Блог

В первой статье рубрики «Электроника для детей» мы рассмотрели светодиоды; во второй статье мы исследовали конденсаторы. Теперь, в третьей статье, мы подробно рассмотрим электрические измерения.

Невозможно обсуждать электронику, не изучив электрические измерения. Чтобы выбрать правильные значения для электронных компонентов и рассчитать некоторые условия работы, поведение электрической цепи необходимо рассчитывать с помощью некоторых простых арифметических вычислений.

Такие вычисления можно сравнить с кулинарным рецептом, в котором все ингредиенты должны быть точно измерены, чтобы приготовленное блюдо всегда получалось одинаково вкусно.

Основные вопросы электрических измерений будут рассмотрены на нескольких простых примерах с особым упором на электрическое напряжение и расчет омического сопротивления.

Электрические измерения

Не существует ни одной области, где бы не использовались какие-либо измерения, например: длина тела, вес, школьные оценки, очки в видеоиграх, температура тела и т.д.

Любая физическая, химическая или электрическая величина должна быть измерена, чтобы ее можно было потом легко контролировать, и в последующем, ею же и управлять. Если вы не проведете некоторые важные измерения, вы не сможете предсказать, как поведет себя электрическая схема.

Естественно, мы говорим об электрических измерениях, выполненных с помощью прибора, известного как тестер или мультиметр, как показано на картинке ниже:

Чтобы провести первые электрические измерения, вам не нужно покупать модель высокого класса, которая стоит несколько тысяч рублей. Достаточно простой аналоговой или цифровой модели, которую можно купить всего за несколько сотен. Аналоговые мультиметры становятся все более редкими, и большинство устройств в настоящее время являются цифровыми.

Мультиметр, также известный как тестер, является важным измерительным инструментом. У него могут быть самые разные функции, но общие для всех моделей следующие:

• Вольтметр для измерения переменного и постоянного напряжения
• Амперметр для измерения тока
• Омметр для измерения сопротивления

Перед тем, как перейти к примерам электрических измерений, полезно рассмотреть понятия напряжения, тока и сопротивления, они показаны на картинке ниже. Это три электронных столпа, без которых не может быть завершена ни одна конструкция.

В повседневном языке термины «напряжение» и «ток» взаимозаменяемы, но на самом деле они относятся к двум разным понятиям. Знание разницы между этими двумя терминами имеет решающее значение для предотвращения опасных ситуаций и получения максимальной отдачи от электронных устройств.

Поскольку поведение электричества очень похоже на поведение воды, электрическое напряжение может быть представлено давлением воды, а электрический ток — самой водой.

Глядя на картинку ниже, мы можем найти следующие три элемента:

1. Электрическое напряжение — это давление, которое от источника питания выталкивает электроны через цепь. Измеряется в вольтах.
2. Электрический ток – это совокупность электронов, протекающих по цепи. Следовательно, это упорядоченный поток, определяемый электрическим напряжением. Измеряется в амперах.
3. Сопротивление — это мера, выражающая сопротивление протеканию тока в электрической цепи, и измеряется в омах.

Все материалы характеризуются определенной степенью устойчивости к току и делятся на следующие категории:

• Проводники: материалы с очень небольшим сопротивлением, и электроны могут легко по ним перемещаться (например, серебро, золото, медь и алюминий).
• Полупроводники: материалы, характеристики которых включают характеристики проводников и изоляторов.
• Изоляторы: материалы, которые обладают высоким сопротивлением и максимально ограничивают поток электронов (например, бумага, стекло, резина и пластик).

Измерение напряжения батареи или элемента

С помощью этого метода можно считывать электрическое напряжение на концах батареи, и определить, заряжена ли она или ее следует выбросить. Подсоедините красный щуп к разъему напряжения (V), а черный щуп к общему разъему, переведите тестер в режим вольтметра (COM или земля), как показано на картинке ниже.

Всегда рекомендуется устанавливать максимальную скорость потока (полную шкалу) в более высокое положение, а затем, при необходимости, уменьшать ее. В нашем примере, поскольку измеряемые батареи имеют напряжение 1,5 В, 4,5 В и 9 В, рекомендуется использовать максимальный диапазон 20 В, который можно выбрать с помощью соответствующего поворотного переключателя. Теперь можно напрямую измерить напряжение батареи. Не ожидайте точно такого же напряжения, как указано на этикетке батареи. Например, для батареи 4,5 В вы можете прочитать значение 4,7 В, если она новая и заряженная, значение 4,1 В, если она немного разряжена, или значение 3,4 В, если она уже достаточно разряжена.

То же правило верно и для всех других генераторов напряжения. При измерении электрического напряжения важно соблюдать правильную полярность измерительных проводов. Красный провод должен быть подключен к положительному полюсу батареи, а черный провод должен быть подключен к отрицательному полюсу. Однако любое изменение полярности не навредит тестеру; напряжение будет указано с отрицательным значением. Помните, два полюса батареи не должны соприкасаться. Это может вызвать генерацию большого тепла, а в последствии, и пламя.

