Дайте угадаю: вы в детстве заворожённо рассматривали печатные платы? Вам было любопытно узнать, как работает этот мини-город из разноцветных деталек? Возможно, у вас был опыт сборки электронных схем по книгам Борисова и Свореня? Советский сорокаваттный паяльник, кусочек канифоли в спичечном коробке? А ещё штаны с намертво влипшей в ткань каплей припоя?
Современные программные средства иллюстрируют процессы, происходящие в электрических цепях, с недосягаемыми для радиолюбителей недавнего прошлого наглядностью и интерактивностью. Они визуализируют протекающие по схеме токи и показывают напряжения в её различных частях. Это снижает порог понимания для людей, которым сложно даются абстрактные знания и язык формул.
Краткое содержание
Вначале я расскажу о том, что люди не имеют интуитивного понимания электричества, потому что нас с детства окружают явления преимущественно механического характера. Затем — кратко об электрическом заряде, электрическом токе, напряжении, электродвижущей силе и мощности. А потом — об основах работы в бесплатном браузерном симуляторе CircuitJS. Мы вместе соберём учебную цепь и подключим виртуальные «осциллографы» и наглядно убедимся в том, как симулятор упрощает изучение электроники.
Электроника — это непросто
Однажды я разговаривал с дядей, стоя у его разобранного сварочного аппарата. Он посетовал на то, что механическую часть устройства ему было намного проще починить, чем электронную, потому что «в механике всё и так понятно, её глазами видно». Эта фраза врезалась мне в память, так как иллюстрировала трудность восприятия электрических процессов, поскольку они недоступны к познанию в наглядном виде.
Человек вырастает и развивается в мире, полном механических явлений. Падение предметов на пол, качение цилиндрических и сферических тел по наклонной поверхности, течение жидкостей и газов — эти явления наполняют нашу повседневность и доступны нам с самого раннего детства как наблюдение или эксперимент. Наверняка вы вспомните множество историй, как бросали кирпичи в воду или пытались скатить покрышку с холма, как плавили свинец и делали стрелы и лук из веток. Наш опыт взаимодействия с миром как бы пропитывает мозг и на интуитивном уровне формирует «физический движок» в нём. Нам несложно представить свойства предметов вроде плотности (свинцовое грузило и пенопластовый поплавок), упругости (колеблющаяся зажатая линейка), пластичности (пластилин или алюминиевая проволока) и т. п. Однако в физике электрических процессов интуитивный опыт — ложный друг. Микромир и его законы отличаются от привычного нам мира макроскопических предметов. Аналогии могут запутать или дать обманчивое, превратное понимание.
Мне кажется удачным термин «физика брошенного камня», услышанный мною в одной из лекций физика Алексея Семихатова. Мы на интуитивном уровне понимаем физические явления, происходящие с брошенным камнем, и без труда можем спрогнозировать его полёт, представить энергию, запасённую в движении, поведение камня при рикошете от упругой деревянной стены или его увязание в мягкой почве. Однако у нас нет этой натренированности в оценке электричества. Провод под напряжением выглядит точно так же, как заземлённый. Мы не ощущаем магнитное поле и не сможем узнать, включён ли электромагнит. Мы не можем без приборов понять, протекает ли электрический ток по проводу.
Электричество — это сложная для понимания тема. Мы эволюционировали в мире, в котором для непосредственного (эмпирического) познания доступны явления в основном из области механики. Электрические и магнитные явления выглядят как магия.
Часть первая. Базовые понятия электроники
Давайте кратко освежим знания об основах электрических явлений и величин. Я думаю, в данном разделе не будет ошибкой обратиться к гидравлической аналогии. Так же сделано в книге Рудольфа Свореня «Электричество шаг за шагом», заслуженно любимой многими читателями.
▍ Заряд
Эта физическая величина есть «количество электричества» и выражается в числе элементарных частиц-переносчиков заряда. Единица измерения заряда носит название кулон (6.24E18 электронов).
