрелке. Она быстро повернется к нему своим южным полюсом. Поверните магнит к стрелке южным полюсом — она тотчас же изменит свое положение, обратившись к нему своим северным полюсом. Одноименными полюсами сблизить магнит и стрелку вам не удастся — она неизменно будет резко отклоняться, избегая такого сближения.
Из опытов мы заключаем, что между полюсами двух магнитов при сближении возникают силы взаимодействия: разноименные магнитные полюсы притягиваются, а одноименные — отталкиваются. Значит, в пространстве вокруг каждого магнита существует поле магнитных сил, или просто магнитное поле. Оно (так же, как и поле электрических зарядов) не действует на наши органы чувств, но легко обнаруживается с помощью других магнитов. .
Теперь вам должен быть понятен секрет поведения магнитной стрелки компаса. Земной шар представляет собой огромный магнит. Его северный магнитный полюс находится вблизи южного географического полюса, а южный магнитный полюс — недалеко от северного географического полюса. Поэтому стрелка компаса, поворачиваясь под действием магнитного поля Земли, указывает синим концом на север — туда, где находится южный магнитный полюс нашей планеты.
Принцип взаимодействия двух магнитов можно использовать для создания интересной и полезной игры — магнитной викторины. Чтобы изготовить эту игру, нужны два полосовых магнита длиной 40—60 мм, обрезки фанеры и листы картона (или плотной бумаги).
Вырежьте из листа картона круг диаметром 200 мм. Расчертите его, разбив на восемь одинаковых секторов (по 45°). Затем выделите в круге центральную часть диаметром 70 мм и два кольца по 65 мм (рис. 81). Наружное кольцо назовем «кольцом вопросов». Составьте серию из восьми близких по содержанию вопросов и в каждой секции этого кольца напишите один из них. Например, для серии «Знаешь ли ты столицы западноевропейских государств?» можно написать названия государств:
Италия Норвегия Португалия ' Швейцария
Рис. 81Рис. 81Швеция Югославия Финляндия ИспанияШвеция Югославия Финляндия ИспанияНазвание серии вопросов записывают в центральном круге.
Рис. 81
Рис. 81
Швеция Югославия Финляндия Испания
Швеция Югославия Финляндия Испания
Внутреннее кольцо назовем «кольцом ответов»; в секциях этого кольца нужно написать названия столиц стран, указанных в кольце вопросов:
РимСтокгольм
ОслоБелград
ЛиссабонХельсинки
БернМадрид
При этом (обратите внимание!) каждая секция кольца ответов с названием столицы должна быть смещена на 90° против хода
стрелки часов по отношению к секции кольца вопросов, в которой дано название соответствующего государства.
После того как эти круги с вопросами и ответами будут готовы, можно заняться отгадывающим устройством. Оно состоит
из двух частей: указателя вопросов и указателя ответов. Каждый указатель изготовляют из трех фанерных дисков диаметром 70 мм (рис. 82). В среднем диске вырезают отверстие
по форме магнита и, вставив в него магнит, склеивают все три диска вместе (для склеивания можно взять клей БФ-2). Сверху к" указателю вопросов нужно приклеить деревянную стрелу, выкрашенную красной краской, проследив за тем, чтобы она была направлена строго перпендикулярно оси спрятан
Рис. 82Рис. 82ного внутри магнита; северный
Рис. 82
Рис. 82
полюс должен быть слева от острия стрелы. В центре верхней части стрелы сделайте небольшое углубление.
На указателе ответов сверху нарисуйте яркую (зеленую) стрелу, но так, чтобы она была направлена вдоль оси находящегося под ней магнита и острие стрелы совпадало с южным магнитным полюсом. Снизу в центре указателя ответов нужно вбить небольшую стальную булавку так, чтобы конец ее выступал на несколько миллиметров.
Итак, викторина готова. Ваши друзья, которым вы ее собираетесь продемонстрировать, не подозревают, что внутри указателей спрятаны магниты. Поэтому они будут очень удивлены действию «умного прибора».
Установите указатель вопросов на центральный круг так, чтобы красная стрела была направлена на одну из секций с названием страны. Пусть, например, она указывает на секцию «Италия». Какой город из восьми, указанный в кольце ответов, является столицей этого государства?
Установите указатель ответов на указатель вопросов так, чтобы игла попала в углубление и указатель ответов мог свободно вращаться на этой оси. Как бы вы его ни располагали, взаимодействие потайных магнитов заставит зеленую стрелу указателя ответов направить острие на город, отстоящий против хода часовой стрелки на 90° от направления красной стрелы. В нашем примере это будет Рим — столица Италии.
Можно заготовить несколько картонных кругов с различными сериями вопросов и ответов. Это позволит вам менять «программу» игры. Приведем в виде примера еще одну серию вопросов и ответов для магнитной викторины.
Отгадай загадки
Не зверь, не птица, а нос как спицаКомар
Сидит на крыше — всех вышеАнтенна
Сам худ, а голова с пудМолоток
Под стеклом лежу, во все стороны гляжуКомпас
Сам верхом, а ноги за ушамиОчки
Не кузнец, не плотник, а первый на селе работник Топор На одной яме сто ям с ямойНаперсток
Новая посудина, а вся в дырахСито
Вот какой интересный и полезный прибор можно построить, умело используя свойства простых стальных магнитов.
Однако магнитное поле существует не только вокруг магнитов. Его можно создать с помощью... электрического тока. Да, не удивляйтесь. Едва только в каком-либо проводнике установится электрический ток, как вокруг этого проводника сразу же возникает магнитное поле.
Чтобы убедиться в этом, достаточно провести простой опыт с уже хорошо знакомой вам цепью, состоящей из батарейки, лампочки, ключа и соединительных проводов. Расположите рядом с одним из этих проводов магнитную стрелку на подставке или компас и замкните цепь выключателем. Одновременно со вспыш-
кой лампочки магнитная стрелка отклонится. Выключите лампочку, и стрелка вернется в первоначальное положение.
Что же подействовало в этом опыте на стрелку?
Несомненно, ее отклонило создаваемое электрическим током магнитное поле. Поле это, однако, очень слабое. Чтобы значительно усилить его действие, нужно провод свернуть в спираль или намотать в виде катушки, а еще лучше — навить его на железный стержень — с е р д е ч- н и к.
Изготовьте такую катушку с железным сердечником.
Для этого возьмите большой железный гвоздь диаметром 4—5 мм и хорошо отожгите его в* печке или на огне: нагрейте докрасна и дайте ему медленно охладиться. Будьте при этом очень осторожны с огнем! Снимите с гвоздя
окалину, а затем острой гранью напильника спилите конец гвоздя и шляпку, чтобы концы его стали плоскими. Получившийся железный стержень —это сердечник для катушки.
Далее нужно изготовить каркас (рис. 83). Вырежьте из плотной бумаги заготовку размером 50X50 мм и обмотайте ее вокруг сердечника, предварительно смазав клеем. После высыхания клея получится трубочка — шейка каркаса, она должна свободно надеваться на сердечник и сниматься с него. Поэтому клеем нужно намазать только часть ее, не касающуюся железа.
Из картона вырежьте две щечки для каркаса и наденьте их с двух сторон на шейку. На концы шейки намотайте узкие (шириной 3 мм) полоски бумаги, смазанные клеем. Они образуют упорные венчики, прочно удерживающие щечки. Дайте клею хорошо просохнуть.
На готовый каркас намотайте 20 —25 м медного провода с эмалевой изоляцией диаметром 0,2 —0,3 мм, оставив концы (выводы) длиной по 100 мм. Наматывайте провод аккуратно, виток к витку, между отдельными рядами прокладывайте тонкую бумагу. Закончив намотку, закрепите выводы проводников ниткой и зачистьте их концы от изоляции. В готовую катушку вставьте железный сердечник.
Теперь можно приступить к испытанию изготовленной катушки. Разложите на столе мелкие железные предметы: гвоздики, скрепки, булавки и пр.
Сначала убедитесь, что ни железный сердечник, ни катушка не обладают свойствами магнита — не притягивают железные предметы. Затем соберите цепь по схеме, приведенной на рисунке 84 (на этой схеме катушка с железным сердечником условно
изображена в виде прямоугольника). Обратите внимание на то, что в этой цепи катушка с железным сердечником является потребителем энергии. Поднесите катушку со вставленным в нее сердечником к гвоздику или булавке и замкните цепь выключателем. Теперь гвоздик, булавка притянутся к сердечнику и будут держаться до тех пор, пока вы не разомкнете цепь.
Значит, катушка с железным сердечником превратилась в магнит! Точнее, в электромагнит: ведь притяжение заметно проявляется только при протекании по катушке электрического тока.
Проверьте теперь, как действует электромагнит на магнитную стрелку. Вы убедитесь, что у него, как у стального магнита, два полюса: северный и южный. Стрелка компаса поможет вам их различить. Но вот что особенно интересно. Если изменить направление тока в катушке (поменяв местами ее выводы, присоединенные к другим элементам цепи), то изменятся и полюсы электромагнита: северный полюс станет южным, а южный — северным. Магнитная стрелка компаса сразу обнаружит и отметит это изменение.
Силу притяжения вашего электромагнита можно увеличить, придав его сердечнику форму буквы П. Изогните сердечник (или изготовьте П-образный сердечник из другого гвоздя) и наденьте катушку на один из его концов. У вас получится электромагнит, который можно использовать в различных моделях, например в модели подъемного крана.
На заводах и фабриках подъемные краны с мощными электромагнитами применяют для переноски тяжелых железных грузов. Они поднимают многотонные слитки, собирают мелкую стружку лучше самого искусного дворника. И при этом очень удобны в обращении: включил ток — магнит крепко схватывает груз, выключил ток — и он послушно выпускает груз там, где нужно. .
Подумайте, как построить модель подъемного крана с электромагнитом. Такая модель будет достойным пополнением вашей игротеки. Подумайте и над другими возможными самоделками, в которых может быть использован электромагнит.
Например, описанную выше магнитную викторину можно изготовить в «электромагнитном варианте», вмонтировав в указатель вопросов вместо постоянного магнита самодельный электромагнит. Такой электромагнит изготавливают из железного стерженька или гвоздя (без шляпки) диаметром 4—5 мм. На сердечник намотайте катушку медной эмалированной проволоки (диаметром 0,1 мм— 10—12 м). Самодельный электромагнит уложите вместо постоянного магнита внутрь указателя вопросов, а концы обмотки выведите наружу к источнику тока — батарее 3336Л и кнопке. Принципиальная схема включения этого электромагнита остается такой же, как и в схеме, показанной на рисунке 84. Теперь стрелка указателя ответов будет поворачиваться на оси лишь при нажатии кнопки.
Нужную полярность подключения батареи к электромагниту определите опытным путем (при неправильном подключении стрелка указателя ответов будет указывать на секцию, диаметрально противоположную секции, содержащей верный ответ).
Недостаток этой викторины — постоянство угла между секциями обоих колец. Поэтому участники игры быстро раскрывают ее «секрет». Но можно несколько и усложнить прибор.
Для этого нужно конструкцию указателя вопросов в отгадывающем устройстве выполнить так, чтобы его красную стрелку можно было поворачивать в горизонтальной плоскости, изменяя угол между направлением этой стрелки и осью спрятанного внутри магнита. С этой целью можно, например, не приклеивать красную стрелку указателя вопросов, а укрепить ее на деревянном стерженьке-оси. Тогда для различных картонных кругов с вопросами и ответами можно будет задавать заранее (при их изготовлении) различные углы: 45, 90, 135° и др. Перед началом игры с каждым новым картонным кругом нужно будет устанавливать соответствующий угол поворотом красной стрелки на указателе вопросов. Например, на рисунке 85, а стрелка указателя вопросов установлена под углом 45° к оси магнита, на рисунке 85, б — под углом 315°. Разумеется, на картонных кругах каждая секция кольца ответов должна быть также смещена относительно «своей» секции кольца вопросов соответственно на 45° и на 315°, тогда зеленая стрелка указателя ответов будет указывать правильные ответы.
Предлагаем еще две конструкции с использованием самодельного электромагнита.
Тир с дистанционным управлением. Ранее (на с. 26) был описан тир-аттракцион «А ну, попади!». Если вы его сделали и испытали в игре, то обратили, наверное, внимание на одно неудобство такой конструкции. После каждого меткого броска мяча для отключения лампочки необходимо подходить к мишени и возвращать стержень с диском в исходное положение. Усовершенствовать этот тир можно с помощью электромагнита.
Электромагнитный тир с дистанционным отключением сигнальной лампочки внешне выглядит так же, как и вышеописанный. Но электрическая цепь этого аттракциона сложнее (рис. 86), а устройство для включения сигнальной лампочки при попадании мяча в цель выполнено иначе (рис. 87). Основные части этого
6№Рис. 876№Рис. 87устройства — электромагнит 1, упругая стальная пластина- якорь 2, к которой прикреплен деревянный диск центрального круга мишени 3, и два контактных винта 4 и 5. Обмотка электромагнита, содержащая 500 витков провода ПЭВ-0,44, намотана на каркас высотой 40 мм из плотной бумаги;
6№
Рис. 87
6№
Рис. 87
сердечник представляет собой железную пластину, изогнутую в виде буквы П. Электромагнит устанавливают над центральной частью мишени на внутренней стороне ящика.
Стальной якорь вместе с диском центрального круга мишени прикрепляют нижним контактным винтом к ящику так, чтобы между верхним контактным винтом и верхним концом якоря оставался зазор 1—2 мм.
При ударе брошенного мяча по диску пластина-якорь изгибается и, касаясь верхнего контактного винта, замыкает цепь электромагнита и лампочки. Лампочка загорается, а электромагнит притягивает якорь и продолжает удерживать его после удара мяча.
Магнит отпускает якорь, и лампочка гаснет, если нажать на кнопку SB1, размыкающую цепь. Для предотвращения «залипания» пластины-якоря к ней в местах соприкосновения с полюсами электромагнита нужно приклеить (клеем БФ-2) прокладки из плотной бумаги. Кнопку SB1 можно смонтировать в небольшой коробочке — выносном пульте управления — и соединить с ящиком гибким двухпроводным шнуром длиной 6—8 м. Это позволит управлять тиром на расстоянии.
«Волшебный» акробат. Эта забавная игрушка представляет собой фигурку акробата (или клоуна), совершающего прыжки «на сцене». На цветной вклейке VII, внизу показано устройство игрушки. Корпус ее — деревянный ящик размером 200Х200Х Х70 мм, разделен на две половины. Верхняя часть оформлена в виде сцены, на которой стоит акробат. Здесь же на боковых стенах корпуса расположены две лампочки. Все остальные элементы электрической цепи (схема ее показана там же) — электромагнит, две батарейки и кнопка — смонтированы в нижней части корпуса.