Измерение напряжения цепи, состоящей из различных компонентов

На картинке ниже показана схема подключения, позволяющая включать два светодиода, соединенных последовательно. Расчет значения сопротивления будет изучен в одной из следующих статей. Давайте теперь проведем некоторые измерения натяжения, чтобы улучшить наше общее видение. Эти измерения не предназначены для дальнейших целей; они выполняются только для того, чтобы лучше познакомиться с тестером. Напомним, что в этом типе соединения электроны, проходящие через батарею, сопротивление и два светодиода одинаковы, как и вода, протекающая через одну трубу. Настройте тестер на измерение напряжения с напряжением полной шкалы 20 В. Теперь давайте рассмотрим следующие измерения, учитывая, что различные точки схемы называются узлами:

• Красный щуп на узле N1 и черный щуп на узле G: считанное значение напряжения составляет около 4,5 В. На практике мы измеряем напряжение, присутствующее на клеммах аккумулятора.
• Красный провод на узле N1 и черный провод на узле N2: считанное значение напряжения составляет около 0,7 В. Мы измеряем напряжение на резисторе.
• Красный провод на узле N1 и черный провод на узле N3: считанное значение напряжения составляет около 2,6 В. Мы измеряем напряжение между положительным полюсом батареи и катодом первого светодиода.
• Красный щуп на узле N2 и черный щуп на узле N3: считанное значение напряжения составляет около 1,89 В. Мы измеряем напряжение, присутствующее на концах первого светодиода.
• Красный щуп на узле N2 и черный щуп на узле G: считанное значение напряжения составляет около 3,78 В. Мы измеряем напряжение на концах двух светодиодов.
• Красный щуп на узле N3 и черный щуп на узле G: считанное значение напряжения составляет около 1,89 В. Мы измеряем напряжение на концах светодиода.

Наиболее важные измерения относятся к первому (N1-G), предназначенному для измерения напряжения батареи (4,5 В); четвертый и шестой (N2-N3 и N3-G), предназначенные для измерения напряжения на концах первого и второго светодиодов (1,89 В); и пятый (N2-G), предназначенный для измерения напряжения на двух светодиодах (3,78 В).

Проведенные измерения могут отличаться от приведенных здесь, поскольку батареи и электронные компоненты всегда немного отличаются друг от друга. Как также видно из измерений, черный провод не всегда должен быть подключен к отрицательному полюсу батареи, а может подключаться к любому узлу, как и красный провод. Вам необходимо ознакомиться с этим фактом. Подключив тестер к различным узлам цепи, получаем показание определенного электрического напряжения на тестере. Он генерируется не отдельными электронными компонентами, а батареей, распределенной по различным компонентам. На самом деле, в схеме такого типа мы никогда не найдем напряжение выше 4,5 В.

Измерение резистора

Заключительный эксперимент направлен на определение номинала резисторов, которые, как показано на картинке ниже, можно сравнить с водяными трубами различного диаметра. Общее правило для резисторов следующее:

• Чем больше номинал резистора, тем меньший ток проходит через него, как через узкую трубу (например, 330 000 Ом, что эквивалентно 330 кОм);
• Чем меньше номинал резистора, тем больший ток проходит через него, как через большую трубу (например, 15 Ом).

Чтобы измерить резистор, не обязательно соблюдать полярность. На самом деле, эти типы компонентов не поляризованы, и щупы тестера можно ориентировать по желанию, как и их направление в электрической цепи. Корпус резистора обычно снабжен несколькими цветными кольцами, которые указывают омическое значение. Международный цветовой код выглядит следующим образом:

• Черный: 0
• Коричневый: 1
• Красный: 2
• Оранжевый: 3
• Желтый: 4
• Зеленый: 5
• Синий: 6
• Фиолетовый: 7
• Серый: 8
• Белый: 9

Например, для резистора с цветами коричневой, черной и коричневой полос мы будем иметь следующее значение:

• Первая коричневая полоса: 1
• Вторая черная полоса: 0
• Третья коричневая полоса: 1 ноль для добавления

Следовательно, номинал резистора равен 100 Ом.

Другой пример, для резистора с цветами желтой, фиолетовой и оранжевой полос мы будем иметь следующее значение:

• Первая желтая полоса: 4
• Вторая фиолетовая полоса: 7
• Третья оранжевая полоса: добавить 3 нуля

Следовательно, номинал резистора равен 47 000 Ом, что эквивалентно 47 кОм. В зависимости от значения измеряемого сопротивления необходимо установить поворотный переключатель тестера в правильное положение, как это также видно на примере.

Человеческое тело также имеет собственное сопротивление. Если вы попытаетесь коснуться измерительных проводов в положении Ом обеими руками, вы сможете прочитать следующие приблизительные значения:

• Приблизительно 10 000 000 Ом (10 МОм), когда ваши руки сухие
• Приблизительно 700 000 Ом (700 кОм), когда ваши руки мокрые или потные
• Приблизительно 50 000 Ом (50 кОм), когда руки очень мокрые

Кроме того, соленая вода обладает гораздо большей проводимостью, чем пресная.

Итог

Чтобы сконструировать простые электронные схемы, дети должны провести несколько экспериментов. Даже если некоторые понятия до сих пор не ясны, не беда. Со временем и большой практикой они будут прекрасно поняты. Тесты следует проводить только с использованием батареек, так как они не опасны. Целесообразно также использовать помощь взрослого при выполнении опытов.

С Уважением, МониторБанк