В ПОМОЩЬ НАЧИНАЮЩЕМУ РАДИОЛЮБИТЕЛЮ (часть 1)
Кратко о происхождении
Образно рассмотрим, что это такое — электричество.
Как известно все тела состоят из мельчайших частиц — молекул, молекулы из атомов, атомы ещё из более мелких протонов, нейтронов, электронов.
Каждая частица, молекула, тело имеет свой энергетический заряд.
Тела с положительным (+) зарядом притягиваются к телам с отрицательным
(-) зарядом, а если одноимённые — (+) с (+) и (-) с (-), то отталкиваются.
Наблюдается тенденция движения.
((+) — положительная, (-) отрицательная полярность)
![](http://electronics-lab.ru/uploads/images/00/04/78/2012/01/30/2a8946.gif)
Интенсивность этого движения частиц в веществах зависит от многих причин; деформация, воздействие света, нагревание, трение, химические реакции.
Электроны движутся вокруг ядра и находятся от него на различных расстояниях, поэтому взаимодействие положительных зарядов протонов ядра с электронами неодинаково, оно ослабляется по мере удаления электрона от ядра.
Таким образом, может меняться число электронов, наиболее удалённых от ядра и наиболее слабо связанных с ядром.
Число электронов в атомах материалов можно изменить трением, нагреванием, с помощью света, деформации, химических реакций и т.д.
Установлено, что из некоторых веществ под действием света, вылетают электроны и эти вещества заряжаются положительным зарядом.
Это явление называется фотоэффектом, на нём основан принцип работы фотоэлементов.
При нагревании металлов до определённой температуры, скорости движения, слабо связанных с ядром электронов, достигают величин, при которых их кинетической энергии хватает оторвать электроны от ядра. Электроны становятся свободными с отрицательными зарядами, а атомы металла, потерявшие электроны, обретают положительные заряды.
Это явление называется термоэлектронной эмиссией и используется, в частности, в кинескопах телевизоров.
В химических источниках электрической энергии положительные и отрицательные полюсы образуются в результате переноса зарядов при химических реакциях (аккумуляторы).
При механической деформации (сжатии, растяжении и т. д.) на поверхности некоторых кристаллических тел (например, кварца) возникают электрические заряды.
Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. При обратном пьезоэлектрическом эффекте кристалл деформируется под действием электроэнергии.
![](http://electronics-lab.ru/uploads/images/00/04/78/2012/01/30/fba7cb.jpg)
При этом образуются небольшие источники двух полярностей (+) и (-).
Каждая полярность имеет свою величину — потенциал.
Запас энергии (потенциальная энергия) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля, называется потенциалом.
Чем больше потенциал, тем больше разница между (+) и (-).
Так вот, эта разница потенциалов (+) и (-) — есть электродвижущая сила (эдс).
В замкнутой цепи электрический ток протекает под действием электродвижущей силы (эдс) источника энергии. Электродвижущая сила возникает в источнике и при отсутствии тока в цепи, т. е. когда цепь разомкнута
При холостом ходе, т. е. при отсутствии тока в цепи, эдс равна разности потенциалов на зажимах источника энергии. Так же как и разность потенциалов, эдс измеряется в вольтах (В).
Как при замкнутой, так и при разомкнутой электрической цепи эдс непрерывно поддерживает разность потенциалов на зажимах источника энергии.
В наличии эдс можно убедиться, если присоединить к полюсам источника энергии (вместо линейных проводов) прибор, называемый вольтметром.
Стрелка вольтметра при этом отклонится на некоторый угол. У цифрового прибора изменится значение на дисплее. Отклонение будет тем больше, чем больше эдс источника энергии.
Однако вольтметр покажет не величину эдс, а, как мы увидим дальше, напряжение на зажимах источника, которое так же, как и эдс, измеряется в вольтах (В), киловольтах (кВ), милливольтах (мВ).
( 1вольт=1000милливольт; 1000вольт = 1киловольт..)
Можно представить эти источники в виде маленьких макетов больших источников электрической энергии, которые создал человек (генераторы, аккумуляторы, но об этом позже).
