הנדסת חשמל היא כמו שפה זרה. מישהו שולט בזה זמן רב ומושלם, מישהו רק מתחיל להכיר, אבל עבור מישהו זו עדיין מטרה בלתי מושגת, אבל מפתה. מדוע רבים רוצים להכיר את עולם החשמל המסתורי הזה? רק כ-250 שנה אנשים מכירים אותו, אבל היום כבר קשה לדמיין חיים בלי חשמל. להכיר את העולם הזה, ויש יסודות תיאורטיים של הנדסת חשמל (TOE) עבור בובות.
תוֹכֶן
- ההיכרות הראשונה עם החשמל
- יצירת תא אלקטרוכימי
- סוגים ומאפיינים של זרם
- סוגי מוליכים
- רכיבי רדיו משומשים
- אמצעי ביטחון
ההיכרות הראשונה עם החשמל
בסוף המאה ה-18 החל המדען הצרפתי שארל קולומב לחקור באופן פעיל את התופעות החשמליות והמגנטיות של חומרים. הוא זה שגילה את חוק המטען החשמלי, שנקרא על שמו - תליון.
היום ידוע שכל חומר מורכב מאטומים ואלקטרונים המסתובבים סביבם במסלול. עם זאת, בחלק מהחומרים האלקטרונים מוחזקים בחוזקה מאוד על ידי אטומים, בעוד שבאחרים הקשר הזה חלש, מה שמאפשר לאלקטרונים להתנתק בחופשיות מחלק מהאטומים ולהיצמד לאחרים.
כדי להבין מה זה, אתה יכול לדמיין עיר גדולה עם מספר עצום של מכוניות שנעות ללא כללים. מכונות אלו זזות בצורה לא סדירה ואינן יכולות לבצע עבודה מועילה. למרבה המזל, האלקטרונים אינם מתרסקים, אלא קופצים זה מזה כמו כדורים. להפיק תועלת מהפועלים הקטנים האלה
, יש לעמוד בשלושה תנאים:- האטומים של חומר חייבים לתרום באופן חופשי את האלקטרונים שלהם.
- יש להפעיל כוח על החומר הזה, שיגרום לאלקטרונים לנוע בכיוון אחד.
- השרשרת שלאורכה נעים חלקיקים טעונים חייבת להיות סגורה.
קיום שלושת התנאים הללו הוא שעומד בלב הנדסת החשמל למתחילים.
יצירת תא אלקטרוכימי
כל היסודות מורכבים מאטומים. ניתן להשוות אטומים למערכת השמש, רק לכל מערכת יש מספר מסלולים משלה, וניתן לאתר כמה כוכבי לכת (אלקטרונים) בכל מסלול בו-זמנית. ככל שהמסלול רחוק יותר מהגרעין, האלקטרונים במסלול זה חווים פחות משיכה.
המשיכה אינה תלויה במסה של הגרעין, אלא מקוטביות שונה של הגרעין והאלקטרונים. אם לגרעין יש מטען של +10 יחידות, האלקטרונים צריכים להיות גם בסך הכל 10 יחידות, אבל מטען שלילי. אם אלקטרון עוזב את המסלול החיצוני, אז האנרגיה הכוללת של אלקטרונים תהיה כבר -9 יחידות. דוגמה פשוטה להוספת +10 + (-9) = +1. מסתבר שלאטום יש מטען חיובי.
זה קורה גם הפוך: לגרעין יש משיכה חזקה והוא לוכד אלקטרון "זר". ואז מופיע אלקטרון "נוסף", 11 במסלולו החיצוני. אותה דוגמה +10 + (-11) = -1. במקרה זה, האטום יהיה מטען שלילי.
אם מורידים שני חומרים בעלי מטען הפוך לתוך האלקטרוליט ומחברים אליהם דרך מוליך, למשל, נורה, אז יזרום זרם במעגל סגור והאור יידלק. אם המעגל נשבר, למשל, דרך מתג, האור ייכבה.
הזרם החשמלי מתקבל כדלקמן. כאשר האלקטרוליט פועל על אחד החומרים (אלקטרודה), מופיע בו עודף של אלקטרונים, והוא הופך למטען שלילי. האלקטרודה השנייה, להיפך, מוותרת על אלקטרונים תחת פעולת האלקטרוליט והופכת למטען חיובי. כל אלקטרודה מסומנת בהתאמה "+" (עודף אלקטרונים) ו-"-" (חוסר אלקטרונים).
למרות שהאלקטרונים טעונים שלילי, האלקטרודה מסמנת "+". מקור הבלבול הזה בימיה הראשונים של הנדסת החשמל. באותה תקופה, האמינו שהעברת מטען מתרחשת עם חלקיקים חיוביים. מאז נערכו תוכניות רבות, וכדי לא לשנות אותן השאירו הכל כמו שהוא.