Заряд может принимать как отрицательное, так и положительное значение. Носители — отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны — имеют самую малую порцию заряда. Элементарные заряды внутри физических тел могут суммироваться или нейтрализовывать друг друга. Так происходит в природе в процессе электростатического заряда макрообъектов.
В электрически нейтральных телах разделение зарядов можно вызвать механическим трением, в прямом смысле слова отрывая электроны с внешних орбиталей атомов и перенося в другое вещество. (Удивителен и прекрасен мир физики! Знайте: шаркая тапками по полу, вы вырываете электроны из вещества на атомарном уровне! И при этом заряжаетесь :)
Подвижными носителями заряда в металлах являются электроны. Они самостоятельно отделяются от внешних орбиталей атомов и образуют в толще вещества так называемый электронный газ. Атомы, содержащие в составе ядра положительные протоны, напротив, удерживаются в кристаллической решётке и не принимают участия в токе.
В гидравлической аналогии эквивалентом заряда будет количество жидкости. Представим ведро, содержащее некоторый объём жидкости. В «электрическом мире» оно будет аналогом обкладки конденсатора, удерживающей в себе заряд. На анимации показан процесс разрядки конденсатора с ограничением тока при помощи резистора. Его роль выполняет отрезок трубки.
Как ведро может быть опрокинуто в короткий промежуток времени целиком, так и конденсатор может почти мгновенно отдать заряд.
UPD1: В комментариях NickDoom дополнил предложением заменить аналогию конденсатора с ведра на ёмкость, разделённую упругой перегородкой. Нагрузкой (элементом, ограничивающим ток) выступает условная водяная вертушка, имеющая некоторое сопротивление вращению на своей оси.
▍ Электрический ток
Направленное движение частиц-переносчиков заряда называют электрическим током.
В начале 19-го века, когда физика элементарных частиц ещё не была развита, исследователи условились считать, что ток протекает от положительного полюса к отрицательному. В действительности в металлах «электронный газ» движется от минусового полюса в сторону плюсового. Но условное направление (от плюса к минусу) прижилось и повсеместно применяется в электронике, электротехнике и на принципиальных схемах.
В проводящих жидкостях в течении тока участвуют носители заряда обеих полярностей, двигаясь в противоположных направлениях. Помните об этом, когда будете разбираться с работой вакуумных ламп и полупроводниковых приборов, потому что для понимания их принципов работы нужно учитывать действительное направление движения электронов.
Давайте посмотрим на анимацию. Интуитивно понятно направление и величина силы тока, протекающего через три резистора.
Гидравлический аналог постоянного тока в проводнике — направленный поток жидкости по трубе. Количество жидкости, протекающее в единицу времени, соответствует электрическому заряду. Легко понять, как связан ток со временем и зарядом, если представить способность нашей воображаемой трубы наполнять условное мерное ведро: чем быстрее оно наполняется, тем больше ток.
Необходимо отметить важное отличие гидравлической аналогии со шлангами от электрических проводников. Разрубленный шланг, из которого свободно изливается поток, является аналогом короткого замыкания. Разрыв проводника в электрической цепи — это полностью пережатый шланг, в котором поток остановлен участком с бесконечно большим сопротивлением.
Электрический ток во всех участках цепи (без разветвлений) одинаков. На этом свойстве основан точный способ передачи аналогового сигнала — токовая петля. Он применяется в промышленности и авиации из-за простоты, надёжности и помехозащищённости. Представьте, что через длинный кабель протекает изменяющийся ток, который мы можем точно измерить и задать. Он будет одинаковым в любой точке токовой петли.
Единица измерения тока — ампер. Один ампер — это ток, при котором через сечение проводника протекает один кулон заряда в секунду.
Токовым датчиком может выступать обыкновенный резистор.
▍ Сопротивление
Это физическая величина, показывающая способность проводить электрический ток. Если быть точным, сопротивление — это величина, обратная проводимости. На практике нам чаще важно знать, насколько участок цепи «сопротивляется» прохождению по нему тока.
