Если вы когда-нибудь смотрели на некое электронное устройство и задавались вопросом "Как оно работает?" и "Могу ли я сделать это сам?" — или если ваш ребенок уже вырос из электронного конструктора "Знаток" и готов двигаться дальше, книга "Электроника для детей" — то, что вам нужно, особенно таким дождливым летом, как нынешнее. Если вы в детстве с упоением разбирали радиоприемник, а сейчас ваш сын спрашивает, как устроен компьютер, эта книга для вас. Отрывок, который мы публикуем сегодня, даст детям первое представление об электричестве и поможет собрать первое собственное устройство — охранную сигнализацию.
Прежде чем мы приступим к опытам с электричеством — немного физики. Как электричество заставляет лампочку гореть? Здесь действует сочетание четырех понятий. Это:
- Электроны
- Ток
- Напряжение
- Сопротивление
Что такое электрон
Все, что нас окружает, состоит из атомов — частиц настолько малых, что разглядеть их можно только с помощью особого типа микроскопа. Но сами атомы состоят из еще меньших частиц — протонов, нейтронов и электронов.
Протоны и нейтроны образуют ядро атома (его центр), а электроны вращаются вокруг этого ядра, как планеты вокруг Солнца. Протоны и электроны несут электрические заряды, протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный.
Именно поэтому электроны удерживаются в атоме: положительный и отрицательный заряды притягивают друг друга подобно разноименным полюсам магнитов.
Некоторые вещества обладают проводимостью: если воздействовать на них энергией (например, запасенной в батарейке), то электроны в них начинают перемещаться от атома к атому!
Напряжение заставляет электроны двигаться
Присоединив к лампочке батарейку, вы подали на нить лампочки напряжение. Это напряжение, измеряемое в вольтах (В или V), толкает электроны в одном направлении, заставляет их двигаться по нити. Чем оно выше, тем больше электронов будет передвигаться по нити.
Представьте себе нить в виде трубы, целиком заполненной шариками. Если с одного конца трубы втолкнуть шарик, с ее противоположного конца тут же без всякой задержки выпадет другой шарик.
Чем больше шариков вы будете заталкивать в один конец трубы, тем больше их будет выпадать из другого. Именно так ведут себя электроны в нити накаливания лампочки, когда на нее подается напряжение.
Электрический ток
Электрический ток — это течение потока электронов по нити лампочки. Вы могли слышать слово течение применительно к реке: "У этой реки сильное течение". Это значит, что по реке протекает много воды. Электрический ток подобен этому течению: если говорят "сильный ток", это значит, что по проволоке протекает много электронов.
Сила тока измеряется в амперах (А). При увеличении напряжения в цепи увеличивается и сила тока. Как вода течет по склону под действием силы тяготения, так ток течет от положительного вывода батарейки (+) к отрицательному (—). При этом сами электроны движутся в противоположном направлении — от отрицательного вывода к положительному. Однако применительно к току всегда говорят, что он течет от плюса к минусу.
Сопротивление уменьшает силу тока
Напряжение заставляет электроны двигаться и тем самым создавать электрический ток, а сопротивление препятствует этому току. Это подобно игре с садовым шлангом: если сжать его, сопротивление потоку воды увеличится и поток ослабнет, т. е. воды станет протекать меньше. Но если открыть кран еще больше, увеличится давление (это будет подобно повышению напряжения), и поток воды увеличится, даже если шланг останется сжатым в той же степени. Сопротивление в электричестве действует подобно сжатию шланга, а измеряется оно в омах (Ом или Ω).
Теперь я объясню вам, как электроны, ток, напряжение и сопротивление действуют вместе, заставляя светиться лампочку.
Зажигаем лампочку
Концы нити накаливания лампочки соединены с деталями ее цоколя: один — с боковой поверхностью его корпуса, другой — с центральным контактом. Когда вы присоединяете лампочку к батарейке, вы создаете то, что называется электрической цепью. Цепь — это путь, по которому ток может течь от плюса батарейки к минусу.
Создаваемое батарейкой напряжение заставляет электроны двигаться по цепи, частью которой является нить накаливания лампочки. Нить обладает сопротивлением, ограничивающим силу тока в цепи. Когда электроны преодолевают сопротивление нити, она становится такой горячей, что начинает светиться, т.е. испускать свет.
Чтобы батарейка могла заставить электроны двигаться, цепь между ее выводами не должна иметь разрывов, т. е. должна быть замкнутой.
Чтобы электричество могло работать, всегда необходимы замкнутые цепи. Достаточно разомкнуть цепь — создать в ней хоть один разрыв в каком-либо месте, и лампочка сразу погаснет! Давайте рассмотрим электрические цепи более подробно.
В чем электрическая цепь подобна системе труб
Давайте продолжим рассматривать электричество, сравнивая его с течением воды в трубах. Представьте себе систему труб в виде замкнутой петли с насосом, которая целиком заполнена водой. В одном месте эта система имеет сужение.
Насос играет роль батарейки, которая питает цепь энергией. Сужение в трубе уменьшает поток воды. Так же действует сопротивление в электрической цепи.
Теперь вообразите, что вы можете ввести в эту систему труб некое измерительное устройство, которое позволит определять количество воды, протекающей через него за одну секунду. Обратите внимание, что здесь я говорю лишь о том, сколько воды протекает через одно случайно выбранное место в трубе, а не об общем количестве воды в трубах. Точно так же мы будем говорить о силе тока в цепи: сила тока — это количество электронов, протекающих через определенную точку цепи в секунду.
