Урок радіоелектроніки 1
ЩО ТАКЕ РАДІОЕЛЕКТРОНІКА І ЩО звідки взялися?
Мета даного уроку: дати уявлення про електроніці як науці - галузі, яка як раніше, так і зараз заповнює свою нішу практично в усіх галузях народного господарства, освіті і техніки. У цьому ж уроці ви отримаєте уявлення про будову речовини і електрично заряджених частинках. Так само, ми торкнемося будови атома, поняття електрики і електризації тіл. В кінці уроку буде невелика практична робота.
І так, все населення земної кулі можна умовно розділити на дві групи: що мають «хобі» і не мають «хобі». Це слово, яке прийшло порівняно давно в українську мову (від англійського hobby), перекладається як «улюблене заняття, захоплення. Хобі бувають найрізноманітнішими. Це - всілякі види колекціонування; рибна ловля; спорт; туризм; вивчення іноземних мов; аматорське конструювання і багато, багато іншого. І все-таки є таке захоплення, яке дозволяє поєднувати воєдино різні напрямки «хобі», приділяючи або всім їм однакову увагу, або займаючись переважно якимось одним видом. Це захоплення - не тільки спосіб цікавого проведення дозвілля. Воно дозволяє придбати цінні практичні навички і знання в області електро- і радіотехніки, ім'я цього захоплення - радіоаматорство. Радіоаматорством займаються сотні тисяч людей в світі. Наймолодшим представникам армії радіоаматорів менше десяти років, найстаршим - більше вісімдесяти. Чим же приваблює радіоаматорство численну армію стіл не схожих один з одним людей? Тим, що, як уже говорилося, радіоаматорство різноманітне, і кожен знаходить в ньому щось найбільш для себе привабливе. Ви любите майструвати, конструювати? Радіоаматори, як правило, самі конструюють свої електронні пристрої, створюючи часом конструкції, які не поступаються кращим промисловим зразкам.
Що таке радіотехніка, радіоелектроніка та радіоаматорство ми розібралися, приступимо до детального вивчення предмета.
Теми всіляких дослідів і відкриттів, ми звичайно ще торкнемося в наступних уроках, а зараз хотілося б відразу зупинити Вашу увагу на техніці електробезпеки (ТБ), так як ми будемо мати справу з електричним струмом, а це небезпечно для Вашого здоров'я. Це звичайно не найцікавіший розділ, але здоров'я все ж понад усе. Так само в цьому розділі уроків я розповім, які інструменти, прилади та матеріали нам знадобляться для успішного освоєння радіоелектроніки і безпосередньо практичного боку наших занять. Тож почнемо.
БУДОВА РЕЧОВИНИ, атома
Мудрейшему з мислителів стародавньої Греції Фалесу, що жив більше двох тисячоліть тому, легенда присвоює відкриття електричних явищ. Ще в ті часи в околицях старогрецького міста Магнезія люди знаходили на березі моря камінчики, що притягають дрібні металеві предмети. На ім'я цього міста їх назвали магнітами. Фалес знаходив і інші не менш таємничі, гарні й легкі камінчики. Вони не притягували металевих предметів, але якщо їх натерти вовняною ганчіркою, то до них прилипали пушинки, легкі шматочки сухого дерева, трави. Це бурштин. Стародавні греки бурштин називали електроном. Звідси і утворилося слово електрику.
Електризацію тіл тертям можна спостерігати, натираючи пластмасову гребінець шерстяною ганчірочкою і піднести до дрібних шматочках тонкого паперу: вони миттєво кинуться до електризуватися гребінці. Волосся теж притягуються до гребінця, а іноді з'являються навіть мініатюрні іскри, мікро - розряди. Хоча це і виглядає як фокус, нічого загадкового тут немає: натерті шерстю бурштин, пластмаса, скло набувають електричний заряд, завдяки якому вони як магніт, притягують шматочки паперу, волосинки. Але ні давні греки, ні інші мислителі і філософи впродовж багатьох століть не могли пояснити це властивість бурштину.
В середині XVII ст. в Голландії, в Лейденському університеті, вчені знайшли спосіб накопичення електричних зарядів. Таким накопичувачем електрики була «лейденська банку» (за назвою університету) скляну посудину, стінки якого зовні і зсередини обклеєні свинцевою фольгою. Лейденська банку, підключена обкладинками до електричної машині, могла накопичувати і довго зберігати значну кількість електрики. Якщо її обкладки з'єднували відрізком товстого дроту, то в місці замикання проскакувала сильна іскра і накопичений електричний заряд миттєво зникав. Якщо ж обкладки зарядженого приладу сполучали тонким дротом, вона швидко нагрівалася, спалахувала і плавився, тобто перегорала, як ми часто говоримо зараз. Висновок міг бути один: по дроті тече електричний струм, джерелом якого є електрично заряджена лейденська банку.