Фигурку «волшебного» акробата делают из пенопласта. Высота ее около 50 мм. Для устойчивости акробата к ногам его прикрепляют «подошвы» из свинца. Им следует придать полусферическую форму для того, чтобы акробат после прыжка «вставал» на ноги. Акробата устанавливают на пластину из гетинакса размером 190X65X3 мм. В боковых стенках корпуса на одинаковой высоте делают пазы, в которые вставляют эту пластину. В пазу «А» ее жестко закрепляют, а паз «В» имеет
такие размеры, чтобы пластина могла в нем свободно перемещаться.
Прыгать клоуна заставляет электромагнит: при нажатии кнопки-ключа SB1 в катушке электромагнита установится ток, сердечник резко втягивается вверх и ударяет по пластине. Акробат при этом «делает прыжок», и одновременно с этим вспыхивают лампочки HL1 и HL2, так как по ним тоже проходит ток. Так, нажимая кнопку, можно заставить клоуна выполнять акробатические прыжки.
Каркас электромагнита изготовляют из плотной бумаги или картона. На каркас наматывают провод ПЭВ-0,44 (500 витков). В качестве сердечника используют стальной стержень длиной 40 мм, диаметром 5 мм. Такой стержень можно изготовить из большого гвоздя. Катушку электромагнита крепят на деревянном основании с отверстием в центре, диаметр которого должен быть не меньше 8 мм. Расстояние между верхней точкой каркаса электромагнита и гетинаксовой пластиной должно быть наименьшим при условии, что пластина после удара стержнем не будет касаться электромагнита.
Источник питания — две батарейки 3336Л, соединенные последовательно. Они обеспечивают работу электромагнита и двух лампочек HL1 и HL2 (3,5 В, 0,26 А), которые также соединены последовательно.
Ключ-кнопку устанавливают снаружи. После того как собрана электрическая цепь, нижнюю часть корпуса закрывают листом плотного картона или фанеры — и устройство готово. Его вы можете подарить в школьную игротеку или в детский сад.
Рис. 88Рис. 88Ознакомимся еще с одим использованием магнитов и электромагнитов в технике. Соберите знакомую вам электрическую цепь из источника тока (батареи 3336Л) и лампочки (3,5 В, 0,26 А), а вместо выключателя к свободным концам проводов присоедините по гвоздику и расположите их на небольшом расстоянии параллельно друг другу (рис. 88). Чтобы лампочка загорелась, необходимо цепь замкнуть. Это вы хорошо знаете. Но как это сделать? Можно, конечно, взять гвоздики в руки и соединить их. А нельзя ли воспользоваться для этого постоянным магнитом? Поднесем его сбоку к гвоздикам, они притянутся друг к другу; цепь замкнется, лампочка загорится.
Рис. 88
Рис. 88
На этом принципе взаимного притяжения и соединения двух стальных гвоздиков в магнитном поле, по сути дела, основано устройство и действие магнитоуправляемых герметизированных кон
тактов — герконов (название их складывается из первых слогов слов: гермети-
a
зированный и контакт). Геркон представляет собой две контактные упругие пластины из ферромагнитного материала. Пластины помещены в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух (рис. 89, а), что предохраняет их от окисления в воздухе. Наша промышленность выпускает несколько типов герконов: КЭМ-1, КЭМ-2, МКВ-1 и др. Они отличаются друг от друга размерами, магнитными свойствами пластин и пр. Например, диаметр стеклянного баллончика геркона типа КЭМ-1 5,4 мм, а его длина 50 мм. Условное обозначение геркона на схемах электрических цепей представлено на рисунке 89, б.
Если вам удастся найти геркон, вы сможете с ним проделать интересный опыт. Соберите электрическую цепь согласно рисунку 89, в. Поднесите к геркону магнит, лампочка засветится. Вы уже знаете, почему это происходит: в магнитном поле замкнулись контактные пластины геркона. Уберите теперь магнит — лампочка погаснет, так как пластины разойдутся.
Можно ли заставить замкнуться контактные пластины другим способом? Попробуйте для этой цели использовать электромагнит. Поместите геркон внутрь изготовленного вами электромагнита и подсоедините его к батарейке GB2, как показано на рисунке 90. Тогда при замыкании ключа 5Л2 контактные пластины геркона намагнитятся и замкнутся — лампочка HL1 вспыхнет. Разомкните выключатель 5Л2— лампочка погаснет.
Наличие нескольких герконов позволит пополнить вашу игротеку новыми моделями или модернизировать уже сделанные. Например, в электрифицированной викторине «Виды тканей», описанной раньше, вы использовали электрические контакты-щупы. Касаясь одним щупом контакта под образцом ткани, а другим — у соответствующего названия, по загоранию сигнальной лампочки вы определяли правильность ответа. Если применить здесь герконы, то щупы
вам не понадобятся. Вместо болтиков- контактов у образцов ткани нужно укрепить герконы. Замыкать их можно с помощью указки, в конец которой вмонтирован постоянный магнит. При этом несколько изменятся принципиальная и монтажная схемы конструкции. Теперь вам понадобится восемь лампочек и столько же герконов (рис. 91). Лампочки смонтируйте у названия каждой ткани на планшете справа. Для определения вида ткани надо поднести указку к образцу, а в табличке справа загорится лампочка с соответствующим названием.
Подумайте, какие модели с герконами еще можно сделать. Советуем вам для уроков географии сделать электрифицированную карту с герконами; для занимательного вечера сконструировать игрушку, на
пример сову, у которой глаза загораются по мановению волшебной палочки. Вы уже представляете себе, что «хитрость» будет заключаться в том, что в палочку будет вмонтирован магнит, а включать цепь с лампочками в глазах совы будет геркон, расположенный внутри игрушки.
ШАГ ДЕСЯТЫЙ
РЕЛЕ — ПЕРЕПРЯЖКА ЛОШАДЕЙ
Вездесущие электромагниты. Электрический телеграф. Электрический звонок. Еще один «самовыключатель».
Цепь управляет цепью. Странное название «реле».
В память о езде на перекладных. Изготовлены на заводе. Контакты могут не только замыкаться. Простой зуммер.
«Успей раньше». Подумай и сделай
Вы уже убедились, что электромагнит пригоден не только для поднятия и транспортировки тяжелых грузов. Способность этого устройства притягивать железные предметы при прохождении тока через его катушку используют в самых разнообразных машинах и приборах.
Например, еще полтора столетия назад русский ученый П. Л. Шиллинг, а затем американец С. Морзе применили электромагниты для телеграфной связи. Тогда электрический телеграф впервые сделал возможной передачу сообщений с
большой скоростью в любое время суток и в любую погоду на огромные расстояния. И даже сейчас этим видом связи охвачены самые отдаленные уголки нашей Родины. Им пользуются все граждане, когда им нужно быстро передать какое-нибудь сообщение.
Электромагнит в телеграфном аппарате — главный действующий элемент. На рисунке 92 показана схема его работы. Источник тока (гальваническая батарея) / и телеграфный ключ (прерыватель тока) 2 находятся на станции Д, откуда передается сообщение. На станции В, принимающей сигналы, расположены электромагнит 3 и записывающее устройство. Над полюсом электромагнита расположен рычаг, который может свободно поворачиваться вокруг оси О. К одному концу рычага прикреплена железная пластина-якорь 4, а на другом его конце, оттягиваемом пружиной 5, находится пишущее колесико 6, наполовину погруженное в чашечку с краской. Передающая и приемная станции соединены проводами.
При замыкании ключа на передающей станции ток от батареи проходит через катушку электромагнита на приемной станции. Электромагнит притягивает железный якорь, и при этом колесико с краской касается бумажной ленты 7, которая медленно перематывается с валика 8 на валик 9 (валики приводятся во вращение часовым механизмом). Колесико 6 оставляет на ленте след — точку или тире, в зависимости от длительности нажатия телеграфного ключа на передающей станции. Определенные комбинации точек и тире (по их числу и расположению) соответствуют разным буквам, цифрам и знакам препинания (азбука Морзе).
Другой широко распространенный прибор, в котором электромагниту также отведена главная роль,— электрический звонок. Его устройство и схема включения в электрическую цепь показаны на рисунке 93.
Рядом с электромагнитом / на плоской пружине укреплен якорь 2, состоящий из железной пластинки с молоточком 3 на конце. К якорю прикреплен латунный подвижный контакт 4. Когда тока в катушке электромагнита нет, контакт этот прижат к винту 5, соединенному с одной из клемм 6. Другая клемма 7
соединена с началом катушки электромагнита, а ее конец при
соединен к якорю.
Если нажать кнопку прерывателя тока SB1, то цепь замкнется, в катушке установится ток и якорь притянется к полюсам электромагнита. При этом молоточек ударит по чашечке звонка, а подвижный латунный контакт отойдет от винта и разомкнет цепь. Ток перестанет идти через катушку электромагнита, и, следовательно, электромагнит перестанет притягивать якорь. Под действием пружины якорь отойдет от полюсов электромагнита и латунный подвижный контакт снова прижмется к винту, замкнув цепь. Через катушку опять пойдет ток, молоточек ударит по чашке звонка и т. д. Таким образом, пока кнопка прерывателя тока замкнута, якорь все время колеблется, а молоточек ударяет по чашечке и мы слышим звон.
Разобравшись в действии электрического звонка, вы придете к выводу, что электромагнит вместе с якорем играет здесь роль «самовыключателя»: так же, как и биметаллическая пластинка, он способен сам управлять электрической цепью, размыкая и замыкая ее. '
Для того чтобы лучше изучить эту важную особенность такого «самовыключателя», воспользуйтесь изготовленным вами электромагнитом с сердечником из железного гвоздя, изогнутого в виде буквы П. С ним нужно будет только объединить еще несколько деталей (рис. 94).
Прежде всего прикрепите к свободному концу сердечника изогнутую жестяную полоску шириной 5—6 мм так, чтобы ее свободный конец на несколько миллиметров не доходил до другого конца сердечника (на который надета катушка). Эта жестяная полоска будет одновременно и якорем, и (благодаря некоторой упругости) пружиной, и подвиж
ным контактом. Неподвиж-Рис- 94
ный контакт —- небольшую пластинку из жести — прикрепите к верхней щечке каркаса катушки, подведя пластинку под конец якоря. К неподвижному контакту и к якорю припаяйте концы соединительных проводов.
Укрепите электромагнит на деревянной подставке; все четыре конца проволочек (два конца — от катушки электромагнита и два — от подвижного и неподвижного контактов) присоедините к четырем клеммам на подставке, как показано на рисунке 94.
Ваш «электромагнитный самовыключатель» готов. Теперь его надо отрегулировать. Батарейка 3336Л будет, как обычно, источником тока. Присоедините один из выводов катушки (с помощью клеммы и соединительного проводника) к одному из полюсов батарейки. Другого полюса касайтесь соединительным проводником, подключенным к клемме второго вывода катушки. При прохождении тока через катушку электромагнита сердечник его должен намагничиваться и притягивать якорь. Надо добиться того, чтобы якорь при этом касался неподвижного контакта на щечке каркаса, а при размыкании цепи якорь, благодаря своей упругости, должен отклоняться вверх.
Выполнив указанную регулировку якоря, соберите еще одну цепь с отдельной батарейкой и лампочкой (рис. 95). В качестве прерывателя тока введите в эту цепь (с помощью соединительных проводов) жестяные пластинки подвижного и неподвижного контактов, установленные на электромагните, а катушку электромагнита присоедините через ключ к первой батарейке.
Если теперь вы замкнете ключом SA1 цепь с первой батарейкой и катушкой, то якорь, притянувшись к сердечнику, замкнет цепь второй батарейки и лампочка в этой цепи загорится. Разомкните ключ в первой цепи — вторая цепь также разомкнется, и лампочка погаснет.
Таким образом, вы собрали электрическое устройство, с помощью которого первая электрическая цепь управляет второй. Устройство это получило название электромагнитного реле.
Не находите ли вы, что схема и работа этого устройства аналогичны схеме и поведению геркона, с которым мы уже познакомились, изучая магниты и электромагниты (см. рис. 90)?
Слово «реле» пришло к нам из Франции. В давние времена, когда не было еще железных дорог, автомобилей и самолетов, а почту перевозили в ни запряженных лошадьми каре- х тах и дилижансах, так называли там замену уставших лошадей на остановочных пунктах. В переводе на русский язык означает «сменные, перекладные лошади».
В середине прошлого века во многих странах стали устанавливать электрический телеграф, и тут обнаружилось, что электрический ток от батареи передающей станции ослабевает с расстоянием из-за большого сопротивления проводов. В длинной линии ток оказывался настолько малым, что приемный телеграфный аппарат не работал.
И создатели телеграфов предложили как бы «перепрягать» ток «в пути». Всю линию разделили на несколько участков. В конце каждого участка поместили электромагнит с подвижным якорем и контактами. Слабый ток проходил через катушку электромагнита. Якорь притягивался к сердечнику и замыкал с помощью контактов цепь тока от местной батареи. И уже этот ток, более сильный, направлялся на следующий участок линии.
По сходству с перепряжкой лошадей новый прибор назвали старым французским словом «реле». Электромагнитное реле — электромагнит, якорь которого переключает одну или несколько цепей,— один из самых распространенных элементов в автоматических устройствах. Многие управляющие системы (например, телефонные станции) содержат тысячи электромагнитных реле. Для нужд нашей промышленности на специальных заводах изготовляют разнообразные типы этих элементов автоматических устройств.
На рисунке 96 показано устройство электромагнитного реле промышленного' изготовления. У такого реле якорь / притягивается к сердечнику электромагнита 2 под действием магнитного поля, создаваемого обмоткой (катушкой) 3, по которой протекает электрический ток. Поворачиваясь на призме ярма 4, якорь замыкает контакты 5. При отключении тока в обмотке якорь отходит от сердечника под действием контактных пружин 6. Латунный штифт 7 предотвращает при этом «залипание» якоря.
В электромагнитных реле устанавливают контактные пружины не только с замыкающими (нормально разомкнутыми) контактами. Контакты могут быть и размыкающими (нормально замкнутые), и переключающими. Выпускаемые нашей промышленностью реле снабжают контактными группами в различных комбинациях. Конструкция многих реле такова, что контактные группы можно переставлять, добавлять (до 16—18 контактных пружин) в соответствии с количеством ,и назначением переключаемых цепей. Условные обозначения обмотки и контактов электромагнитного реле на принципиальных схемах электрических цепей показаны на рисунке 97.