בתאים גלווניים, זרם חשמלי נוצר על ידי תגובה כימית. השילוב של מספר אלמנטים נקרא סוללה, כלל כזה ניתן למצוא בהנדסת חשמל עבור "דומים". אם התהליך ההפוך אפשרי, כאשר אנרגיה כימית מצטברת באלמנט תחת פעולת זרם חשמלי, אז אלמנט כזה נקרא סוללה.
התא הגלווני הומצא על ידי אלסנדרו וולטה בשנת 1800. הוא השתמש בלוחות נחושת ואבץ טבולים בתמיסת מלח. זה הפך לאב-טיפוס של מצברים וסוללות מודרניים.
סוגים ומאפיינים של זרם
לאחר קבלת החשמל הראשון עלה הרעיון להעביר את האנרגיה הזו למרחק מסוים, וכאן עלו קשיים. מסתבר שאלקטרונים, העוברים דרך מוליך, מאבדים חלק מהאנרגיה שלהם, וככל שהמוליך ארוך יותר, כך ההפסדים הללו גדלים. בשנת 1826 קבע גיאורג אוהם חוק העוקב אחר הקשר בין מתח, זרם והתנגדות. הוא כתוב כך: U = RI. במילים, מסתבר: המתח שווה למכפלת חוזק הזרם וההתנגדות של המוליך.
מהמשוואה ניתן לראות שככל שהמוליך ארוך יותר, מה שמגביר את ההתנגדות, כך יפחת הזרם והמתח, לכן ההספק יקטן. אי אפשר לבטל התנגדות, בשביל זה יש צורך להוריד את הטמפרטורה של המוליך לאפס מוחלט, וזה אפשרי רק בתנאי מעבדה. הזרם הכרחי להספק, אז גם אתה לא יכול לגעת בו, אתה רק צריך להגביר את המתח.
בשלהי המאה ה-19 זו הייתה בעיה בלתי פתירה. ואכן, באותה תקופה לא היו תחנות כוח שייצרו זרם חילופין, לא היו שנאים. לכן, מהנדסים ומדענים הפנו את מבטם לרדיו, עם זאת, זה היה שונה מאוד מאלחוט מודרני. ממשלת מדינות שונות לא ראתה את היתרונות של התפתחויות אלה ולא נתנה חסות לפרויקטים כאלה.
כדי להיות מסוגל לשנות את המתח, להגדיל או להקטין אותו, יש צורך בזרם חילופין. איך זה עובד ניתן לראות מהדוגמה הבאה. אם החוט מגולגל לתוך סליל ומגנט מועבר במהירות בתוכו, אז יופיע זרם חילופין בסליל. ניתן לאמת זאת על ידי חיבור מד מתח עם סימן אפס באמצע לקצוות הסליל. החץ של המכשיר יסטה שמאלה וימינה, זה יצביע על כך שהאלקטרונים נעים בכיוון אחד, ואז בכיוון השני.
שיטה זו לייצור חשמל נקראת אינדוקציה מגנטית. הוא משמש, למשל, בגנרטורים ושנאים, קליטה ושינוי זרם. בצורתו זרם חילופין יכול להיות:
- סינוסואיד;
- דַחַף;
- התיישר.
סוגי מוליכים
הדבר הראשון שמשפיע על הזרם החשמלי הוא מוליכות החומר. מוליכות זו שונה עבור חומרים שונים. ניתן לחלק באופן קונבנציונלי את כל החומרים לשלושה סוגים:
- מנצח;
- מוֹלִיך לְמֶחֱצָה;
- דיאלקטרי.
כל חומר שמעביר זרם חשמלי בחופשיות דרכו יכול להיות מוליך. אלה כוללים חומרים קשים כגון מתכת או חצי מתכת (גרפיט). נוזל - כספית, מתכות מותכות, אלקטרוליטים. זה כולל גם גזים מיוננים.
על סמך זה, מוליכים מחולקים לשני סוגי מוליכות:
- אֶלֶקטרוֹנִי;
- יונית.
הולכה אלקטרונית כוללת את כל החומרים והחומרים שבהם משתמשים באלקטרונים ליצירת זרם חשמלי. יסודות אלה כוללים מתכות ומתכות למחצה. מוליכה היטב זרם ופחמן.
במוליכות יונית, תפקיד זה ממלא חלקיק בעל מטען חיובי או שלילי. יון הוא חלקיק עם אלקטרון חסר או נוסף. חלק מהיונים אינם מתנגדים מללכוד אלקטרון "מיותר", בעוד שאחרים אינם מעריכים אלקטרונים ולכן נותנים אותם בחופשיות.