Пример пьезоэффекта:
Ученые всего мира бьются над проблемой продления жизни источников энергии. И среди них Мартын Нунупаров, российский физик-теоретик и изобретатель, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией микроэлектроники Института общей физики РАН. Он изобрел оригинальное устройство, обеспечивающее микроэлектронику электричеством, — так называемый пьезоконвертер. Именно под таким названием этот предмет уже запатентован в России, США и еще 24 странах.
— Всем известно, что два разнозаряженных предмета притягиваются, — объясняет физик. — Но обычно сила этого притяжения мала и ненадежна. Я стал экспериментировать и выяснил: специальные полимерные пластинки, заряженные определенным образом, притягиваются друг к другу с силой в несколько килограммов! Притом, что они заряжены зарядом всего лишь в один микрокулон.
Поясним: пьезоэффект — это свойство кристаллов некоторых веществ при сжатии изменять кристаллическую решетку и как результат выдавать электрический заряд очень большого напряжения. Впервые это свойство у кристаллов кварца еще в 1880 году обнаружили французские физики Жак и Поль Кюри. Сегодня известно более полутора тысяч веществ, обладающих такими свойствами, из них широко используются сегнетова соль и титанат бария. Самым распространенным на сегодняшний день прибором, в котором используется пьезоэффект, является зажигалка.
Искру, которую дает пьезоэлемент, надо еще «поймать и заставить работать с микропроцессором». Мартын Нунупаров придумал пьезоконвертер, состоящий из трансформатора, двух диодов и конденсатора. Опытный образец был готов через несколько месяцев. Гарантия — десять миллионов циклов. Причем никакого щелчка не слышно — кристалл сжимается беззвучно.
На сегодняшний день пьезоконвертер, дистанционные выключатели, безбатарейные датчики очень заинтересовали службы безопасности, шахтеров, пожарных, газовиков и нефтяников. Потому что они обеспечивают автономную беспроводную сигнализацию, в которой благодаря герметичности совершенно отсутствует возможность искрения (особенно это важно для шахтеров и пожарных, так как исключается риск взрыва). И никогда не надо менять батарейки.
О статическом электричестве ученые знали давно. Например, знаменитая Мария Склодовская-Кюри использовала это явление для изучения свойств магнитных материалов.
Широко используются пьезоэлементы в качестве источников звука, датчиков вибрации, поляроидных пленок.
Примеры фотоэффекта:
Фотоэлемент, электронный прибор, в котором в результате поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерируется эдс (фотоэдс) или электрический ток (фототок).
Действие Фотоэлемента основывается на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте.
Фотоэлемент, действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии, представляет собой электровакуумный прибор с 2 электродам – фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещенными в вакуумированную либо газонаполненную стеклянную или кварцевую колбу.
Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с его поверхности; при замыкании цепи Фотоэлемента в ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку.
В газонаполненных Фотоэлементах в результате ионизации газа и возникновения несамостоятельного лавинного электрического разряда в газах фототок усиливается. Наиболее распространены Фотоэлемент с сурьмяно-цезиевым и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами.
Материалами, из которых выполняют полупроводниковые Фотоэлементы, служат Se, GaAs, CdS, Ge, Si и др.
Фотоэлементы обычно служат приёмниками излучения или приёмниками света (полупроводниковые Фотоэлементы в этом случае нередко отождествляют с фотодиодами); полупроводниковые Фотоэлемент используют также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию – в солнечных батареях, фотоэлектрических генераторах.
Примеры термоэффекта:
Принцип действия термопары основан на том, что нагревание или охлаждение контактов между проводниками, отличающимися химическими свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).
Термопара состоит из двух металлов, сваренных на обоих концах. Один конец помещается в месте замера температуры. Второй спай термостатируется, или измеряется его температура и погрешность вычитается расчётным способом.
Метрологической характеристикой теромопары является градуировочная таблица, в которой указана температура «горячего» конца теромопары, и термоЭДС, развиваемая термопарой при этой температуре,
при этом необходимо учитывать температуру «холодного» конца термопары и термоЭДС, развиваемую на нём необходимо вычесть из термоЭДС «горячего» конца термопары.