В дальнейшем, изображая реле на схемах, мы будем использовать именно эти условные обозначения.
Для других элементов электрических цепей: кнопок, выключателей и переключателей, электромагнитов и пр. мы также будем применять лишь специальные условные обозначения.
Рис. 96Рис. 96Обмотки реяв || к
Рис. 96
Рис. 96
Контакты рвле:I
замыкающие/<
размыкающие Г^Ч- .
переключающиепереключающиеРис. 97
переключающие
переключающие
Дело в том, что несколько лет назад в нашей стране был введен новый ГОСТ (государственный стандарт) на электрические схемы. Этот ГОСТ предусматривал изменения некоторых обозначений элементов цепи. Новые условные графические обозначения более просты по начертанию, хотя и менее наглядны.
Однако в книгах и журналах, изданных в прошлые годы, а также в учебниках и учебно-методических пособиях вы можете встретиться и со «старыми» условными обозначениями. Для того чтобы вам легче было ориентироваться в схемах, в «Приложении», помещенном в конце нашей книги, приведены условные графические обозначения основных элементов электрических цепей как «старые», так и «новые», соответствующие действующему ГОСТу.
Внимательно рассмотрите все эти условные обозначения и постарайтесь их запомнить.
Использовав такой источник тока и всего одно реле с нормально замкнутыми (размыкающимися при пропускании тока по обмотке) контактами, можно собрать электрический зуммер — устройство, похожее по своему действию на звонок,Использовав такой источник тока и всего одно реле с нормально замкнутыми (размыкающимися при пропускании тока по обмотке) контактами, можно собрать электрический зуммер — устройство, похожее по своему действию на звонок,SB1 дрВВПt К1 I1БвгГI:Рис. 98SB1 дрВВПt К1 I1БвгГI:Рис. 98но издающее жужжащий звук. Схема такого зуммера приведена на рисунке 98. При нажатии кнопки SB1 в обмотке электромагнитного реле К.1 устанавливается ток. Якорь реле притягивается (в этом случае говорят, что реле «срабатывает» или «возбуждается»), и его контакты КЫ размыкают цепь. Ток перестает проходить черезно издающее жужжащий звук. Схема такого зуммера приведена на рисунке 98. При нажатии кнопки SB1 в обмотке электромагнитного реле К.1 устанавливается ток. Якорь реле притягивается (в этом случае говорят, что реле «срабатывает» или «возбуждается»), и его контакты КЫ размыкают цепь. Ток перестает проходить черезОбмотки электромагнитных реле могут быть рассчитаны на различные напряжения. Мы рекомендуем использовать в простых моделях и приборах электромагнитные реле типа РКП (паспорт РС4.513.709—733) или типа РПН (паспорт РС4.513.120). Для питания этих реле достаточно напряжения, получаемого от двух последовательно соединенных батареек 3336Л.
Использовав такой источник тока и всего одно реле с нормально замкнутыми (размыкающимися при пропускании тока по обмотке) контактами, можно собрать электрический зуммер — устройство, похожее по своему действию на звонок,
Использовав такой источник тока и всего одно реле с нормально замкнутыми (размыкающимися при пропускании тока по обмотке) контактами, можно собрать электрический зуммер — устройство, похожее по своему действию на звонок,
SB1 др
ВВП
t К1 I1
БвгГ
I:
Рис. 98
SB1 др
ВВП
t К1 I1
БвгГ
I:
Рис. 98
но издающее жужжащий звук. Схема такого зуммера приведена на рисунке 98. При нажатии кнопки SB1 в обмотке электромагнитного реле К.1 устанавливается ток. Якорь реле притягивается (в этом случае говорят, что реле «срабатывает» или «возбуждается»), и его контакты КЫ размыкают цепь. Ток перестает проходить через
но издающее жужжащий звук. Схема такого зуммера приведена на рисунке 98. При нажатии кнопки SB1 в обмотке электромагнитного реле К.1 устанавливается ток. Якорь реле притягивается (в этом случае говорят, что реле «срабатывает» или «возбуждается»), и его контакты КЫ размыкают цепь. Ток перестает проходить через
обмотку реле, и якорь возвращается в исходное положение. Но при этом вновь замыкаются контакты К/Л и через катушку реле снова начинает проходить ток. Якорь реле снова притягивается к сердечнику и т. д. Таким образом, все время, пока нажата кнопка SB/ якорь реле колеблется, периодически размыкая и замыкая цепь. Эти движения якоря сопровождаются жужжанием, так как он все время ударяется о сердечник электромагнита.
Зуммер можно использовать в различных моделях и приборах как звуковое сигнальное устройство. Так, зуммером, например, может воспользоваться ведущий в описанной нами (с. 69) игре «Кто быстрее?» для подачи сигнала о начале состязания.
Кстати, и сама эта игра может быть оснащена очень интересным автоматически действующим прибором, если применить вместо переключателей электромагнитные реле. Прибор этот показан на рисунке 99. Он состоит из основного блока, на лицевой панели которого расположены две лампочки и выключатель, и двух соединенных с этим блоком выносных пультов (коробочек) с кнопками (прерывателями тока). В этом варианте игры, который мы назовем «Успей раньше», тоже принимают участие двое соревнующихся, а третий — ведущий.
Каждый из соревнующихся берет в руки один из пультов, а ведущий включает ключом лампочки на панели основного блока. Затем по команде ведущего каждый соревнующийся должен попытаться нажатием кнопки на своем пульте погасить лампу противника. Если он успеет это сделать раньше противника, то его собственная лампочка останется включенной — противник выключить ее уже не сможет.
Для питания обмоток электромагнитных реле К/ и К2 здесь используют две последовательно соединенные батарейки GB1—GB2 (3336Л). На лампочки HL1 и HL2 (3,5 В, 0,26 А) подается половина всего напряжения, так как они присоединены только к одной батарейке GB1. Все детали и узлы прибора расположены в деревянном корпусе основного блока. К пультам соревнующихся выведены только кнопки-выключатели SB1 и SB2. Рассмотрим действие прибора.
После того как ведущий включает ключ SA1, лампочки
HL1 и HL2 загораются (контакты KL1 и К2.1 замкнуты). Затем по сигналу ведущего каждый из соревнующихся спешит нажать кнопку. Предположим, что первый из них успел раньше нажать свою кнопку SB1. Тут же срабатывает реле KL Переключающие контакты этого реле KL1 отключают лампочку HL2 (она гаснет) и замыкают участок цепи с кнопкой SB1, обеспечивая прохождение тока по обмотке реле К/ даже после того, как соревнующийся отпустит эту кнопку (это называется самоблокировкой реле КО- Одновременно контакты KL2, размыкаясь, отключают обмотку реле К2, лишая противника возможности воздействием на это реле кнопкой SB2 выключить лампочку HLL
Если раньше успеет нажать свою кнопку SB2 второй соревнующийся, то управление работой цепи будет происходить аналогично, но погаснет лампочка HL1 (убедитесь в этом, проследив по схеме за контактами реле в цепи).
После окончания состязания ведущий должен вернуть прибор в исходное состояние. Для этого нужно отключить реле и лампочки ключом SAL
Кодовый замок. Вы помните бедняка Али-Бабу из арабских сказок «Тысячи и одной ночи», перехитрившего сорок разбойников и их жестокого одноглазого атамана? Кровожадные разбойники прятали награбленные богатства в горной пещере за волшебной дверью. А храбрый Али-Баба подслушал таинственные слова, при произнесении которых открывалась волшебная дверь, и это помогло ему проникнуть в пещеру, вынести оттуда много золота и драгоценностей.
Конечно, волшебные двери бывают только в сказках. Но в наши дни и наяву существуют устройства, которые действуют гораздо эффективнее и надежнее, чем волшебные двери из арабской сказки. Вспомните хотя бы банковские сейфы, хранилища ценных или секретных документов, двери которых снабжаются сложными автоматическими запорами, системами сигнализации и другими «охраняющими» автоматами. Не так-то просто было бы в наше время Али-Бабе пробраться незамеченным в такое хранилище и тем более вынести что-либо.
Расскажем об устройстве электромагнитного замка с релейным управлением. Такой замок-автомат вы можете изготовить и установить на внутренней стороне двери небольшого шкафчика- сейфа (рис. 100).
Снаружи на двери установлены десять кнопок, обозначенных цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 (или 10). Действие замка- автомата сводится к следующему. Перед тем как, захлопнуть дверь сейфа, в замок с помощью контактных штырьков — штекеров вводится код — некоторое трехзначное число. Если после этого захлопнуть дверь, то открыть ее можно будет, лишь набирая нажатием кнопок введенный код. Набор другого числа (не соответствующего введенному коду) вызывает включение сигнала тревоги (загорается красная сигнальная лампочка на двери), а сейф остается запертым.
Дверь сейфа запирается электромагнитной задвижкой, представляющей собой железный стержень с пружиной и катушкой электромагнита ЭМ. Если тока в катушке нет, стержень удерживается пружиной в выдвинутом состоянии — дверь заперта. При установлении тока в катушке стержень втягивается в нее — дверь отпирается. Включение электромагнита ЭМ осуществляется контактами КЗ.2 при срабатывании реле КЗ. А это реле срабатывает лишь в том случае, если до него были включены обмотки сначала реле К1, а потом реле К2. При включении этих реле в иной последовательности или включении реле К4 замыкается цепь сигнальной лампочки HL1 (контактами К4.3) и эта лампочка будет гореть до тех пор, пока включен общий выключатель SA1.
Кодирующее устройство замка состоит из десяти штекеров, с помощью которых можно соединять в произвольном порядке кнопки 1, 2, 3, ..., 9,0 с гнездами XI, Х2, ХЗ, ..., ХО. Три гнезда XI, Х2 и ХЗ ведут к катушкам реле KL К2, КЗ соответственно; остальные семь гнезд соединены с катушкой реле К4. Трехзначное число-код задается помещением трех выбранных штекеров в гнезда XI, Х2, ХЗ, а всех других штекеров — в остальные гнезда. Например, на рисунке 100 замок закодирован числом 123. В этом случае замок открывается лишь при нажатии кнопок в такой последовательности: сначала SB1, затем SB2 и, наконец, SB3.
Для питания обмоток (катушек) реле К1—К4 используются две последовательно соединенные батареи GB1 и GB2 (3336Л). Сигнальная лампочка HL1 (3,5 В, 0,26 А) подключается к одной из них — GB2.
Кнопки, штекеры и гнезда могут быть любой конструкции — самодельные или взятые из старой, отслужившей свой век электроаппаратуры. Сейф можно сделать из фанеры, пластмассы или иных материалов. Его форма, размеры и внешний вид зависят от ваших вкусов и возможностей. Поэтому мы не приводим здесь монтажной схемы и не даем подробных рекомендаций, оставляя вам широкий простор для конструкторской смекалки и фантазии.
Автомат-экзаменатор. Выше (на с. 71) был описан прибор для проверки знаний учащихся. Вспомним, что при работе с таким прибором ученику предлагается ответить на пять вопросов. Ответы он находит из нескольких вариантов, предложенных в карточке-билете, устанавливая номера выбранных ответов с помощью переключателей на панели. Затем после нажатия кнопки «Отметка» прибор «выставляет» ученику отметку и указывает номера вопросов, на которые он ответил правильно.
Этот простой прибор помогает школьнику проверить свои знания, обнаружить и устранить ошибки. Но строгим экзаменатором он быть не может, так как после получения отметки у ученика остается возможность вносить поправки в свой ответ, «заставляя» прибор повысить отметку.
В самом деле, представим себе, что ученик неудовлетворительно ответил на вопросы карточки-билета и большая часть лампочек или даже все они при нажатии кнопки «Отметка» не загорелись. Тогда опрошенный, удерживая кнопку нажатой и поворачивая ручки переключателей, может подобрать такие их положения, при которых лампочки загорятся, и таким образом исправить «двойку» на «пятерку»!
Для строгого и объективного контроля знаний учащийся должен быть лишен такой возможности. С этой целью прибор необходимо дополнить специальным автоматическим устройством, которое отключало бы электрическое питание лампочек, лишь только ученик после получения отметки изменит положение какого-либо из переключателей, пытаясь внести поправку в свой первоначальный ответ.
Применение электромагнитных реле позволяет решить эту задачу, превратив прибор для самопроверки знаний в строгий экзаменатор-автомат.
Внешний вид этого автомата по сравнению с описанным ранее прибором изменится мало: на его лицевой панели появится дополнительно лишь один элемент — замочная скважина, в которую необходимо вставлять специальный ключ, чтобы с его помощью включать экзаменатор. При повороте ключа его «бородка» должна кратковременно замыкать две упругие контактные пластинки.
Внутреннее же устройство прибора усложнится значительно (рис. 101). Понадобится установить еще два электромагнитных реле, вторую батарейку 3336Л, а также «задействовать» не
Рис. 101
использовавшиеся в первоначальной конструкции прибора контактные пластины второго направления переключателей 5П2Н.
Проанализируем работу автомата по его принципиальной схеме. Батарея GB1, как и ранее, используется для питания лампочек HL1—HL5. Дополнительная батарея GB2 присоединяется последовательно к батарее GB1 для питания катушек электромагнитных реле К1 и К2 напряжением 9 В.
Для включения автомата и подготовки его к работе (после введения номеров правильных ответов с помощью штырей и гнезд XI—Х5), как уже упоминалось, ключом замыкают контакты Х6, расположенные под прорезью (замочной скважиной) на лицевой панели. При этом напряжение 9 В подается (через замкнутые контакты К2.3) на обмотку реле KL Это реле срабатывает и самоблокируется контактами KLL которые подают напряжение к электрическим цепям переключателей и лампочек. После этого учитель или другое лицо, организующее проверку знаний, может извлечь ключ из прорези и передать прибор опрашиваемому — автомат останется включенным.
Ученик работает с прибором так же, как было описано ранее: выбирает по карточке-билету ответы на вопросы, указывает их номера установкой переключателей, а после ввода ответов нажимает кнопку SB1 «Отметка». При этом срабатывает и самоблокируется (контактами К2.1^ реле К2; напряжение 4,5 В подается через контакты К2.1 и К2.2 на лампочки, и те из них, которые соответствуют вопросам с правильными ответами, загораются. Одновременно контакты К.2.3 размыкаются. После этого питающее напряжение на обмотку реле К1 подводится только через последовательно соединенные контактные пластины второго направления переключателей SA1.2—SA5.2. В этом и состоит «хитрость», исключающая возможность внесения учеником поправок в ответы без ведома учителя: поворот любого
из переключателей SA1—SA5 вызовет кратковременный разрыв цепи питания реле К1. При этом контакты К11 разомкнутся, отключая цепи автомата. Снова включить прибор можно будет только с помощью ключа Х6, а для этого придется обращаться к учителю.