Знакомьтесь: выключатель
Вы пользуетесь выключателями каждый раз, когда зажигаете или гасите свет. Когда свет в комнате горит, выключатель составляет часть замкнутой цепи, раз по лампе проходит ток. Но что происходит, когда выключатель размыкают? Происходит то же самое, что при разъединении провода в цепи: ток через лампу прерывается, и лампа гаснет, так же как в разомкнутой цепи, показанной выше.
Вокруг себя вы можете найти самые разные выключатели, и это очень простые устройства. Они соединяют два провода, чтобы замкнуть цепь, и разъединяют их, чтобы разомкнуть ее. Даже зная лишь это, можно создавать неплохие схемы, чем мы и собираемся заняться.
Проект: охранная сигнализация
Выключатель можно сделать из самых разных вещей — даже из двери. В этом проекте вы превратите дверь в огромный выключатель, чтобы создать охранную сигнализацию, которая будет издавать предупредительный сигнал каждый раз, когда кто-нибудь попытается войти в комнату.
Чтобы создать такую сигнализацию, нужно прикрепить к двери несколько проводов и полоску алюминиевой фольги таким образом, чтобы при закрытой двери цепь была разомкнутой и ничего не происходило, а при открывании двери цепь замыкалась, включая зуммер.
Над дверью мы повесим оголенный (неизолированный) провод, а на верхний край двери наклеим полоску фольги и соединим эти элементы с разными концами электрической цепи, в состав которой входит зуммер. При открывании двери свисающий оголенный провод коснется фольги и тем самым замкнет цепь, заставив зуммер звучать.
Материалы и инструменты:
- Зуммер. Зуммеры бывают пассивными и активными. Пассивным нужен входной сигнал звуковой частоты, а активным — только напряжение. Для этого проекта вам понадобится активный зуммер, который работает от напряжения 9–12 В (например, KPIG2330E от KEPO. Подойдет также зуммер, который продается в магазинах автозапчастей под названием "Индикатор звуковой (повторитель)" или "Звуковой повторитель поворотов", рассчитанный на напряжение 12 В).
- Стандартная батарейка 9 В для питания цепи.
- Разъем для подключения батарейки к цепи (колодка или клемма для "Кроны" с проводами).
- Алюминиевая фольга.
- Неизолированный провод. Подойдут гибкая медная проволока без изоляции (не перепутайте с обмоточным эмалированным проводом, такой не годится), старая гитарная струна или что-нибудь подобное.
- Лента для крепления всех элементов. Это может быть изолента, скотч и т.п.
- Кусачки (бокорезы) для обрезания проволоки и удаления изоляции с проводов.
- Ножницы (не обязательны). Ими удобно резать фольгу.
Шаг 1. Проверка зуммера. Прежде всего проверьте, работает ли зуммер. Прижмите его красный провод к положительному (+) выводу батарейки, а его черным проводом коснитесь ее отрицательного (—) вывода. Зуммер должен издать громкий звук. Если отсоединить любой из его проводов от батарейки, звук должен прекратиться, поскольку цепь будет разомкнута.
Шаг 2. Подготовка фольги. Отрежьте ножницами полоску фольги шириной около 2,5 см и длиной во всю ширину рулона.
Шаг 3. Закрепление фольги на двери. Закрепите оба конца полоски фольги на верхнем крае двери двумя кусочками клейкой ленты. Эта полоска будет служить контактом для проводов от батарейки и зуммера.
Шаг 4. Подготовка контактного провода. Возьмите кусок неизолированного провода длиной около 25 см.
Шаг 5. Соединение зуммера с контактным проводом. Соедините один конец контактного провода с оголенным концом черного провода разъема для подключения батарейки. Сделать это просто: скрутите вместе неизолированные концы этих проводов и обмотайте скрутку куском изоленты.
После этого тем же способом соедините красный провод разъема для подключения батарейки с красным проводом зуммера.
Шаг 6. Установка зуммера и контактного провода. Теперь установите зуммер и контактный провод над дверным проемом. Сначала клейкой лентой прикрепите контактный провод к притолоке двери таким образом, чтобы, когда дверь закрыта, он свисал перед дверью, а при ее открывании ложился на полоску фольги.
Теперь клейкой лентой закрепите над притолокой зуммер так, чтобы его черный провод мог касаться полоски фольги на двери. Неизолированный конец этого провода прикрепите клейкой лентой к фольге.
Шаг 7. Подключение источника питания. Закрепите над дверью батарейку и подключите к ней разъем. Теперь ваша сигнализация должна выглядеть примерно так:
Шаг 8. Проверка сигнализации. Проверьте работу сигнализации. При открывании двери оголенный контактный провод должен коснуться фольги на двери, включив тем самым зуммер, который издаст громкий звук. Чтобы проверка была более достоверной, попросите кого-нибудь другого открыть дверь.
Шаг 9. Если сигнализация не работает. Если при открывании двери зуммер не включается, надо попытаться отрегулировать положение контактного провода так, чтобы при открывании двери он точно касался фольги. Если касание происходит правильно, попробуйте заменить батарейку. Если и это не поможет, проверьте соединения проводов разъема батарейки с проводами схемы и, если понадобится, выполните их заново.