Термопары бывают открытого и закрытого типа.
Применение термопар для измерения температуры различных объектов, а так же в автоматизированных системах управления и контроля.
Преимущества термопар:
* Большой температурный диапазон измерения
* Измерение высоких температур до 1800—2200 °С
Недостатки:
* Точность более 1 °С труднодостижима, необходимо использовать термометры сопротивления или термисторы.
* На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку.
* Возникает погрешность от изменения температуры холодного спая.
* Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, т.к. ток, протекаемый через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
Изготовление термопары. Самый простой и приемлемый вариант — это термопара с термо-ЭДС не менее 15 мВ при температуре пламени спички и длиной выводов не менее 100 мм.
Как показали эксперименты, хорошую термопару можно изготовить из стойки токоподвода
электрической лампы накаливания на 220 В мощностью 150 Вт и отрезка нихромовой проволоки такого же диаметра.
Следует лишь заметить, что термопары из случайных материалов могут иметь существенный разброс удельной термо-ЭДС.
Концы отрезков заготовки будущей термопары укладывают вровень, туго скручивают между собой на 2—3 витка и на получившуюся скрутку плотно наматывают конец гибкого медного провода сечением не менее 1,5 мм.кв.
Второй конец провода подключают к зажиму источника тока 10 — 15 А напряжением 10...20 В.
Ко второму зажиму источника таким же проводом подключают обломок графитового стержня от мягкого простого карандаша.
Конец скрутки заготовки целесообразно покрыть слоем пасты из воды и буры или растолченного материала обмазки сварочного электрода. Провода должны быть возможно короче.
Включив источник и касаясь концом графитового стержня конца скрутки заготовки, оплавляют скрутку в возникающей электрической дуге так, чтобы на ней образовался маленький шарик — спай термопары.
Можно изготовить термопару и без сварки — нужно только хорошо зачистить и плотно свить концы.
Однако надежность и долговечность такой термопары заметно ниже.
Образно рассмотрим, что это такое — электричество.
Как известно все тела состоят из мельчайших частиц — молекул, молекулы из атомов, атомы ещё из более мелких протонов, нейтронов, электронов.
Каждая частица, молекула, тело имеет свой энергетический заряд.
Тела с положительным (+) зарядом притягиваются к телам с отрицательным
(-) зарядом, а если одноимённые — (+) с (+) и (-) с (-), то отталкиваются.
Наблюдается тенденция движения.
((+) — положительная, (-) отрицательная полярность)
![](http://electronics-lab.ru/uploads/images/00/04/78/2012/01/30/2a8946.gif)
Интенсивность этого движения частиц в веществах зависит от многих причин; деформация, воздействие света, нагревание, трение, химические реакции.
Электроны движутся вокруг ядра и находятся от него на различных расстояниях, поэтому взаимодействие положительных зарядов протонов ядра с электронами неодинаково, оно ослабляется по мере удаления электрона от ядра.
Таким образом, может меняться число электронов, наиболее удалённых от ядра и наиболее слабо связанных с ядром.
Число электронов в атомах материалов можно изменить трением, нагреванием, с помощью света, деформации, химических реакций и т.д.
Установлено, что из некоторых веществ под действием света, вылетают электроны и эти вещества заряжаются положительным зарядом.
Это явление называется фотоэффектом, на нём основан принцип работы фотоэлементов.
При нагревании металлов до определённой температуры, скорости движения, слабо связанных с ядром электронов, достигают величин, при которых их кинетической энергии хватает оторвать электроны от ядра. Электроны становятся свободными с отрицательными зарядами, а атомы металла, потерявшие электроны, обретают положительные заряды.
Это явление называется термоэлектронной эмиссией и используется, в частности, в кинескопах телевизоров.
В химических источниках электрической энергии положительные и отрицательные полюсы образуются в результате переноса зарядов при химических реакциях (аккумуляторы).