Для изготовления описанного автомата-экзаменатора можно использовать электромагнитные реле и другие элементы и детали тех же типов, что и в описанных ранее конструкциях (приборе для проверки знаний, кодовом замке и др.). Устройство контактов Х6 «Ключ» разработайте сами. Подумайте и о наиболее целесообразном размещении в корпусе прибора электромагнитных реле, отсека для батареек питания. Нужно, в частности, предусмотреть свободный доступ к этому отсеку для быстрой замены батарей после их разрядки.
ШАГ ОДИННАДЦАТЫЙ
ИГРУШКИ ПРИХОДЯТ В ДВИЖЕНИЕ
До двигателя — один шаг. Опять опыты. Магнит и рамка. Коллектор и щетки. Делаем простейший
электродвигатель. От электробритвы до электровоза.
И двигатель имеет паспорт. Для детских игрушек.
Любителям гоголя-моголя. Миниатюрный вентилятор. Для управления праздничной иллюминацией. Электроходы. Подумай и сделай
Подвижной игрушкой — бегущим по рельсам паровозиком или деловито ползающим на гусеницах экскаватором — давно уже трудно удивить даже самых маленьких. В наши дни и четырехлетний карапуз уже уверенно заводит пружинный механизм подаренной ему родителями пластмассовой «Волги». А иной его сверстник не только нажимает на рычаги и кнопки своего игрушечного планетохода, но еще и толкует с видом знатока о необходимости сменить батарейку...
И все же, одно дело — управлять изготовленной на заводе электрифицированной моделью машины и совсем другое — собрать подобную конструкцию самому. Вероятно, вы уже успели убедиться в том, что постройка любой технической самоделки требует и умения, и настойчивости, и немалых знаний. И если вы намерены создать электрифицированную модель какой-либо машины или соорудить небольшой электромиксер для сбивания молочных коктейлей, то, помимо всего прочего, вам понадобится еще и знакомство с электрическим двигателем. Ведь он необходим в каждой из таких машин.
Впрочем, теперь, после того, как мы уже с вами разобра-
лись в свойствах магнитов и электромагнитов, до электрического двигателя нам остался один шаг.
Вы уже знаете, что вокруг проводника, по которому проходит ток, создается магнитное поле. Поэтому вам, наверное, будет интересно посмотреть, что произойдет с таким проводником с током вблизи магнита. Наблюдения эти помогут вам понять принцип работы электрического двигателя. Для опытов понадобится сильный подковообразный магнит, а также элементы электрической цепи, которые вы уже применяли ранее.
Соберите простую электрическую цепь с лампочкой, батарейкой и ключом. Один из соединительных проводов в этой цепи подвесьте так, чтобы часть его оказалась между полюсами магнита (рис. 102). При замыкании цепи этот провод приходит в движение и отклоняется. Измените направление тока в цепи — и подвешенный в магнитном поле провод отклонится в противоположную сторону.
Этот опыт можно объяснить: проводник, по которому проходит ток, втягивается внутрь магнита или выталкивается из него под действием поля самого магнита. Но для использования этого явления такого кратковременного перемещения проводника недостаточно. Нужно, чтобы он не просто отклонялся, а непрерывно двигался между полюсами магнита.
Оказывается, для этого проводнику с током следует придать форму рамки, на обе стороны которой магнит будет действовать одновременно, но в противоположных направлениях: одну сторону —■ втягивать, а другую — выталкивать. Тогда проволочная рамка, если ее закрепить на вращающейся оси, начнет поворачиваться в магнитном поле. Но, сделав пол-оборота, рамка должна остановиться (точно так же, как повернулась и остановилась бы в подобном положении магнитная стрелка компаса). Чтобы она, не останавливаясь, продолжала вращение, нужно в этот момент изменить направление тока — поменять местами концы проводников, подводящих к рамке ток от источника.
Для этой цели вместе с рамкой на оси устанавливают специальный переключатель — коллектор. Он состоит из двух полукруглых металлических контактных пластинок, укрепленных на поверхности изолирующего цилиндра и припаянных к концам рамки. Коллектор может вращаться вместе с рамкой. К его контактным пластинкам прижимаются неподвижные щетки — две упругие металлические пластинки, соединенные с источником тока.
Таким образом, при движении рамки с коллектором через каждые пол-оборота происходит переключение контактов, ток в рамке изменяет направление и она продолжает вращаться под действием магнита. Это будет происходить до тех пор, пока к щеткам подключен источник тока.
Таков принцип действия простейшего электродвигателя. Принимая во внимание этот принцип, вы можете изготовить такой двигатель и испытать его.
Рис. 102Рис. 102
Рис. 102
Рис. 102
Внешний вид простейшего самодельного электродвигателя дан на фотографии 103.
Некоторые детали и узлы электродвигателя показаны на рисунке 104. Неподвижной частью машины — статором (или индуктором) является подковообразный магнит. Его следует укрепить на деревянной подставке жестяными хомутиками. В качестве подвижной части — ротора (или якоря) используют не одну проволочную рамку, а целую обмотку из 100—120 витков медного провода, намотанных на железный сердечник. Это позволяет во много раз увеличить силу взаимодействия подвижной части машины с магнитом.
Сердечник ротора собирают из отдельных железных пластинок. Его диаметр должен быть на 1,5—2 мм меньше расстояния между полюсами магнита. Вырежьте из отожженной жести (например, из консервных банок) 12—15 заготовок для такого сердечника и сделайте в центре каждой заготовки отверстие для оси ротора — кусочка вязальной спицы. Затем насадите жестяные заготовки на ось, предварительно проложив между ними листочки тонкой бумаги, смазанные клеем БФ-2. Собрав пакет пластинок, зажмите их.
Теперь можно намотать на сердечник обмотку — две секции, по обе стороны от оси (не забудьте под обмотку положить листок тонкой бумаги — для защиты проводов от повреждения острыми краями железных пластинок сердечника). Провод возьмите в эмалевой изоляции диаметром 0,2—0,3 мм. Число витков обмотки в секциях ротора должно быть обязательно одинаковым — по 50—60 витков.
Из круглой пробки сделайте изолирующий цилиндр и плотно наденьте его на ось ротора. Полукруглые жестяные пластинки коллектора смажьте изнутри клеем БФ-2 и, наложив на цилиндр, прочно свяжите в двух местах нитками. Между пластинками коллектора должны остаться промежутки по 0,5—0,8 мм,
расположенные, как указано на рисунке. Концы обмотки аккуратно припаяйте к пластинкам.
Все дальнейшие операции по сборке двигателя понятны из рисунка. Опорные стойки для оси ротора можно выпилить лобзиком из оргстекла или текстолита, а щетки — вырезать из полосок латуни или жести. Опорные стойки и щетки с клеммами устанавливают на деревянной подставке.
Внимательно проверьте окончательно собранный двигатель. Якорь его должен легко и свободно вращаться. Щетки должны слегка прижиматься к коллектору.
Двигатель готов. Присоедините его к источнику тока по схеме, приведенной на рисунке 105. Если после замыкания цепи якорь
не сразу придет во вращение, подтолкните его слегка пальцем.
Измените полярность включения двигателя и снова замкните цепь. Якорь машины начнет вращаться в обратном направлении. Такое изменение направления вращения двигателя называют
реверсированием.
Собранное вами устройство правильнее было бы назвать не электродвигателем, а его действующей моделью. Настоящие электрические двигатели, конечно, сложнее, конструктивно они значительно от нее отличаются. Применяют электрические двигатели повсеместно. На заводах и фабриках они приводят в движение станки и машины, на транспорте — трамваи, троллейбусы, электровозы и поезда метро. В сельском хозяйстве электрические двигатели используют в молотилках, веялках, доильных аппаратах и других машинах.
Очень многие домашние бытовые электроприборы: пылесосы, полотеры, стиральные и швейные машины, магнитофоны, вентиляторы и пр.— тоже приводятся в действие электрическими двигателями.
Даже многие детские игрушки, как уже упоминалось, снабжены электродвигателями.
Электрические двигатели обладают многими преимуществами по сравнению с другими видами двигателей (паровыми, внутреннего сгорания): при работе они не выделяют дыма, газов или пара, для них не нужен запас топлива и воды, их легко установить в любом удобном месте (на станке, под полом трамвая или троллейбуса, в корпусе магнитофона).
Рис. 106Рис. 106Рис. 107Рис. 107Для нужд народного хозяйства наша промышленность выпускает большое количество самых разнообразных электродвигателей: от миниатюрных, например устанавливаемых в электробритвах, до огромных могучих машин — для электровозов, прокатных станов, кораблей. Многообразные электри: ческие двигатели различаются не только
Рис. 106
Рис. 106
Рис. 107
Рис. 107
по размерам, но и по назначению, конструкции, рабочему напряжению и силе тока,
скорости вращения и другим показателям. Поэтому на корпусе каждой машины обязательно устанавливают металлическую табличку, в которой указаны все основные сведения о двигателе. Такую табличку называют паспортом электродвигателя.
Юным техникам в своих самоделках нередко приходится прибегать к использованию небольших электродвигателей. Удобно применять двигатели, рассчитанные на питание от батарейки 3—9 В. Конечно, как вы уже убедились, такие электродвигатели можно изготовить своими руками, в
вам для своихвам для своихдомашних условиях. Но мы рекомендуем конструкций приобрести микроэлектродви
вам для своих
вам для своих
гатели в магазине: они недороги, достаточно надежны в работе и долговечны. Используя готовые двигатели, вы сосредоточите основное внимание на конструировании других узлов ваших моделей и приборов.
На рисунке 106 показан микроэлектродвигатель ДП-10, который широко применяют для привода электрифицированных игрушек и моделей. Приводим некоторые паспортные данные этой машины.
Напряжение питания, В4,5
Скорость вращения вала,об/мин 2000
Габариты: длина корпуса, мм34
поперечные размерыкорпуса, мм 28X37
диаметр вала, мм .2
Используя такой двигатель, можно изготовить несложное, но весьма полезное в домашнем хозяйстве устройство — электрический миксер.
Кто из вас не любит пироги с кремом, молочный коктейль или гоголь-моголь? Но приготовление подобных лакомств — это длительная и довольно трудоемкая процедура. Электромиксер значительно облегчает дело. Конструкция этого самодельного бытового электроприбора показана на рисунке 107. Микроэлектродвигатель ДП-10 (или другой подобный ему) устанавливают на полиэтиленовой крышке от стандартной стеклянной банки емкостью 0,5 л. Вал двигателя проходит через небольшое отверстие в крышке внутрь банки. На валу с помощью кусочка резиновой трубки укрепляют металлическую ось с припаянным к ней жестяным винтом-взбивателем. Напряжение питания —4,5 В — подводится к электродвигателю от батарейки 3336Л.
Другой полезный прибор для домашних хозяек —- электрическая щетка для мытья детских молочных бутылочек, стеклянных флаконов, пробирок (рис. 108).
Электродвигатель ДП-10 через кнопку-выключатель соединяют с источником тока (батареей 3336Л). На валу двигателя укрепляют круглую щетку-ершик. Для мытья посуды щетку вводят в бутылку с водой и мылом (или хозяйственной пастой) и нажимают на кнопку выключателя. Аппарат начинает работать, в результате щетка с помощью воды и мыла (пасты) хорошо вымывает бутылочку. Чтобы при вынимании щетки из бутылочки вода не разбрызгивалась, на держатель щетки надевают пластмассовый стаканчик. Высота его должна быть равна длине головки ершика. Корпусом для прибора может служить пластмассовая коробка. Придумайте сами крепление батарейки, двигателя и кнопки-выключателя в ней.
Можно сделать еще один несложный бытовой электроприбор —■ настольный миниатюрный вентилятор. Его тоже можно сделать, взяв за основу электродвигатель ДП-10 (рис. 109). Источник питания — батарейку 3336Л — помещают в изготовленном из фанеры или пластмассы футляре-подставке. Сверху на футляре устанавливают двигатель, а рядом с ним — выключатель (можно использовать кнопочный выключатель от настольной лампы). На валу двигателя укрепляют трехлопастный винт из тонкой жести.
В отличие от вентилятора и миксера, во многих других приборах и моделях большая скорость вращения вала электродвигателя затрудняет его прямое использование. Если нужно медленное вращение, то приходится совмещать двигатель с редуктором — механическим устройством для уменьшения скорости вращения машины. Простейший редуктор состоит из двух-трех связанных между собой шестеренок различного диаметра (как в механизме часов). Подобные редукторы вместе с микроэлектродвигателями используют во многих электрифицированных игрушках. Вероятно, вы не раз имели с ним дело, если приходи-
Рис. 109Рис. 109Рис. 110Рис. 110
Рис. 109
Рис. 109
Рис. 110
Рис. 110
лось разбирать испорченный игрушечный автомобиль или трактор. Нередко электродвигатели с редуктором, недорогие по цене, продают в магазинах детских игрушек.
Чтобы заставить вращаться колеса игрушечной машины от микроэлектродвигателя, можно использовать редуктор типа Р-1 (производства московского школьного завода «Чайка», он продается в магазинах «Юный техник», «Сделай сам»).
Для своих младших друзей сконструируйте, например, автомобиль, используя детали механического конструктора, и приведите его в движение с помощью двигателя и редуктора.
Применив электродвигатель с редуктором (купленный в магазине или взятый из старой испорченной детской игрушки), вы можете создать очень интересное устройство — еще один «са- мовыключатель», удобный, например, для автоматического управления огнями праздничной иллюминации, елочными гирляндами, световыми табло и другими подобными электрическими цепями.
Главная часть такого автоматического переключателя — деревянный барабан, приводимый в медленное вращение (рис. НО). К поверхности барабана прикрепляют фигурную металлическую контактную пластинку, от формы которой зависят очередность включения и продолжительность горения лампочек. К барабану прижимают несколько упругих контактных пластинок-щеток, которые соединены с лампочками и источником тока.
В этом положении барабана, которое изображено на рисунке, будет гореть только одна лампочка HL1. При повороте барабана по направлению стрелки щетка 1 сойдет с контактной пластинки, и лампочка HL1 погаснет. Но тут же коснется пластинки щетка 2, и загорится лампочка HL2. При дальнейшем вращении барабана лампочка HL2 погаснет, но загорится HL3, затем погаснет HL3, но загорится HL4, а потом снова — лампочка HL1...