Гидравлический аналог резистора — форсунка или частично приоткрытый трубопроводный кран, который ограничивает поток воды струйкой, не позволяет хлестать неукротимой мощью напрямую из «источника питания», что было бы равнозначно короткому замыканию.
Наверняка вы знаете, что единица измерения сопротивления носит название ом. Один ом — сравнительно небольшая величина. Например, обмотка звуковоспроизводящей головки, выполненная из меди, может иметь сопротивление всего в несколько ом. А бóльшая часть резисторов, применяемых в радиоэлектронике, имеют сопротивление в сотни и тысячи ом.
▍ Напряжение
При прохождении тока через резистор на нём падает напряжение. Также будет верно сказать, что при прохождении тока через резистор на нём появляется напряжение. Это звучит противоречиво, но парадокс лишь кажущийся и возникает из-за относительности измерения напряжения. С точки зрения последующих участков цепи напряжение там падает, а с точки зрения самого резистора оно на нём появляется. Это похоже на комиссию денег при переводе: сумма перевода уменьшается, но её часть появляется у системы, производящей перевод.
Представьте, как повышается напор в садовом шланге, если выход из него частично закрыть пальцем (создать сопротивление току жидкости). Если при этом в шланге проделать обходной путь, из него начнёт истекать часть общего потока. В гидравлической аналогии напряжение схоже с давлением.
На принципиальной схеме это можно изобразить так:
Схема, изображённая в анимации, называется делителем тока. Обе схемы электрически эквивалентны, но представлены немного по-разному.
Важное замечание, о котором обязательно нужно сказать. Напряжение измеряется между двумя точками схемы и это относительная величина. Взгляните на иллюстрацию.
Показаны три одинаковых простых цепи, состоящих из источника тока и двух последовательно включённых резисторов одинакового сопротивления. В трёх цепях протекают токи одинаковой величины. Схемы отличаются друг от друга местами, принятыми за точку нулевого потенциала. В симуляторе можно подключить значок заземления и тем самым явно указать точку отсчёта (с нулевым потенциалом).
По умолчанию в симуляторе зелёным цветом отображается положительный потенциал, а красным — отрицательный. Серый цвет означает ноль. Если вы хотите повторить эту схему в реальности, то местом с нулевым потенциалом будет то, к которому вы подключите чёрный щуп мультиметра.
▍ Электродвижущая сила (ЭДС)
Несмотря на содержащееся в названии слово «сила», эта физическая величина измеряется, как и напряжение, в вольтах и выражает работу сторонних сил неэлектрической природы. Эти силы как бы растаскивают заряд внутри источника питания и концентрируют его на клеммах, работая против электрических сил. Без ЭДС заряженные частицы из взаимного отталкивания распределятся по цепи равномерно.
Неэлектрические силы встречаются нам в виде химических процессов, происходящих внутри аккумуляторов и батареек. Этот класс элементов питания так и называется — химические источники тока (ХИТ).
К неэлектрическим силам также относится фотоэффект, происходящий внутри солнечных панелей, трансформирующий лучистую энергию в электрическую.
Ещё один распространённый способ создать ЭДС — механически заставить изменяться магнитное поле. Раскручивая ротор генератора с закреплёнными постоянными магнитами, мы создаём движущееся магнитное поле. Оно как бы гонит электроны по обмоткам генератора, подобно перистальтическому насосу.
Источником механической энергии может быть ветер, вращающий лопасти, поток воды в гидромашине внутри плотины, энергия сгорания топлива в двигателе или даже усилие мышц человека.
▍ Мощность
Эта физическая величина характеризует скорость передачи или преобразования энергии в электрической цепи. Мощность в электрической цепи выражает работу, совершающуюся в единицу времени. Единица измерения мощности — ватт. В детстве меня удивила информация из книги о радиоэлектронике о том, что ток, текущий в лампочке карманного фонарика, примерно равен току, протекающему во многократно более яркой и горячей лампе в люстре. И только сейчас я смог осознать и наглядно объяснить, как это вообще возможно. Давайте сначала взглянем на схему.