При механической деформации (сжатии, растяжении и т. д.) на поверхности некоторых кристаллических тел (например, кварца) возникают электрические заряды.
Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. При обратном пьезоэлектрическом эффекте кристалл деформируется под действием электроэнергии.
![](http://electronics-lab.ru/uploads/images/00/04/78/2012/01/30/fba7cb.jpg)
При этом образуются небольшие источники двух полярностей (+) и (-).
Каждая полярность имеет свою величину — потенциал.
Запас энергии (потенциальная энергия) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля, называется потенциалом.
Чем больше потенциал, тем больше разница между (+) и (-).
Так вот, эта разница потенциалов (+) и (-) — есть электродвижущая сила (эдс).
В замкнутой цепи электрический ток протекает под действием электродвижущей силы (эдс) источника энергии. Электродвижущая сила возникает в источнике и при отсутствии тока в цепи, т. е. когда цепь разомкнута
При холостом ходе, т. е. при отсутствии тока в цепи, эдс равна разности потенциалов на зажимах источника энергии. Так же как и разность потенциалов, эдс измеряется в вольтах (В).
Как при замкнутой, так и при разомкнутой электрической цепи эдс непрерывно поддерживает разность потенциалов на зажимах источника энергии.
В наличии эдс можно убедиться, если присоединить к полюсам источника энергии (вместо линейных проводов) прибор, называемый вольтметром.
Стрелка вольтметра при этом отклонится на некоторый угол. У цифрового прибора изменится значение на дисплее. Отклонение будет тем больше, чем больше эдс источника энергии.
Однако вольтметр покажет не величину эдс, а, как мы увидим дальше, напряжение на зажимах источника, которое так же, как и эдс, измеряется в вольтах (В), киловольтах (кВ), милливольтах (мВ).
( 1вольт=1000милливольт; 1000вольт = 1киловольт..)
Можно представить эти источники в виде маленьких макетов больших источников электрической энергии, которые создал человек (генераторы, аккумуляторы, но об этом позже).
Пример пьезоэффекта:
Ученые всего мира бьются над проблемой продления жизни источников энергии. И среди них Мартын Нунупаров, российский физик-теоретик и изобретатель, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией микроэлектроники Института общей физики РАН. Он изобрел оригинальное устройство, обеспечивающее микроэлектронику электричеством, — так называемый пьезоконвертер. Именно под таким названием этот предмет уже запатентован в России, США и еще 24 странах.
— Всем известно, что два разнозаряженных предмета притягиваются, — объясняет физик. — Но обычно сила этого притяжения мала и ненадежна. Я стал экспериментировать и выяснил: специальные полимерные пластинки, заряженные определенным образом, притягиваются друг к другу с силой в несколько килограммов! Притом, что они заряжены зарядом всего лишь в один микрокулон.
Поясним: пьезоэффект — это свойство кристаллов некоторых веществ при сжатии изменять кристаллическую решетку и как результат выдавать электрический заряд очень большого напряжения. Впервые это свойство у кристаллов кварца еще в 1880 году обнаружили французские физики Жак и Поль Кюри. Сегодня известно более полутора тысяч веществ, обладающих такими свойствами, из них широко используются сегнетова соль и титанат бария. Самым распространенным на сегодняшний день прибором, в котором используется пьезоэффект, является зажигалка.
Искру, которую дает пьезоэлемент, надо еще «поймать и заставить работать с микропроцессором». Мартын Нунупаров придумал пьезоконвертер, состоящий из трансформатора, двух диодов и конденсатора. Опытный образец был готов через несколько месяцев. Гарантия — десять миллионов циклов. Причем никакого щелчка не слышно — кристалл сжимается беззвучно.
На сегодняшний день пьезоконвертер, дистанционные выключатели, безбатарейные датчики очень заинтересовали службы безопасности, шахтеров, пожарных, газовиков и нефтяников. Потому что они обеспечивают автономную беспроводную сигнализацию, в которой благодаря герметичности совершенно отсутствует возможность искрения (особенно это важно для шахтеров и пожарных, так как исключается риск взрыва). И никогда не надо менять батарейки.