Так огонек и будет переходить от лампочки к лампочке, пока вращается барабан переключателя.
Можно, конечно, вращать этот барабан от руки с помощью показанной на рисунке рукоятки. Но это утомительно, да и не- 110
интересно. Установите рядом с барабаном электродвигатель с редуктором, соедините вал редуктора с валом барабана кусочком резиновой трубки. Если теперь включить электродвигатель, то ваш барабанный переключатель будет действовать сам — автоматически.
Подумайте, какую форму следует придать контактной пластине на поверхности барабана и сколько щеток нужно расположить рядом с ним, чтобы управлять различными группами лампочек на световых табло или елочных гирляндах.
Электрифицированную игрушку можно заставить двигаться и без редуктора. Прежде чем приступить к изготовлению таких игровых устройств, проделайте несколько опытов.
Составьте электрическую цепь из двигателя ДП-10, батарейки 3336Л и выключателя (см. рис. 105). Теперь возьмите кусочек обыкновенной школьной резинки — ластика, сделайте в нем отверстие (шилом), но не точно посередине, а немного ближе к краю, и этот ластик насадите на вал двигателя. Замкните цепь. Двигатель начнет вибрировать. Создает вибрацию при вращении мотора резинка, надетая на его ось. Ластик в данном случае играет роль э к с ц е н т р и к а — вращающейся части машины или механизма, ось вращения которой не совпадает с ее центром.
Эксцентрик обычно служит для преобразования вращательного движения в поступательное. Если двигатель укрепить на какой-либо подставке и подать на него электрическое напряжение, то подставка вместе с двигателем начнет вибрировать и медленно передвигаться, получится виброход. При реверсировании двигателя движение виброхбда изменится на противоположное. Этот принцип широко используется юными конструкторами в игрушках и игровых устройствах. Сконструируйте несколько таких моделей.
Игрушка «божья коровка». Для детского сада изготовьте забавную движущуюся игрушку-жука «божью коровку» (см. цветную вклейку VIII, внизу). Основание игрушки выполните из фанеры толщиной 3—4 мм. Для этого лобзиком выпилите круг радиусом 60 мм (см. на цветной вклейке рис. б). В центре круга (тоже лобзиком) сделайте прямоугольное отверстие для крепления двигателя (отверстие должно быть таким, чтобы двигатель в него не проваливался). В основании сделайте шилом семь отверстий: одно — для проводов, по которым будет подводиться ток к игрушке, остальные шесть — для ножек жука. Для ног жука используйте шесть кусков медного или алюминиевого провода в полихлорвиниловой (лучше темной) изоляции диаметром 1—2 мм, длиной около 15 см. Провод скрутите попарно (см. на цветной вклейке рис. в) и концы его просуньте в отверстия основания. Верхние концы провода скрутите плоскогубцами. Ножки изогните, придав им соответствующую форму (см. на цветной вклейке рис. г). Часть изоляции с концов проводов снимите.
В прямоугольном отверстии укрепите (с помощью клея) электродвигатель (ДП-10). На ось двигателя наденьте кусочек ластика, проколов его шилом. К выводам обмотки двигателя припаяйте два монтажных провода в полихлорвиниловой изоляции длиной около 80—100 см. Через отверстие в основании выведите провода наружу и скрутите их между собой. Придайте вашей игрушке внешний вид жука. Для этого можно использовать старый резиновый мяч подходящих размеров. Разрежьте мяч пополам и прикрепите половинку с помощью скрепок к основанию (или приклейте ее: для этого немного надрежьте по кругу половинку мяча, загните внутрь и приклейте резиновым клеем к основанию). Тело жука раскрасьте красной и черной масляной краской, нарисуйте черной краской глаза, спереди вставьте проволочки-усики.
Теперь займитесь пультом управления игрушки. Он должен состоять из коробочки с установленными в ней батарейкой 3336Л и переключателем. Переключатель представляет собой две жестко укрепленные внутри корпуса пульта управления металлические пластинки А и Б, соединенные проводами с источником тока, и подвижную изолированную пластинку, которую можно поворачивать вокруг оси (рис. 111). На концах этой пластинки укрепите полукруглые металлические контактные полоски 1 и 2, соединенные с двигателем гибкими изолированными проводами. В середине пластинки укрепите ручку переключателя (она выводится наружу). Если подвижную пластину повернуть с помощью ручки вправо, то контакт / коснется пластинки Б, а контакт 2— пластинки А; при этом контакт 1 соединится с положительным полюсом источника, а 2— с отрицательным. Если же ручку переключателя повернуть в противоположную сторону, то контакт / соединится с отрицательным полюсом источника, а 2— соответственно с положительным. Так поворотом ручки переключателя вправо или влево вы заставите вашу «божью коровку» ползти не только вперед, но и назад.
Вездеход. Его можно сконструировать из... мыльницы и зубных щеток. Кроме того, вам понадобятся два микродвигателя, работающие от батарейки 3336Л.
Укрепите электродвигатели на дне мыльницы (рис. 112, а). На концы валов двигателей наденьте одинаковые кусочки ластика
Рис. 111
Рис. 112Рис. 112
Рис. 112
Рис. 112
Убедитесь, поворачивая вал каждого двигателя рукой, что они свободно вращаются и эксцентрики не задевают друг за друга. Вы уже догадались, что этот вездеход будет перемещаться за счет вибрации двигателей при их работе. Можно утяжелить ластики, проткнув их шилом и укрепив в отверстиях болтики с гайками.
В качестве движителя можно использовать зубные щетки Отпилите их ручки и приклейте щетки к мыльнице. Для одной мыльницы достаточно четырех щеток (рис. Н2, б). К выводам обмоток двигателей припаяйте монтажные провода длиной 80—100 см. Сделайте в мыльнице отверстия, через которые выведите провода наружу; затем скрутите их в виде шнура. Закройте мыльницу. Теперь придайте ей вид автомобиля. Пусть ваша фантазия подскажет, как сделать кабину, кузов и другие детали. Для этого можно использовать детали от старых детских игрушек.
Для питания двигателей лучше взять две батарейки и соединить их параллельно (рис. 113). Батарейки укрепите в пластмассовой коробочке, в которой шилом проткните два отверстия и через них протяните поясок с тем, чтобы коробочку во время игры можно было закрепить на поясе.
Отдельно сделайте пульт управления моделью. В коробочке смонтируйте два выключателя и соедините их с батарейками и двигателями согласно схеме, показанной на рисунке 113. С помощью этого пульта можно управлять движением вездехода. Если одновременно включить оба двигателя, то вездеход поползет вперед. Если один, то он начнет поворачиваться; если же этот двигатель выключить и включить второй, то вездеход повернется в другую сторону.
Изготовьте не один, а два таких вездехода, тогда вы сможете провести увлекательное соревнование. Для состязания можно использовать и другие виброходы, например «божьи коровки».
1131135 Зак 1533 М А Галагузова
113
113
Рис. 113
Рис. 114
В комнате или на улице на асфальте нарисуйте мелом трассу движения виброходов (см. цветную вклейку VIII, вверху). В соревновании по фигурному вождению каждая модель должна в пути описать несколько фигур: овал, восьмерку и другие — те, которые вы предусмотрите правилами соревнования. В состязании каждый из соревнующихся должен участвовать со своей моделью. Побеждает тот, чья машина быстрее пройдет весь путь и получит меньше штрафных очков — выходов машины за линию движения. Такие соревнования будут своеобразной тренировкой к участию в настоящих соревнованиях электромобилей.
Модель катера с воздушным движителем. Для изготовления такой модели необходимы игрушечный катер, батарейка 3336Л и микроэлектродвигатель. Катер можно использовать как фабричного изготовления, так и самодельный; его длина должна быть не менее 25—30 см. В движение катер приводится с помощью электродвигателя, на валу которого укреплен трехлопастный винт, вырезанный из жести.
Общий вид катера и форма винта показаны на рисунке 114. Батарейку и ключ — прерыватель тока — устанавливают внутри катера. Двигатель монтируют на стойке, которую укрепляют на корме катера. Высота стойки определяется размерами винта.
В качестве руля можно использовать жестяную пластинку размером 30X60 мм. Положение руля устанавливают перед запуском модели, и во время движения катера руль не поворачивается.
Если у вас есть игрушечный набор «Конструктор» (металлический или пластмассовый), соберите из его деталей тележку (или автомашину), а затем подумайте, как можно ее электрифицировать: установите «фары» с электролампочками, электродвигатель, сконструируйте пульт управления, с помощью которого ваша машина могла бы двигаться назад, поворачиваться влево, вправо.
ШАГ ДВЕНАДЦАТЫЙ
УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ!
Как увидеть невидимое! Приборы-помощники. От пробника к гальванометру. «Есть контакт!» Амперметры, вольтметры, омметры. Самодельный омметр. Авометр — три прибора в одном. Не только электроизмерения. В большой семье электроизмерительных приборов. Еще один экзаменатор-автомат. О вычислительных машинах. Подумай и сделай
Пять органов чувств, которыми снабдила человека природа, сообщают ему, казалось бы, все необходимое об окружающем мире. Однако эти замечательные и весьма совершенные творения природы ничего не могут сказать нам об электричестве: оно не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса...
А между тем для работы с электрическими цепями и электротехническими устройствами, а тем более для их конструирования, налаживания, ремонта нужно получать полную информацию о происходящих в них явлениях и процессах.
Вы, возможно, уже испытали огорчения и трудности, встречаясь с неисправностями, из-за которых плохо работала или даже совсем отказывалась действовать какая-либо из собранных вами электрифицированных игрушек или моделей. А потом, обнаружив причину «отказа», сами же себя и укоряли: в одном месте недостаточно хорошо сделали пайку, в другом неправильно соединили элементы цепи, в третьем вмонтировали непроверенную деталь. Но ведь бывает, что и хорошие на первый взгляд детали отказываются нормально работать.
Все эти неприятности возможны в работе, их надо предвидеть, тщательно проверяя каждую деталь, прежде чем включить ее в будущую конструкцию, внимательно и аккуратно выполняя монтаж. Но если все же они возникают, их надо быстро находить и устранять.
Нужно уметь «лечить» свои самодельные (да и не только самодельные) электротехнические устройства! А для этого необходимо прежде всего увидеть и правильно определить «болезнь».
Но как же увидеть невидимое?
Об электрическом токе мы можем судить только по различным его действиям: тепловому, химическому, магнитному, механическому. Вот йа этих-то действиях электрического тока и основаны принципы работы специальных приборов-помощников, которые — как врачу стетоскоп и термометр — облегчают нам выявление «болезней» электрических цепей, аппаратов и машин.
Самые простые из приборов-помощников — пробники. С одним из них вы уже ознакомились (см. рис. 75): всего лишь две детали — лампочка и диод да два проводника-щупа помогают
безошиоочно определять «плюсовый» и «минусовый» провода, протянутые от источника тока к потребителю
Другой простой пробник, очень удобный для проверки надежности соединений в цепи, вы можете смонтировать из лампочки и двух гальванических элементов «Уран» или «Марс». Их нужно расположить в футляре подходящих размеров, соединив последовательно и снабдив двумя выводами-щупами, как показано на рисунке 115. Соедините кончики щупов — и лампочка загорится, так как электрическая цепь пробника окажется замкнутой и через лампочку начнет протекать ток. Поэтому если прикоснуться щупами к любому замкнутому участку проверяемой цепи (при небольшом его сопротивлении), то лампочка должна тоже загореться. Вспышка лампочки пробника служит сигналом «Есть контакт!».
Обязательно сделайте себе такой пробник. Он не раз пригодится при поисках скрытых повреждений и ошибок монтажа в электрических цепях ваших электрифицированных игрушек и моделей.
Однако если участок проверяемой цепи обладает достаточно большим сопротивлением (несколько десятков ом и более), то лампочка пробника при таких проверках может и не загореться, хотя ток через нее и течет: сила тока окажется малой, недостаточной, чтобы раскалить ее вольфрамовую нить. Стало быть, лампочка в пробнике хотя простой и удобный, но не всегда пригодный для обнаружения тока индикатор (слово «индикатор» в переводе с латинского означает «указатель»).
Значит, для проверки многих цепей нужно другое, более чувствительное устройство, способное сигнализировать о гораздо меньших токах, чем ток, вызывающий свечение лампочки с накаливаемой нитью (0,15—0,26 А). Таким устройством является гальванометр— прибор, позволяющий обнаружить и измерить очень малые токи — тысячные и даже миллионные доли ампера. Название этот прибор, как и уже знакомый вам гальванический элемент, получил в честь известного итальянского ученого Луиджи Гальвани (1737—1798), много сделавшего для изучения природы электрических явлений.
Основа гальванометра — его магнитоэлектрический измерительный механизм. По принципу действия он очень похож на уже знакомый вам электродвигатель, но по устройству значительно от него отличается (рис. 116). Как и в электродвигателе, здесь в качестве статора (неподвижной части) используется силь-
Рис. 117Рис. 117ный постоянный магнит. Между его полюсами помещена маленькая катушка из тонкого изолированного медного провода, намотанного на легкой подвижной рамке. Рамка эта вместе со стрелкой-указателем укреплена на оси, установленной в небольших подшипниках. Ток к катушке подводится по тонким спиральным пружинкам.
Рис. 117
Рис. 117
Работает измерительный меха-
низм так. Когда по катушке протекает ток, вокруг нее образуется магнитное поле. Оно взаимодействует с полем постоянного магнита, в результате чего катушка вместе с рамкой и стрелкой поворачивается, отклоняясь от первоначального положения. При этом спиральные пружинки закручиваются. Отклонение стрелки от нулевой отметки будет тем больше, чем больше сила тока в катушке. Величина этого отклонения оценивается по шкале. Как только ток в катушке прекратится, пружинки возвращают рамку, а с ней и стрелку прибора в первоначальное положение.
Описанное измерительное устройство находит очень широкое применение в самых разнообразных электротехнических приборах и агрегатах. В частности, его используют в бытовой усилительной, звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре —■ радиоприемниках, электрофонах и магнитофонах, где нужно контролировать и регулировать уровень очень слабых электрических сигналов: ведь стрелка гальванометра способна «почувствовать» силу тока всего в 1 мкА (микроампер), т. е. миллионную долю ампера!
Нашей промышленностью для бытовых магнитофонов и радио
приемников выпускаются компактные электроизмерительные устройства описанной конструкции с упрощенной шкалой: вместо делений и цифр на ней нанесены лишь два цветных сектора — зеленый и красный (первый соответствует малым значениям силы тока, а второй — большим). Такие устройства, например типа М4284 и М476/3, продаются и отдельно в магазинах радиотоваров. На рисунке 117 показан один такой прибор — измерительный механизм типа М476/3.