Зараз подібні прилади ми називаємо електричними конденсаторами (слово «конденсатор» означає «згущувач»), а їх не з'єднуються між собою смужки фольги обкладинками конденсаторів. Більш досконалий, а головне майже безперервний джерело електричного струму винайшов в кінці XVIII в. італійський фізик Олександр Вольта. Між невеликими дисками з міді і цинку він поміщав суконку, змочену розчином кислоти. Поки прокладка волога між дисками і розчином відбувається хімічна реакція, яка створює в провіднику, що сполучає диски, слабкий електричний струм. Поєднуючи пари дисків в батарею, можна було отримувати вже значний електричний струм. Такі батареї назвали «вольтовими стовпами». Вони-то і стали початком електротехніці.
Подібний джерело струму ми називаємо гальванічним елементом по імені Луїджі Гальвані, що відкрив явище електричного струму, а з'єднані паралельно або послідовно елементи - батареями гальванічних елементів. Практика показала, що існують два види електрики. Один з них, відповідний електричномузаряду мідної пластини, стали умовно вважати позитивним, а другий, відповідний заряду цинкової пластини негативним. Відповідно до цього першу пластину - полюс джерела струму стали називати позитивним і позначати знаком «+», а другий полюс - негативним і позначати знаком «-». Умовно стали також вважати, що струм тече від позитивного до негативного полюса елементу або батареї. Тут я змушений забігти трохи вперед, щоб відповісти на питання, який, ймовірно, у вас вже виник: що таке електричний струм?
Електричний струм - це впорядкований рух електричних зарядів. Щоб розібратися в цьому явищі природи, нам доведеться подумки проникнути в мікросвіт речовини.
Речовиною, або матерією, називають все те, з чого складаються всі існуючі в природі предмети, тіла: тверді, рідкі, газоподібні. Всі вони утворюються з атомів. Атоми дуже малі. Одиниця довжини міліметр абсолютно непридатна для їх вимірювання, так як вона занадто велика. Не годиться для таких вимірів ні тисячна частка міліметра - мікрон, ні миллимикрон, який в тисячу разів менше мікрона. Підходить тільки десята частка миллимикрон. Діаметр атомів різних речовин становить від 0,1 до 0,4 нм (10
10 м = 0,1 нм). Іншими словами, на ділянці довжиною 1 см можуть вільно розміститися від 25 до 100 млн. Атомів. Раніше припускали, що атом - найдрібніша неподільна частка речовини. Слово «атом» і означає «неподільний». Але згодом вчені дізналися, що і атом складається з більш дрібних частинок. У центрі атома будь-якої речовини знаходиться ядро, розміри якого приблизно в 100 тис. Разів менше розмірів самого атома. А потім виявилося, що і ядро складається з ще більш дрібних частинок, які були названі протонами і нейтронами. В даний час вчені успішно руйнують, або, як кажуть, розщеплюють ядра атомів і отримують величезну приховану в них енергію - атомну. На атомних електростанціях ця енергія перетворюється в енергію електричного струму. Атомна енергія приводить в рух морські кораблі, наприклад криголами, підводні човни і т.д. Атом можна уявити як світ мікроскопічних часток, що обертаються навколо своєї осі і одна навколо іншої. А в центрі цього мікросвіту знаходиться щільне, масивне ядро, навколо якого звертаються у багато разів ще дрібніші, ніж ядро, частки електрони. Електрони утворюють оболонку атома.
Які розміри електронів? Надзвичайно малі. Якщо шпилькову головку подумки збільшити до розміру нашої планети Землі, то при цьому кожен атом металу, з якого зроблена шпилька, збільшився б до розміру кулі діаметром 1 м. І ось в центрі такого фантастично збільшеного атома ми побачили б його ядро - кулька розміром в друкарську точку, навколо якого оберталися б ледве помітні порошинки - електрони.
Якщо ти захочеш дізнатися розміри електрона, роздягли число 3 на одиницю з 12 нулями. Отримаєш приблизний діаметр електрона, виражений в міліметрах. Електрони часто називають «частинками». Однак це не слід розуміти в тому сенсі, що електрон є щось на кшталт твердого грудочки або кульки. За сучасними уявленнями електрони можна уподібнити хмарки, оточуючим атомне ядро і звертаються навколо нього. Електрон як би «розмазаний» по оболонці атома. Однак для наочності пояснення фізичних явищ природи електрони часто умовно, як би символічно, зображують на малюнках у вигляді кульок, що обертаються навколо атомного ядра подібно штучним супутникам навколо Землі.
Орбіти електронів зображені в одній площині.
Я думаю що цей малюнок вам повинен що то нагадати. Хто здогадався молодці, хто немає підкажу що це як раз і є логотип моєї сторінки для початківців. Тепер ви розумієте чому був обраний саме такий логотип. Він досить символічний. Продовжимо.