Слева — цепь, питающая миниатюрную лампочку. Справа — упрощённая схема электрической цепи люстры с одной лампочкой на 35 ватт. Действительно, токи сопоставимы, но как такое может быть?
А вот как. Представьте нить накала лампы из люстры как гирлянду из примерно сотни маломощных лампочек из фонарика. Источнику ЭДС приходится «пропихивать» тот же ток через многократно большее сопротивление всей гирлянды. И если мы измерим напряжения на каждой из ламп (непосредственно на её выводах), то получим напряжение как у лампочки, питающейся от батарейки.
В цепи, в которой источник ЭДС имеет значение 1 вольт, а нагрузка (резистор, на котором выделяется мощность в виде тепла) имеет сопротивление 1 ом, будет протекать ток величиной в 1 ампер. В симуляторе, о котором я вам расскажу, есть режим подсветки выделяющейся мощности в виде тепловой энергии.
Вторая часть. Симулятор
Об авторе симулятора мне известно немного. Из поиска в интернете мне удалось узнать, что его зовут Paul Falstad, он занимается физикой, живёт в США в г. Санта-Барбаре и ему около 50 лет.
Симулятор доступен по двум ссылкам (на случай хабраэффекта):
Проект живой и постоянно развивается, разработчики добавляют новые элементы и фиксят баги. Имеетcя репозиторий на Гитхабе. Интерфейс отлично переведён на русский.
Основы работы с CircuitJS
▍ Знакомство с интерфейсом
Этот сайт, наверное, самый посещаемый мной после Хабра — мне искренне нравятся лаконичность и минимализм UI. В нём почти всё сделано так, что понятно без чтения справки. Вверху имеется меню, оно хорошо структурировано и похоже на классические меню десктопных приложений.
Справа видна панель настроек с двумя кнопками: «START/stop» — запуск и остановка симуляции, «Reset» — сброс всех параметров на установленное значение. Настройки элементов схемы позволяют задавать им некоторые параметры по умолчанию, например, заряд в конденсаторах, который будет присутствовать в них в стартовый момент.
В самом низу имеется пространство, которое занимают «осциллографы», добавляемые в схему. Их можно располагать рядом в виде колонок или друг на друге как строки либо склеивать в один.
▍ Контекстное меню. Шорткаты. Пробел
Добавлять элементы можно через верхнее меню и пункт «Рисовать» либо через контекстное меню (правый клик мыши).
Предлагаю начать изучение с рисования простой схемы, состоящей из батарейки, выключателя, светодиода и резистора. Для этого нужно зайти в пункт «Схемы» и выбрать в самом низу списка «Пустая схема».
Далее рисуем необходимые детали. Рядом с элементами указаны их клавиатурные сокращения. Советую выучить самые распространённые: r (resistor), w (wire, провод), v (источник питания c двумя полюсами) и g (ground, заземление). Со временем вы запомните и остальные, и рисование схем ускорится многократно.
Также в симуляторе есть дефолтный режим перетаскивания и выделения рамкой, который включается пробелом. Некоторые элементы, вроде потенциометров, трансформаторов и транзисторов, можно поворачивать, двигая их за выводы с зажатой клавишей Ctrl. Однако этот способ реализован кривовато, и поведение элементов не всегда очевидно. Например, у некоторых элементов с его помощью удлиняются выводы или меняется ширина между ними. Этот режим я обнаружил случайно. Поэкспериментируйте с ним, чтобы лучше понять, как он работает.
▍ Источники питания и их настройки. Заземление
Добавьте в схему двухполюсный источник постоянного напряжения (v), зайдите в его настройки через контекстное меню и укажите напряжение 5 вольт. Как правило, через настройки можно превратить батарейку в генератор переменного или пульсирующего тока, а также в источник ШИМ сигнала или питания.