Если в вашем распоряжении есть такой или подобный ему измерительный механизм, на его основе можно собрать еще один пробник, более чувствительный, чем пробник с лампочкой, и незаменимый при проверке электрических цепей с большими сопротивлениями. В этой работе, кроме самого измерительного механизма-гальванометра, вам понадобится еще несколько резисторов, которые также можно купить в магазине радиотоваров.
Резистор наиболее широко распространенного типа (постоянный резистор) представляет собой маленький цилиндрический керамический стерженек (или трубочку), на поверхность которого
Рис. 118Рис. 118нанесен тонкий слой проводящего сплава. На конце стерженька (трубочки) напрессованы латунные луженые или посеребренные хомутики или колпачки с проволочными или ленточными выводами (рис. 118). Снаружи резистор покрыт влагостойкой цветной эмалью.
Рис. 118
Рис. 118
Каждый резистор обладает определенным сопротивлением (название этой детали происходит от латинского «резисторе» — сопротивляться) — это его главная характеристика. Промыш-
ленность выпускает резисторы разных типов, обладающие сопротивлением от нескольких единиц до миллионов ом.
Гальванометр нельзя присоединить непосредственно к клеммам источника тока. При таком включении по его катушке (сопротивление которой очень мало) потечет слишком большой силы ток, и тонкий медный провод ее расплавится — гальванометр выйдет из строя. Силу тока, протекающего через катушку, следует ограничить, соединив последовательно с гальванометром резистор, обладающий достаточно большим сопротивлением. Подобрать нужный резистор можно так.
Составьте электрическую цепь из гальванометра, резистора на 80—100 кОм (1 кОм = 1000 Ом), выключателя и батарейки 3336Л (рис. 119). Замкните цепь выключателем — стрелка прибора отклонится на небольшой угол, отмечая наличие тока в цепи.
Разомкните цепь и замените резистор R1 другим, с меньшим сопротивлением — на 60—80 кОм. Замкните цепь снова: теперь стрелка отклонится на больший угол, так как из-за уменьшения
сопротивления цепи сила тока возросла.
Далее уменьшением сопротивления цепи (заменой резистора) добейтесь отклонения стрелки до последнего деления шкалы (до конца красного сектора шкалы, если вы используете прибор М476/3). Обратите внимание: нельзя резко уменьшать сопротивление цепи, так как это может вызвать резкий скачок стрелки за пределы шкалы — прибор может испортиться!
Если теперь численное значение напряжения батарейки разделить на значение сопротивления подобранного таким
Рис. 119Рис. 120Рис. 119Рис. 120
Рис. 119Рис. 120
Рис. 119Рис. 120
образом резистора, то согласно закону Ома вы получите примерное значение силы тока, вызывающего отклонение стрелки прибора до конца шкалы.
Например, для измерительного механизма М476/3 при напряжении батареи 4,5 В и сопротивлении резистора 45 кОм сила тока полного отклонения стрелки составляет:
/ .^0000! д= юо мкА. R ’ 4Ы)00 Ом
Теперь уже нетрудно сообразить: этот измерительный механизм может с успехом заменить в пробнике лампочку накаливания. Если в схеме (см. рис. 115) заменить лампочку последовательно включенным резистором и измерительным механизмом, то получится пробник, с помощью которого можно проверять надежность соединений в цепях с сопротивлением в тысячи ом. Сигналом «Есть контакт!» при его измерении будет не вспышка лампочки, а отклонение стрелки прибора.
Схема и внешний вид такого самодельного пробника с измерительным механизмом М476/3 показаны на рисунке 120.
Магнитоэлектрический измерительный механизм используют не только в пробниках и гальванометрах. Он служит основой многих электроизмерительных приборов: амперметров, вольтметров, омметров. Мы уже упоминали об этих приборах в первых наших беседах. Можно теперь кратко рассказать об их устройстве и действии.
Амперметр от гальванометра отличается главным образом тем, что он рассчитан на измерение большой силы токов. Для этого параллельно катушке измерительного механизма присоединяют резистор — шунт (рис. 121). Сопротивление шунта подбирают с таким расчетом, чтобы большая часть тока цепи протекала через шунт, а через катушку шла только небольшая его доля. Но шкалу градуируют в значениях силы тока, протекающего по всей цепи. Таким образом, хотя на измерительный механизм воздействует ток всего лишь в десятки или сотни микроампер, амперметр измеряет токи, во много раз большие. Обычно шунт устанавливают внутри футляра (кожуха), в который помещен прибор.
Наша промышленность выпускает разнообразные амперметры с пределами измерений до 1, 5, 10 А и более.
Вольтметр предназначен для измерения напряжений. В этом приборе также использован магнитоэлектрический измерительный механизм. Чем больше подводимое к немунапря- жение, тем больше и сила протекающего через катушку тока, тем, следовательно, больше и отклонение стрелки прибора. Однако, как мы уже знаем, для полного отклонения стрелки достаточно уже очень малого напряжения. Поэтому, чтобы расширить пределы измерения напряжений, последовательно с катушкой присоединяютдобовочное сопротивление (рис.
КшунтКшунтРис. 121Рис. 121PV1PV1R добаб.R добаб.Рис. 122Рис. 122122). Это резистор, сопротивление которого во много раз больше сопротивления самой катушки. Шкалу прибора градуируют в вольтах измеряемого напряжения. Так же как и шунт амперметра, добавочное сопротивление устанавливают обычно внутри кожуха вольтметра.
Кшунт
Кшунт
Рис. 121
Рис. 121
PV1
PV1
R добаб.
R добаб.
Рис. 122
Рис. 122
Наша промышленность выпускает вольтметры с пределами измерений до 5, 10, 50 В и более.
RRРРmmБ81Б81Рис. 123Рис. 123Омметр служит для измерения сопротивлений. Принцип действия этого прибора можно понять, вновь обратившись к пробнику, схема и внешний вид которого показаны на рисунке 120. Если присоединять к концам щупов этого пробника резисторы с различными сопротивлениями, то угол отклонения стрелки будет изменяться, причем, чем больше сопротивление, тем меньше отклонится стрелка. Это и понятно: ведь увеличение сопротивления цепи вызывает уменьшение силы тока. На основании этой связи можно проградуировать шкалу прибора в омах. Очевидно, шкала получится «обращенной» — меньшим отклонениям стрелки прибора будут соответствовать большие значения измеряемых сопротивлений.
R
R
Р
Р
m
m
Б81
Б81
Рис. 123
Рис. 123
Простейший самодельный омметр вы можете изготовить из магнитоэлектрического измерительного механизма, батарейки 3336Л и добавочного резистора. Составьте из этих деталей замкнутую электрическую цепь (рис. 123). Сопротивление резистора R подберите так, чтобы стрелка прибора отклонялась до конца шкалы (вы уже знаете, как это сделать). Затем в точке т разорвите цепь и образовавшиеся при этом разрыве концы проводников снабдите клеммами (рис. 124). К этим клеммам при измерениях вы будете подключать исследуемые детали и участки электрических цепей, сопротивление которых Rx неизвестно.
Шкалу прибора нужно отградуировать в омах. Сделать это можно так. Сначала клеммы Rx соедините коротким медным проводником, сопротивление которого можно считать равным нулю. Естественно, при этом стрелка прибора должна отклониться до самого конца шкалы. Это положение стрелки следует отметить на шкале черточкой и рядом с ней поставить цифру 0.
Затем короткий проводник уберите и к клеммам Rx подключите резистор с сопротивлением, например, 100 Ом. Ток в цепи уменьшится, стрелка теперь отклонится на меньший угол.
Это ее положение также отметьте черточкой, а около нее напишите: «100».
Потом к клеммам Rx подключите резистор с сопротивлением 200 Ом. Стрелка прибора отклонится еще меньше. Отметьте и это положение на шкале. Точно так же присоедините поочередно резисторы на 500, 1000, 2000 Ом и т. д., отмечая на шкале соответствующие положения отклоняющейся стрелки. Наконец, оставьте клеммы Rx разомкнутыми. Стрелка прибора останется в исходном положении, которое теперь будет соответствовать бесконечно большому сопротивлению. На шкале это положение стрелки обозначьте символом «бесконечность»— сю.
Если теперь к гнездам Rx отградуированного таким образом прибора присоедините деталь с неизвестным сопротивлением, то, пользуясь его шкалой, вы узнаете значение этого сопротивления.
Заметим теперь, что данный простейший омметр имеет один недостаток: его показания будут правильными до тех пор, пока сохраняется неизменным напряжение батареи. Но вы уже знаете, что из-за разряда батарейки ее напряжение со временем уменьшается. При уменьшении напряжения стрелка прибора уже не будет устанавливаться на нуль (если клеммы Rx замыкать накоротко), омметр станет давать неточные показания.
Этот недостаток устранен в схеме омметра, изображенной на рисунке 125. Здесь последовательно с измерительным меха-, низмом и постоянным резистором R1 включен реостат — переменный резистор R2. Он служит для установки стрелки омметра на нуль перед началом измерений. Пока используется «свежая» батарейка, дающая 4,5 В, в цепь вводится большая часть сопротивления резистора R2. По мере разряда батарейки значение этого сопротивления уменьшают. Поэтому реостат R2 называют регулятором установки омметра на нуль.
Сопротивление реостата R2 должно составлять примерно — от значения общего сопротивления включенных последовательно R1 и R2. В качестве реостата R2 удобно использовать малогабаритный переменный резистор типа СП или СПО. Внешний вид таких резисторов показан на рисунке 126. Мы уже упоминали о подобных устройствах ранее: именно такие переменные резисторы используют в радиоприемниках и телевизорах для регули-
ровки громкости звука, яркости изображения и пр. Ползунок реостата (подвижный скользящий контакт) приводят в движение поворотом в ту или иную сторону его оси — это вызывает изменение сопротивления. Для удобства вращения на эту ось надевают ручку (можно использовать кусочек резиновой трубки подходящего диаметра).
К другим деталям электрической цепи переменный резистор припаивают тремя лепестками-выводами: средний из них соединен с подвижным контактом, а два крайних — с концами проводящего металлического слоя резистора. Для крепления же его в корпусе прибора служат винтовая нарезка с гайкой, охватывающие ось.
Продумайте расположение деталей омметра в его корпусе (в качестве которого можно использовать пластмассовую коробочку подходящих размеров). Мы здесь не приводим его монтажную схему и внешний вид; пусть их подскажет вам ваша фантазия. Важно только предусмотреть удобное для работы с прибором расположение шкалы, ручки регулятора установки на нуль и клемм Rx, а также обеспечить свободный доступ к внутренней полости омметра для замены батареи питания.
Многие типы омметров, выпускаемых нашей промышленностью, устроены и действуют принципиально так же, как и описанный здесь простой прибор для измерения сопротивлений.
Вы уже, наверное, убедились в справедливости нашего замечания о том, что один и тот же магнитоэлектрический измерительный механизм может быть использован и в амперметре, и в вольтметре, и в омметре. Напрашивается вопрос: нельзя ли все эти три измерительных прибора объединить?
Можно.
Для этого в футляре прибора надо разместить, кроме самого стрелочного измерительного механизма (гальванометра), набор шунтов (для амперметра с разными пределами измерений силы тока), набор добавочных сопротивлений (для вольтметра с разными пределами измерений напряжений), батарейку, реостат и
резисторы (для омметра с разными пределами измерения сопротивлений), а также систему коммутации — переключатели. гнезда со штекерами и т. п., с помощью которых можно было бы все эти элементы надлежащим образом присоединять к измерительному механизму, когда понадобится измерять силу тока, напряжение или сопротивление.
Такие комбинированные измерительные приборы выпускает наша промышленность.
К
батареи 681
к переключателям SA1 — SA5
Рис. 128
Их называют ампервольтомметрами или, короче, авометрами. На рисунке 127 показан один из подобных приборов — учебный авометр, который теперь есть в каждом школьном кабинете физики.
Если вам предоставится возможность, купите себе такой прибор. Он многие годы будет вашим верным помощником.
Область применения стрелочных измерительных механизмов не ограничивается измерением силы тока, напряжения, сопротивления. В большой семье электроизмерительных приборов есть их многочисленные «родственники», с помощью которых люди научились измерять и другие электрические, да и не только электрические величины. Даже в спидометре автомобиля, в указателе запаса горючего в его баке, в экспонометре фотолюбителя не обойтись без стрелочного электроизмерительного механизма. Используют эти замечательные приборы и во. многих других интересных и полезных технических устройствах и машинах.
Усовершенствованный автомат-экзаменатор. В автомате- экзаменаторе для проверки знаний, который был описан на страницах 102—103, отметка ученику, ответившему на вопросы карточки-билета, подсчитывается по числу горящих лампочек. Применение стрелочного измерительного механизма — амперметра позволяет усовершенствовать этот экзаменатор так, чтобы стрелка прибора непосредственно по шкале указывала отметку: «5», «4», «3» или «2».
Для этого нужно ввести амперметр в электрическую цепь экзаменатора, изображенную на рисунке 101, включив его последовательно с параллельно соединенными лампочками, как показано на рисунке 128, и подобрать к магнитоэлектрическому механизму РА1 шунт R1 с таким сопротивлением, при котором включение всех пяти лампочек вызвало бы отклонение стрелки прибора вправо до конца шкалы. При меньшем числе горящих лампочек сила тока будет меньше и, следовательно, стрелка будет отклоняться на соответственно меньшие углы, фиксируя более низкую отметку.
Шкалу прибора необходимо надлежащим образом проградуировать. Всю эту шкалу разбивают на пять секторов (рис. 129). Крайний правый сектор, соответствующий отклонению стрелки
при пяти горящих лампочках, обозначают отметкой «5» («отлично»); сектор, соответствующий четырем горящим лампочкам, обозначают отметкой «4» («хорошо»); сектор, соответствующий трем горящим лампочкам,— отметкой «3» («удовлетворительно»); два левых крайних сектора, соответствующие отклонениям стрелки в случаях, когда загорается менее трех лампочек, нужно объединить и снабдить надписью «2» («неудовлетворительно») .
Если используют лампочки-индикаторы на 3,5 В, 0,26 А, а источником тока служит батарейка 3336Л, то общая сила тока всех пяти ламп составит более одного ампера (/ = О,26АХ5 = = 1,ЗА). Следует иметь это в виду, подбирая шунт к амперметру.
Измерительный прибор устанавливают на лицевой панели автомата-экзаменатора.