О статическом электричестве ученые знали давно. Например, знаменитая Мария Склодовская-Кюри использовала это явление для изучения свойств магнитных материалов.
Широко используются пьезоэлементы в качестве источников звука, датчиков вибрации, поляроидных пленок.
Примеры фотоэффекта:
Фотоэлемент, электронный прибор, в котором в результате поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерируется эдс (фотоэдс) или электрический ток (фототок).
Действие Фотоэлемента основывается на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте.
Фотоэлемент, действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии, представляет собой электровакуумный прибор с 2 электродам – фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещенными в вакуумированную либо газонаполненную стеклянную или кварцевую колбу.
Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с его поверхности; при замыкании цепи Фотоэлемента в ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку.
В газонаполненных Фотоэлементах в результате ионизации газа и возникновения несамостоятельного лавинного электрического разряда в газах фототок усиливается. Наиболее распространены Фотоэлемент с сурьмяно-цезиевым и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами.
Материалами, из которых выполняют полупроводниковые Фотоэлементы, служат Se, GaAs, CdS, Ge, Si и др.
Фотоэлементы обычно служат приёмниками излучения или приёмниками света (полупроводниковые Фотоэлементы в этом случае нередко отождествляют с фотодиодами); полупроводниковые Фотоэлемент используют также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию – в солнечных батареях, фотоэлектрических генераторах.
Примеры термоэффекта:
Принцип действия термопары основан на том, что нагревание или охлаждение контактов между проводниками, отличающимися химическими свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).
Термопара состоит из двух металлов, сваренных на обоих концах. Один конец помещается в месте замера температуры. Второй спай термостатируется, или измеряется его температура и погрешность вычитается расчётным способом.
Метрологической характеристикой теромопары является градуировочная таблица, в которой указана температура «горячего» конца теромопары, и термоЭДС, развиваемая термопарой при этой температуре,
при этом необходимо учитывать температуру «холодного» конца термопары и термоЭДС, развиваемую на нём необходимо вычесть из термоЭДС «горячего» конца термопары.
Термопары бывают открытого и закрытого типа.
Применение термопар для измерения температуры различных объектов, а так же в автоматизированных системах управления и контроля.
Преимущества термопар:
* Большой температурный диапазон измерения
* Измерение высоких температур до 1800—2200 °С
Недостатки:
* Точность более 1 °С труднодостижима, необходимо использовать термометры сопротивления или термисторы.
* На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку.
* Возникает погрешность от изменения температуры холодного спая.
* Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, т.к. ток, протекаемый через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
Изготовление термопары. Самый простой и приемлемый вариант — это термопара с термо-ЭДС не менее 15 мВ при температуре пламени спички и длиной выводов не менее 100 мм.
Как показали эксперименты, хорошую термопару можно изготовить из стойки токоподвода
электрической лампы накаливания на 220 В мощностью 150 Вт и отрезка нихромовой проволоки такого же диаметра.
Следует лишь заметить, что термопары из случайных материалов могут иметь существенный разброс удельной термо-ЭДС.
Концы отрезков заготовки будущей термопары укладывают вровень, туго скручивают между собой на 2—3 витка и на получившуюся скрутку плотно наматывают конец гибкого медного провода сечением не менее 1,5 мм.кв.
Второй конец провода подключают к зажиму источника тока 10 — 15 А напряжением 10...20 В.
Ко второму зажиму источника таким же проводом подключают обломок графитового стержня от мягкого простого карандаша.
Конец скрутки заготовки целесообразно покрыть слоем пасты из воды и буры или растолченного материала обмазки сварочного электрода. Провода должны быть возможно короче.
Включив источник и касаясь концом графитового стержня конца скрутки заготовки, оплавляют скрутку в возникающей электрической дуге так, чтобы на ней образовался маленький шарик — спай термопары.
Можно изготовить термопару и без сварки — нужно только хорошо зачистить и плотно свить концы.
Однако надежность и долговечность такой термопары заметно ниже.
11 комментариев