בהתאם לכך, חלקיקים כאלה יכולים להיות בעלי מטען שלילי וחיובי. דוגמה לכך היא מים מלוחים. החומר העיקרי הוא מים מזוקקים, שהם מבודד ואינם מוליכים חשמל. כאשר מוסיפים מלח, הוא הופך לאלקטרוליט, כלומר, מוליך.
מוליכים למחצה בדרך כלל אינם מוליכים זרם, אך בהשפעות חיצוניות (טמפרטורה, לחץ, אור וכו'), הם מתחילים להעביר זרם, אם כי לא כמו מוליכים.
כל שאר החומרים שאינם כלולים בשני הסוגים הראשונים שייכים לדיאלקטריים או מבודדים. בתנאים רגילים, הם למעשה אינם מוליכים זרם חשמלי. זה נובע מהעובדה שבמסלול החיצוני האלקטרונים מוחזקים מאוד במקומותיהם, ואין מקום לאלקטרונים אחרים.
רכיבי רדיו משומשים
כאשר לומדים חשמל עבור "דומים", אתה צריך לזכור כי כל סוגי החומרים הרשומים בעבר משמשים. מוליכים משמשים בעיקר לחיבור רכיבי מעגל (כולל מיקרו-מעגלים). הם יכולים לחבר מקור חשמל לעומס (זהו, למשל, כבל ממקרר, חיווט חשמלי וכו'). הם משמשים לייצור סלילים, אשר, בתורם, יכולים לשמש ללא שינוי, למשל, על מעגלים מודפסים או בשנאים, גנרטורים, מנועים חשמליים וכו '.
המנצחים הם הרבים והמגוונים ביותר. כמעט כל רכיבי הרדיו עשויים מהם. כדי להשיג וריסטו, למשל, ניתן להשתמש במוליך למחצה בודד (סיליקון קרביד או תחמוצת אבץ). ישנם חלקים הכוללים מוליכים מסוגים שונים של מוליכות, למשל, דיודות, דיודות זנר, טרנזיסטורים.
Bimetals תופסים נישה מיוחדת. זהו שילוב של שתי מתכות או יותר, שיש להם דרגות שונות של התרחבות. כאשר חלק כזה מחומם, הוא מתעוות עקב התרחבות באחוזים שונים. הוא משמש בדרך כלל בהגנה מפני זרם יתר, למשל, כדי להגן על מנוע חשמלי מפני התחממות יתר או כדי לכבות את המכשיר כאשר מגיעים לטמפרטורה מוגדרת מראש, כמו במגהץ.
דיאלקטריים מבצעים בעיקר פונקציית הגנה (לדוגמה, ידיות הבידוד של כלי עבודה חשמליים). הם גם מאפשרים לך לבודד את האלמנטים של המעגל החשמלי. המעגל המודפס עליו מותקנים רכיבי הרדיו עשוי דיאלקטרי. חוטי הסליל מצופים בלכה מבודדת למניעת קצרים בין הסיבובים.
אמצעי ביטחון
עם זאת, הדיאלקטרי הופך למוליך למחצה כאשר מתווסף מוליך ויכול להוליך זרם. אותו אוויר הופך למוליך במהלך סופת רעמים. עץ יבש לא מוליך חשמל טוב, אבל אם הוא נרטב, הוא כבר לא יהיה בטוח.
זרם חשמלי ממלא תפקיד עצום בחייו של אדם מודרני, אך מצד שני, זה יכול להיות קטלני. קשה מאוד לזהות אותו, למשל, בחוט השוכב על הקרקע, זה דורש מכשירים וידע מיוחדים. לכן, יש לנקוט בזהירות רבה בשימוש במכשירי חשמל.
גוף האדם הוא בעיקר מיםאבל זה לא מים מזוקקים, שהם דיאלקטרי. לכן, עבור חשמל, הגוף הופך כמעט מוליך. כאשר מקבלים התחשמלות, השרירים מתכווצים, מה שעלול להוביל לדום לב ואי ספיקת נשימה. עם הפעולה הנוספת של הזרם, הדם מתחיל לרתוח, ואז הגוף מתייבש ולבסוף, הפחממות של הרקמות. הדבר הראשון שצריך לעשות הוא להפסיק את הזרם, במידת הצורך, לספק עזרה ראשונה ולהזעיק את הרופאים.
בטבע נוצר מתח סטטי, אך לרוב הוא אינו מהווה סכנה לבני אדם, למעט ברק. אבל זה יכול להיות מסוכן למעגלים או חלקים אלקטרוניים. לכן, כאשר עובדים עם מיקרו-מעגלים וטרנזיסטורים עם אפקט שדה, משתמשים בצמידים מוארקים.