При работе с прибором нужно периодически -проверять состояние источника питания — батареи 3336Л. Со временем она разряжается, и напряжение уменьшается. Это приводит к тому, что лампочки начинают светиться более тускло (уменьшается сила тока), а стрелка измерительного прибора отклоняется на меньшие углы и может дать «заниженные» отметки.
Модели вычислительных машин. Разнообразные вычислительные машины и устройства находят в наши дни все более широкое применение. Действие некоторых из них основано на использовании электроизмерительных Приборов. Такйе устройства способны автоматически выполнять над числами различные арифметические действия.
Одно из простейших вычислительных устройств такого рода — сумматор, осуществляющий сложение двух заданных чисел. Его принципиальная схема приведена на рисунке 130. Здесь используют уже известную вам закономерность: сила тока в не- разветвленной части электрической цепи равна сумме токов в отдельных ветвях этой цепи.
С помощью реостатов R1 и R2 устанавливают, а амперметрами РА1 и РА2 соответственно контролируют силы тока (в миллиамперах), численно равные значениям первого и второго слагаемых. Амперметр РАЗ при этом показывает их сумму. Например, если с помощью реостата R1 установить в первой ветви ток 5 мА, а с помощью реостата R2— во второй ветви ток 2 мА,
то общий ток в неразветвлен- ной части цепи будет равен:
/ = 5 мА+2 мА —7 мА.
Именно такое значение силы тока покажет амперметр РАЗ.
Резистор R3 нужен для того, чтобы ограничить силу тока в цепи.
Вы можете построить модель вычислительной машины— сумматора на амперметрах. Для этого понадобятся три электроизмерительных механизма (типа М476/3 или другие им подобные), резисторы, выключатель и источник питания — батарейка. Подумайте над конструкцией модели, над тем, как подобрать шунты к амперметрам, проградуировать их шкалы и пр.
На рисунке 131 показана схема другого варианта сумматора — на вольтметрах. Здесь вольтметр PV3 показывает сумму напряжений, измеренных вольтметрами PV1 и PV2. Предлагаем вам самостоятельно проанализировать его действие, сконструировать и собрать модель такого вычислительного устройства. Подумайте также, каким образом можно на основе этих же принципов построить вычислительные машины для нахождения разности двух чисел.
Простую и интересную модель вычислительного устройства для автоматического умножения или деления двух чисел можно собрать на основе электрической цепи, которая получила название «измерительного моста». Мы опишем здесь это устройство, не прибегая к помощи чертежа. Изобразите сами принципиальную схему «моста» по нашему описанию.
Возьмите четыре одинаковых переменных резистора (реостата) RL R2, R3 и R4 но 3...5 кОм и расположите их на монтажной панели таким образом, чтобы они образовали квадрат (на каждой стороне квадрата по одному из реостатов). Соедините все реостаты последовательно в замкнутую цепочку: точку соединения R1 и R2 обозначьте буквой A, R2 и R3 — В, R3 и R4 — С, R4 и R1 — D. В качестве «диагонали» квадрата к точкам А и С присоедините гальванометр, а к точкам D и В (вторая «диагональ») — присоедините последовательно включенные батарею 3336Л и ключ SAL Установите подвижные (скользящие) контакты реостатов таким образом, чтобы их сопротивления были наибольшими. Если теперь замкнуть полученную цепь с помощью ключа SAL то электрический ток потечет по двум параллельным ветвям от точки В к D; в одной ветви окажутся резисторы R1 и R2, а в другой — R3 и R4.
По «диагонали» АС через гальванометр тоже потечет ток, о чем будет свидетельствовать отклонение стрелки прибора. Теперь регулируя с помощью ползунов (скользящих контактов) сопротивления резисторов R/ и R2, можно добиться уменьшения
силы тока в «диагонали» АС до нуля; стрелка гальванометра установится в этом случае на нулевой отметке, и говорят, что «мост» находится в равновесии (или «сбалансирован»).
При равновесии измерительного «моста» сопротивления резисторов RI, R2, R3 и R4 оказываются связанными математической зависимостью:
RL=RL, „,,„ ri = КУМ. R4 R3 R3
Устройство для умножения двух чисел получим, укрепив шкалы с делениями под ручками-указателями реостатов R2 и R4, которые будут использоваться для установки множимого и множителя. Под ручкой-указателем R1 нужно также укрепить шкалу, проградуировав ее в значениях произведения чисел R2 и R4.
Тогда, установив с помощью R2 и R4 значения умножаемых чисел и сбалансировав «мост» с помощью R1, на шкале последнего получим значение произведения R2-R4.
Устройство для деления двух чисел получится аналогично, если ручки-указатели и шкалы укрепить к реостатам R2 (делимое) и R3 (делитель), а шкалу под ручкой-указателем R1 проградуировать в значениях частного R2;R3. Тогда, установив с помощью R2 и R3 значения делимого и делителя и сбалансировав «мост» с помощью R1, на шкале последнего получим значение частного.
Предоставляем читателю возможность самостоятельно разработать конструкцию и внешнее оформление описанных автоматических вычислительных устройств.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ФИНИШ, который является и стартом
Подведем итоги. Взгляд с высоты. Пройдены лишь первые шаги. Трудности преодолимы. Не останавливаться на достигнутом! Что же дальше! Дороги уходят вдаль. Пути к профессиям: со словом «электро...» и без него. И снова — в путь!
Перевернута последняя страница книги. Вы вступили в увлекательный, хотя и во многом еще загадочный мир электротехники, сделали в этом мире первые свои шаги. Казалось бы, не так уж и велик пройденный путь. И все же теперь вы и знаете, и умеете гораздо больше того, что знали и умели раньше, когда раскрыли эту книгу на первых ее страницах.
Вы узнали о разнообразных электрических и магнитных явлениях и можете теперь объяснить многие из них. Вы получили первое представление об электрическом токе и о том, как можно заставить его давать нам свет и тепло, выполнять для нас полезную работу. Вы ознакомились со многими элементами электрических цепей, стали ориентироваться в способах и приемах их соединения, понимать их назначение. Вы не только разобрались в устройстве и действии некоторых простых электротехнических приборов и машин, но и убедились в том, что многие из них доступны для изготовления в вашей домашней мастерской. И теперь для вас уже не составит большого труда «оживить» по просьбе младшего брата или сестренки неподвижно застывшую электрифицированную игрушку, модель или даже собрать и наладить самому подобную вещь, еще более забавную,— на радость малышам (и только ли малышам!).
Конечно, не всегда и не все у вас получалось сразу. Встречались, наверное, и трудности, бывали в работе и неудачи. Но вы не бросали из-за них начатого дела. Вам было интересно проводить опыты, собирать и испытывать электрические цепи, создавать и демонстрировать своим друзьям игрушки, модели, приборы и другие полезные устройства.
И вам не хотелось бы останавливаться на достигнутом.
Итак, первые шаги позади. А что же дальше?
Дальше — продолжение увлекательного путешествия в мир электротехники и ее приложений: на уроках трудового обучения и физики, на внеклассных занятиях в техническом кружке и в своей домашней мастерской. Но в этом путешествии вас будут сопровождать уже другие книги.
Перед вами открываются перспективы углубления и совершенствования своих знаний, развития практических умений и
навыков в области электричества, а в дальнейшем широкие пути к их применению в активной, творческой работе.
Вас могут заинтересовать величественные и грозные явления природы, связанные с электричеством и магнетизмом. Лишь кратко мы упоминали о них на страницах этой книги. А ведь сколько загадочного таят еще и, казалось бы, давно изученные молния и гром, и поражающие своей красотой полярные сияния, и удивительные «огни святого Эльма», и до сих пор не раскрытые секреты магнитных полей Земли и других небесных тел! Быть может, вам при выборе своего жизненного пути захочется присоединиться к ученым, исследующим все эти явления, чтобы поставить их на службу человеку. В лабораториях научноисследовательских институтов, в экспедициях к дальним уголкам нашей планеты и даже в просторах космоса ведут они эту интересную и нужную работу.
Возможно, ваше внимание будет привлечено к вопросам производства электрической энергии, которая во все возрастающих количествах требуется людям. Об этом в нашей книге тоже рассказано совсем немного. В проектировании, постройке и эксплуатации разнообразных электростанций — тепловых, водяных, атомных, солнечных и др.— принимают участие многие тысячи специалистов — ученых, инженеров, техников, рабочих. Их труд также и увлекателен, и почетен.
А может быть, для вас окажется предпочтительным какое-либо из многочисленных направлений использования электрической энергии — в промышленности или сельском хозяйстве, в строительстве или на транспорте, в быту или сфере досуга, отдыха и развлечений? И здесь увлекательной и интересной работой по обслуживанию разнообразных электрических машин, агрегатов и приборов заняты теперь многие сотни тысяч специалистов: электромонтеров, электрослесарей, электромехаников, электротехников, инженеров-электриков и представителей других профессий, в названиях которых звучит греческое слово «янтарь». Наша книга помогла вам получить первоначальные представления о характере и содержании их труда.
Неисключено также, что вы с особым интересом отнесетесь к нашим рассказам об управлении и электроавтоматике, продолжите изучение этой замечательной области применения электричества и в дальнейшем пожелаете связать свое будущее с миром «умных» электрических машин-автоматов. Мы уверены, что и здесь вас не ждет разочарование. Слова «автомат», «ЭВМ», «компьютер» уже прочно вошли в нашу жизнь. Для широкого внедрения этих средств автоматизации народного хозяйства нужны многочисленные кадры специалистов: монтажников и наладчиков автоматических линий и систем, программистов и операторов ЭВМ, инженеров, конструкторов, ученых. Их знания, опыт и энтузиазм будут иметь решающее значение в выполнении грандиозных задач коммунистического строительства в нашей стране.
Но если вам и не доведется стать специалистом-электриком, то тем не менее, всюду, куда бы ни привела вас жизненная дорога, вы всегда сумеете применить на практике те знания и умения, которые даст вам увлечение электротехникой. Совершенствуйте свои знания, конструируйте, изобретайте, выдвигайте смелые проекты и со всей страстью энтузиаста осуществляйте их... Впереди долгий путь, открытый для каждого, кто пытлив, любознателен и не боится трудностей.
Нам же остается пожелать вам на этом пути интересных встреч, увлекательных дел и больших успехов!
ЛИТЕРАТУРА
Борисов В. Г. Юный радиолюбитель.— 7-е изд.—М.: Радио и связь, 1985.—438 с.
Книга знакомит юных читателей с историей возникновения и развития радио, с элементами электро- и радиотехники. В ней приведены описания различных по сложности любительских радиоприборов: радиовещательные приемники, усилители звуковой частоты, простые электро- и цветомузыкальные инструменты, радиотехнические игрушки и аттракционы. Имеется также много справочных материалов (гальванические элементы и батареи, полупроводниковые диоды, малогабаритные аккумуляторы и др.).
Любимов Г. В., Н о в и к о в С. М. Знакомимся с электрическими цепями.—2-е изд.— М.: Наука, 1981.—112 с.
Это небольшая книга об электрических цепях. Вначале она знакомит читателей с простыми, затем достаточно сложными электрическими цепями. Вместе с читателями авторы обсуждают правила составления и проверки электрических цепей, конструирования разнообразных электрических приборов.
В ней также можно найти интересные задачи. По описаниям электрических цепей, данным в книге, можно придумать, собрать и испытать электрические устройства.
Отряшенков Ю. М. Юный кибернетик.— М.: Детская литература, 1978.—445 с.
Книга увлекательно и популярно вводит юных читателей в мир автоматики — от первых механических человекоподобных роботов до современных электронно-вычислительных машин. В книге читатели узнают о развитии науки об управлении — кибернетики; ознакомятся с устройством кибернетических игрушек и смогут собрать некоторые из них по описаниям, предлагаемым в книге.
Пионерская и г р оте ка,—М.: Молодая гвардия, 1987.— 181 с.
В книге приводятся интересные игры, которые можно провести в школе, во Дворце пионеров и школьников, в детской комнате дворового клуба и других местах. Особый интерес для юных электротехников представляют разделы, где приводятся описания электровикторин и электронных игр. Многие из предлагаемых в книге игр для юных техников могут послужить материалом для создания игровых конструкций.
Си ко ру к Л. Л. Физика для малышей.—2-е изд.— М.: Педагогика, 1983.—164 с.
Несмотря на то что эта книга адресована малышам, она будет интересна и школьникам, так как в ней доступно и интересно рассказывается о важных физических явлениях и законах, в том числе о законах электричества и электромагнетизма.
Особенностью книги является то, что автор учит ребят самостоятельно проводить наблюдения над различными физическими явлениями, выполнять физические эксперименты.
Тарасов Б. В. Самоделки школьника.—2-е изд.— М.: Просвещение, 1977.—218 с.
Среди различных самоделок, которые под силу сделать школьнику самостоятельно, в книге описаны и электрифицированные самоделки: различные модели светофоров, простой стенд для изучения правил дорожного движения, электродвигатели, лодочка с электрическим двигателем и др.
В книге даются практические советы для мастеров: как обработать дерево, металл, оргстекло; какие для этого необходимы инструменты.
Читатели могут почерпнуть из книги полезные советы по наладке инструментов, ознакомятся с различными способами отделки материалов, используемых в различных конструкциях: окраска масляной краской, лакирование и полирование изделий и др.
Энциклопедический словарь юного техника.— М.: Педагогика, 1980.—464 с.
Словарь дает ответы читателям на сотни вопросов из области техники. В нем приведены рассказы о выдающихся ученых и инженерах, об открытиях в области физики и техники. Словарь одновременно является и справочной книгой при чтении.
Книга интересна всем школьникам, так как охватывает большой круг вопросов — от космической техники до техники
кино и телевидения, рассказывает о многих профессиях. В ней приведены некоторые полезные практические советы юным моделистам и радиолюбителям.
Якобсон А. X. Буду электротехником.—2-е изд.— М.: Детская литература, 1964.—125 с.
Провода, изоляторы, лампочки, электрические приборы, источники тока — весь этот своеобразный мир со своими законами нашел отражение в этой книге. Для новичка он кажется сложным и загадочным. А между тем в нем нет ничего непостижимого. Достаточно только немного изучить законы электротехники и научиться работать самостоятельно, как все станет ясным.
Эта книга об электротехнике и о тех законах, которые дает знание ее законов, используемых на практике дома, в школе, в пионерском лагере.