Ви, звичайно, не раз бавилися магнітиками. Адже тільки існуванням невидимого магнітного поля, що пронизує простір навколо його полюсів, можна пояснити явище притягання їм залізних предметів. Завдяки цьому полю можна, наприклад, змусити цвях триматися на столі вертикально, не торкаючись його магнітом. А якщо спробувати з'єднати два магніти однойменними полюсами? Вони будуть відштовхуватися! А різнойменними? В цьому випадку полюси магнітів притягнуться і пристане один до одного. Подібним чином поводяться і електричні заряди: однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються. Поексперементіруйте з магнітами, так би мовити закріпіть знання на досвіді.
Якщо електрони мають - заряд, протилежний за знаком заряду протонів, значить, між ними в атомі весь час діють електричні сили, які утримують електрони біля свого ядра. «А чому електрони не падають на ядро?» - запитаєте ви. Тому, що вони обертаються навколо ядра з величезною швидкістю. Чи не падає ж на Землю Місяць, хоча Земля і притягує свого вічного супутника. Оскільки в атомі сумарний негативний заряд всіх електронів дорівнює сумарному позитивному заряду всіх протонів, атом зовні не проявляє ніяких електричних властивостей. Кажуть, що такий атом електрично нейтральний. Це внутрішньоатомний властивість можна порівняти з таким явищем: якщо на дві чашки ваг покласти по однаковому числу копійчаних монет, ваги будуть в рівновазі. Валентні електрони, що знаходяться на найбільшій відстані від ядра, утримуються ядром слабше, ніж ближчі до нього. При різних зовнішніх впливах, наприклад при нагріванні, натирання або під впливом світла, валентні електрони деяких речовин можуть залишати свої атоми і навіть межі тіла, в які вони входили. Такі електрони, які покинули свої атоми, називають вільними. А що ж відбувається з атомом, що втратив один або кілька електронів? Його внутрішнє електричне рівновагу порушується. У ньому починає переважати позитивний заряд ядра і атом в цілому стає позитивним. Такий атом називають позитивним іоном. У цьому випадку він, як і магніт, прагне притягнути до себе опинилися поблизу вільні електрони або «відібрати» їх у сусідніх атомів, щоб заповнити втрату і знову стати електрично нейтральним. А якщо в електронній оболонці атома з'явиться зайвий електрон? Такий атом проявлятиме властивості негативного заряду. Це буде вже негативний іон. При першій же нагоді він виштовхне зайвий електрон, щоб знову стати електрично нейтральним. «Родинні» атоми або атоми різних хімічних елементів, з'єднуючись, утворюють молекули. У такій молекулі обидва електрони рухаються навколо двох атомних ядер. Тут вже не можна розрізнити, який з електронів якому з двох атомів належить. Якщо ж два атома водню з'єднати з одним атомом кисню, то вийде молекула води. Всі тіла будуються на основі молекул. Папір, наприклад, «зіткана» з молекул клітковини, в які входять атоми водню, кисню і вуглецю. Молекула. як і атом, електрично нейтральна, якщо загальне число електронів в ній дорівнює загальній кількості протонів, що знаходяться в її атомних ядрах. Якщо число електронів в молекулі буде менше числа протонів, то молекула буде нести позитивний заряд, а якщо більше числа протонів негативний заряд. Якщо перенести яким - небудь чином частину електронів з атомів або молекул одного тіла в інше, то і навколо цих тіл і в просторі між ними виникнуть електричні сили, або, як кажуть, створиться електричне поле.
Ось вам і розгадка «секрету» гребінця, натертої вовняною ганчіркою або шовком! При терті об вовну гребінець віддає їй частину електричних зарядів, в результаті чого сама електризується. Навколо наелектризованої гребінця виникає електричне поле, внаслідок чого вона і набуває здатність притягувати легкі предмети. Електричне поле діє і між двома частинами одного і того ж тіла, наприклад, в шматку металу, якщо в одній частині його є надлишок електронів, а в іншій - недолік. Виникають умови для переміщення надлишкових електронів до тієї частини тіла, де їх бракує.
Електричний заряд одного електрона нікчемно малий. Але якщо електронів багато і якщо можна змусити їх рухатися усередині тіла в одну сторону, утворюючи потік негативних зарядів, вийде те, що було вище сказано електричним струмом.
Ось і все, що в цьому уроці вам необхідно освоїти. Урок звичайно вийшов досить містким, але зате практична частина дуже легка. З цього уроку потрібно запам'ятати основні поняття (електротехніка, електроніка) та визначення (будови речовини і атома). Все про що було розказано в цьому уроці, ви неодноразово будете згадувати і стикатися, тому якщо вирешілі присвятити себе радіоелектроніки постарайтеся вникнути в суть сказаного.
Перша ваша практична робота, буде полягати в повторенні дослідів з електризації тіл і явищем магнетизму (магнітами), які описані в цьому уроці. Як ви самі здогадалися для цього нам знадобитися гребінець, дрібно - нарізані шматочки паперу і два магнітика. І далі слідуючи уроку, починайте свої експерименти. І ще запам'ятайте одну мудру фразу: "теорія без практики мертва", а по відношенню до радіоелектроніки це взагалі є залізним правилом, тут як ніде експерименти дуже важливі.
Переходимо до наступного уроку!