Наименование
Условные обозначения
в соответствии с действующим ГОСТом
в изданиях прошлых лет
Кнопка с самовозвратом с замыкающими контактами
>56
*—
Кнопка с самовозвратом с размы-
m S6
кающими контактами
Переключатель однополюсный на два положения
SA
Переключатель однополюсный на три положения
SA Г
—
SA
Переключатель двухполюсный на два положения
SA.1
SA.2
Переключатель многопозиционный (на 5 положений и 2 направления)
—
Подвижный контакт с токопроводящей поверхностью
1
1_х
V
Герметизированные контакты (герконы) :
X SF
управляемые постоянным магнитом
управляемые электромагнитом (об-
X SK
моткой реле)
Наименование
Условные обозначения
в соответствии с действующим ГОСТом
в изданиях прошлых лет
Резистор (нерегулируемое сопротив-
R
ление)
Реостат (регулируемое сопротивление)
Лампа накаливания:
осветительная
сигнальная
0HL
Предохранитель плавкий
FU
Катушка без сердечника
L
Катушка с ферромагнитным сердечником
L
Электромагнит, обмотка реле
ф.
Контакты реле: замыкающие
размыкающие
^хТ
переключающие
Электрический звонок
^ НА
КРАТКИЙ СЛОВАРИК
АВОМЕТР (ампер-вольт-ом-метр) — комбинированный прибор для измерения силы тока, напряжения и сопротивления.
АВТОМАТ (от греч. automates — самодвижущийся) — техническое устройство (или совокупность устройств), которое без непосредственного участия человека выполняет процессы приема, преобразования и передачи энергии, материалов или информации согласно заложенной в него программе.
АККУМУЛЯТОР (от лат. accumulo — собираю, накопляю) — устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования.
АМПЕР (А) — единица силы тока.
АМПЕРМЕТР — прибор для измерения силы тока.
АНОД — электрод, присоединенный к положительному полюсу источника тока.
АТОМ (от греч. atoms — неделимый) — наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его свойств. Атом состоит из положительного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных частиц — электронов.
БАТАРЕЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА — совокупность нескольких электрически соединенных элементов. Применяется в качестве автономного источника электропитания в радиоаппаратуре, технике связи, в лабораторной практике и т. д.
БИМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПЛАСТИНКА — пластинка, склеенная из полосок двух разных металлов.
ВАТТ (Вт) —единица мощности.
ВОЛЬТ (В) — единица напряжения.
ВОЛЬТМЕТР ■— прибор для измерения электрического напряжения.
ГАЛЬВАНОМЕТР — прибор для измерения малых значений тока, напряжения или количества электричества.
ГЕРКОН — магнитоуправляемый герметизированный контакт.
ДВИГАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ — устройство, которое, получая энергию от того или иного источника тока, превращает ее в механическую энергию.
ДВИЖИТЕЛЬ — устройство для преобразования энергии природного источника или механического двигателя в полезную работу, обеспечивающую движение транспортных средств (например, колесо, гусеница, парус, воздушный винт и др.).
ДИОД (от греч. dis —дважды и электрод) — прибор с односторонней проводимостью электрического тока.
ЗАМЫКАНИЕ КОРОТКОЕ — соединение клемм источника тока проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника тока.
ИЗОЛЯТОРЫ (ДИЭЛЕКТРИКИ) (от франц, isoler —отделять, разобщать) —тела (вещества), плохо проводящие электрический ток.
КАТОД — электрод прибора, присоединенный к отрицательному полюсу источника тока.
КОМПЬЮТЕР (англ, computer, от лат. compute — считаю, вычисляю)—электронно-вычислительная машина (ЭВМ).
КОНДЕНСАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ (от лат. condensare — уплотняю, сгущаю) — устройство из двух проводников (обкладок), разделенных тонким слоем диэлектрика.
ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ — источник света, в котором используется тепловое действие электрического тока. Основной элемент лампы — вольфрамовая проволока, свитая в спираль и помещенная в баллон, заполненный газом. При прохождении электрического тока спираль раскаляется.
МИКРОКАЛЬКУЛЯТОР (МК) — электронная малогабаритная клавишная вычислительная машина.
ОМ — единица сопротивления проводника.
ОММЕТР — прибор для измерения сопротивления.
ПРЕДОХРАНИТЕЛИ ПЛАВКИЕ — устройства, применяемые для защиты электрических цепей от токов, превышающих допустимые значения, и длительных перегрузок.
ПРОВОДНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ — тела (вещества), хорошо проводящие электрический ток.
РЕВЕРСИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ — изменение направления вращения двигателя.
РЕДУКТОР — механическое устройство для уменьшения скорости вращения машины.
РЕЛЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ (от франц, relayer — сменять, заменять) — устройство, с помощью которого одна электрическая цепь управляет другой.
РЕОСТАТ (от греч. rheos — течение, поток и stator — стоячий, неподвижный) — электрическое устройство для регулирования и ограничения тока или напряжения в электрической цепи.
РОБОТ - сложная автоматическая техническая система, способная целенаправленно воздействовать е окружающей средой в изменяющейся обстановке.
РОТОР (от лат. roto —- вращаюсь)—вращающаяся часть электрической машины.
СИЛА ТОКА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ — среднее количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени.
СТАТОР — неподвижная часть электрической машины.
СУММАТОР — простейшее вычислительное устройство, осуществляющее сложение двух заданных чисел.
СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ — изображение элементов электрической цепи и способов их соединения между собой с помощью условных знаков.
СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ — прибор для измерения электрической энергии.
ТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ — упорядоченное движение электрически заряженных частиц.
ЦЕПЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ — совокупность источников тока, соединительных проводников, контрольно-измерительных приборов и потребителей тока.
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ — широкое использование электрической энергии в народном хозяйстве.
ЭЛЕКТРОМАГНИТ—прибор, магнитное поле которого возникает и концентрируется в ферромагнитном сердечнике вследствие прохождения по охватывающей его обмотке электрического тока.
ЭЛЕКТРОСКОП — прибор для обнаружения электризации тел и ее приближенной оценке.
ЭЛЕМЕНТ ВОЛЬТА — примитивный источник постоянного напряжения. Состоит из медной и цинковой пластин (электроды элемента), погруженных в слабый раствор серной кислоты. Медный электрод заряжается положительно, цинковый — отрицательно.
ОГЛАВЛЕНИЕ
К юному читателю
«Его величество» Электричество. О чем эта книга? И пища для ума, и дело для рук. Ваш рабочий уголок. Инструменты, материалы, детали. Несколько полезных советов. В путь! 3
Шаг первый. Волшебный мир «янтаря»
Первые опыты. Свидетельство Фалеса Милетского. Не только янтарь... Электризация: помеха или помощница? «Плюсы» и «минусы», притяжение и отталкивание. Прадедушка электрических приборов. Электроскопы — своими руками. Продолжаем опыты. Невидимая «река». Проводники и изоляторы. Забавы и игрушки. Подумай и сделай 5
Шаг второй. Чтобы загорелась лампочка
Одним движением руки. Еще раз о невидимой «реке». Электрическая цепь и ее «звенья». Источник тока, потребитель, прерыватель, соединительные провода. На языке схем, понятном всем. Арматура: клеммы, патроны, кнопки, вилки... Собираем простую электрическую цепь. Несколько опытов и вопросов. Фонарик — вещь полезная. Что такое «электрификация»? Игрушки становятся интереснее.
Подумай и сделай 18
Шаг третий. Лампа за лампой
Напор и напряжение. Что такое «вольт»? Если разобрать батарейку... Последовательное соединение источников тока. Две лампочки вместо одной. Еще одна конструкция лампового патрона. Возьмем и две батарейки Почему лампочки не загораются? Ошибка найдена и устранена! Гирлянда для новогодней елки. Сколько же потребуется батареек? Подумай и сделай 28
Шаг четвертый. От гирлянды к люстре
Лампы не вечны. Почему гаснет гирлянда? Сравнение гирлянды с люстрой. Лампочки «обретают независимость». Словно «рукава» одной реки. Сила тока в цепи. Что такое «ампер»? Еще несколько опытов.
Модель люстры. Когда сила тока возрастает... И снова выход — взять две батарейки, но... Подумай и сделай 37
Шаг пятый. Почему не светятся... провода?
В самом деле — почему? Снова опыты. Сопротивление проводников. Что такое «ом»? Закон Ома и чудесный треугольник. Медь и алюминий, нихром и фехраль. Длинные и короткие, тонкие и толстые. Как в зале кинотеатра. Реостаты. Короткое замыкание. Чтобы провода не «светились»... Подумай и сделай 46
Шаг шестой. Учимся паять
Чем сложнее цепь, тем больше соединений. Если хотя бы один контакт нарушен... Что такое пайка? Припой и флюс — зачем они? Знакомимся с электрическим паяльником. Необходима осторожность. Подставка для паяльника. Несколько полезных советов. Легко ли паять? Сувениры из проволоки. Буратино, Чебурашка и другие.
Подумай и сделай 53
Шаг седьмой. Займемся управлением
Что такое «управление»? «Пульт управления» карманного фонарика. Когда одного выключателя мало... Используются реостаты. От выключателя к переключателю. Из разных мест. Как управлять светофором?
Сам себе выключатель. Несколько слов об автоматах. Чудесная пластинка и электрический утюг. Много ли воды в баке? Подумай и сделай 60
Шаг восьмой. Полупроводники: «Гадкий утенок»
Плохие проводники и скверные изоляторы. Как в сказке Андерсена.
Знакомьтесь: диод. Простые опыты и неожиданные результаты. Экскурсия внутрь полупроводника. Что происходит на границе? Найдем применение диоду. Как определить полярность батареи?
Что, где, когда? Справочники-автоматы. У карты Европы. Подумай и сделай 73
Шаг девятый. Магниты и электромагниты
«Любящий камень». Опыты с магнитами. Таинственные N и S. Притяжение и отталкивание. Секрет поведения стрелки компаса. Магнитная викторина. Электрический ток и магнитная стрелка.
Делаем катушку с сердечником. Есть электромагнит! Не только для моделей. Пополним нашу игротеку. Геркон. Подумай и сделай . . . .82
Шаг десятый. Реле — перепряжка лошадей
Вездесущие электромагниты. Электрический телеграф. Электрический звонок. Еще один «самовыключатель». Цепь управляет цепью.
Странное название «реле». В память о езде на перекладных. Изготовлены на заводе. Контакты могут не только замыкаться. Простой зуммер. «Успей раньше». Подумай и сделай 93
Шаг одиннадцатый. Игрушки приходят в движение
До двигателя — один шаг. Опять опыты. Магнит и рамка. Коллектор и щетки. Делаем простейший электродвигатель. От электробритвы
104104до электровоза. И двигатель имеет паспорт. Для детских игрушек. Любителям гоголя-моголя. Миниатюрный вентилятор. Для управления праздничной иллюминацией. Электроходы. Подумай и сделай . . . .
104
104
Шаг двенадцатый. Увидеть невидимое
115115Как увидеть невидимое? Приборы-помощники. От пробника к гальванометру. «Есть контакт!» Амперметры, вольтметры, омметры. Самодельный омметр. Авометр — три прибора в одном. Не только электроизмерения. В большой семье электроизмерительных приборов. Еще один экзаменатор-автомат. О вычислительных машинах. Подумай и сделай
115
115
Заключение. Финиш, который является и стартом
127130133137127130133137Подведем итоги. Взгляд с высоты. Пройдены лишь первые шаги. Трудности преодолимы. Не останавливаться на достигнутом! Что же дальше? Дороги уходят вдаль. Пути к профессиям: со словом «электро...» и без него. И снова — в путь! Приложение
127
130
133
137
127
130
133
137
Литература
Условные графические обозначения в схемах электрических цепей Краткий словарик
Учебное издание
Галагузова Минненур АхметхановнаКомский Давид Матвеевич
ПЕРВЫЕ ШАГИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ
Зав. редакцией Т. С. ДагаеваРедактор А. Ф. РаеваМладший редактор Е. В. КоркинаХудожники В. А. Сайчук, В. Б. ЖуковаХудожественный редактор Н. А. ПарцевскаяТехнический редактор Е. С. ЮроваКорректоры Н. А. Копейкина, И. В. Чернова
ИБ № 10882
Сдано в набор 19.05.87. Подписано к печати 23.02.88. А 05645. Формат 60Х90'/|ь- Бум. офс. № 2. Гарнит. Литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 9+0,5 вкл. Усл. кр.-отт. 12. Уч.-изд. л. 9,17+0,56 вкл. Тираж 200 000 экз. Заказ 1533. Цена 45 коп.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Просвещение» Государственного комитета РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 129846, Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Смоленский полиграфкомбинат Росглавполиграфпрома Государственного комитета РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 214020, Смоленск, ул. Смольянинова, 1.
ал ;• ryJ<i Ни. Ик.1 fp t.и.ал ;• ryJ<i Ни. Ик.1 fp t.и.6. Зак. i№ И л. [■6. Зак. i№ И л. [■
ал ;• ryJ<i Ни. Ик.1 fp t.и.
ал ;• ryJ<i Ни. Ик.1 fp t.и.
6. Зак. i№ И л. [■
6. Зак. i№ И л. [■
ПЕРВЫЕ ШАГИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУПЕРВЫЕ ШАГИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ
ПЕРВЫЕ ШАГИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ
ПЕРВЫЕ ШАГИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ
МА ГалагузоваНИИТИ в Я
"“ в ЗЛЕКТР0ТЕХНИКу
Книга для учащихся 4—7 классовсредней школы
Издание второе, переработанное и дополненное
Москва «Просвещение» 1988
ББК 31.2 Г15
Рецензенты:
старший научный сотрудник НИИ СиМО АПН СССР кандидат педагогических наук В. А. Орлов;
руководитель кружка областной станции юных техников Новосибирска В. В. Вознюк
На обложке изображены:
2-я стр.— плотина Братской гидроэлектростанции.
3-я стр.— в машинном зале гидроэлектростанции.
4-я стр.— Ингурская ГЭС.
Галагузова М. А., Комский Д. М.
Г15 Первые шаги в электротехнику: Кн. для учащихся 4—7 кл. сред. шк.—2-е изд., перераб. и доп.— М.: Просвещение, 1988.—143 с.: ил.
ISBN 5-09-000719-5
Книга в популярной и занимательной форме знакомит школьников с начальными сведениями по электротехнике и электромонтажным работам. В ней приведены описания простейших конструкций электротехнических моделей, игрушек и других устройств, даны рекомендации по их изготовлению.
Книга поможет школьникам ознакомиться с профессиями, связанными с электротехническими и электромонтажными работами
219—88219—88ББК 31.2ББК 31.24306020000—409
219—88
219—88
ББК 31.2
ББК 31.2
103(03)—88
ISBN 5-09-000719-5
© Издательство «Просвещение», 1984
© Издательство «Просвещение», 1988, с изменениями