Нарисуйте светодиод, резистор, если хотите — выключатель, и соедините элементы проводами (w) в цепь.
▍ Добавление пользовательских ползунков
Очень удобная и классная опция — вынос ползунков с параметрами радиодеталей в меню настроек. Почти все элементы позволяют это делать. Через контекстное меню зададим резистору возможность менять сопротивление от 250 до 800 ом.
А батарейке зададим ползунок, изменяющий её напряжение с 0 до 5 вольт.
▍ Настройки отображения тока и напряжения в проводниках
Ещё одно очень удачное решение — превращение любого провода в амперметр. Кроме того, можно включить отображение напряжения на проводнике.
Делается так же, через контекстное меню.
▍ Добавление приборов, осциллографов и их настройка
Важное уточнение: в симуляторе осциллографом называется графопостроитель, работающий по принципу самописца. Правый край, с которого график начинает движение влево, отображает актуальное в данный момент времени значение.
«Новорождённый» осциллограф ещё совсем крохотный, но уже умеет отображать, по дефолту, напряжение (зелёным) и ток (жёлтым).
Давайте его увеличим, потянув за правый нижний угол. После этого зайдём в настройки и поставим галку «Показать ВАХ» (вольт-амперную характеристику).
У нас получился интерактивный характериограф! Видите, как круто исследовать работу схемы, имея неограниченное количество виртуальных приборов!
Подсказка: если индикатор ВАХ по какой-то причине не отображает точку, попробуйте по правому клику выбрать пункт «Макс. масштаб». Если вы всё сделали правильно и повторили схему без ошибок, то, управляя ползунками, вы сможете увидеть, как при изменении напряжения питания и сопротивления резистора «открывается» светодиод и нелинейно увеличивается ток через него.
Если подвести курсор в область графиков, на всех осциллографах появится синхронизированная вертикальная черта, по которой удобно сравнивать значения. Посмотрите, насколько интуитивно понятным становится принцип работы блокинг-генератора, если визуализировать токи и напряжения!
Ах да, важное примечание. По неизвестной мне причине напряжение положительной полярности по умолчанию окрашено в зелёный цвет, а отрицательной полярности — в красный. Расцветку можно поменять на удобную и привычную нам сине-красную, но при этом изменится цвет «луча» в осциллографе. Также можно поменять цветовую тему схемы на светлую:
▍ Сохранение в файл, загрузка из файла
В пункте «Файл» всё достаточно очевидно и понятно из названий. Удобно сделана возможность сохранять файлы на локалхост. Вам предложат ввести имя, и файл скачается стандартно через браузер.
Файлы схем — это обычные текстовые файлы, доступные к правке сторонними приложениями. Кроме того, есть возможность делиться схемой через короткую ссылку (откроется схема блокинг-генератора с гифки выше).
▍ Отображение выделяемой мощности
Верхнее меню: «Опции» ➔ «Показать мощность». Справа, на панели управления, можно отрегулировать верхний порог максимальной мощности. Выглядит это так:
Помимо резисторов подсвечиваются транзисторы, диоды и другие элементы.
Точное значение тока, напряжения и рассеиваемой мощности можно увидеть в нижней информационной панели при наведении курсора на элемент:
Как это может пригодиться?
- Для самообразования по теме схемотехники и электроники
- В качестве наглядного пособия для школьных учителей при подготовке уроков
- Как калькулятор для несложных расчётов (симулятор имеет неточности моделей)
Дисклеймер
В процессе написания этой статьи меня тревожила мысль о том, что «придут опытные и крутые дядьки и разнесут критикой, назовут профанацией и несерьёзным подходом». Но погодите гневаться, серьёзные дядьки! Моя цель — зарядить читателя азартом первооткрывателя, достучаться через эмоции и пробудить любознательность. Я придаю большое значение эмоциональной отдаче от хобби и радости, которую оно приносит.
Нелепо сравнивать бабушку, вяжущую носки, с промышленной вязальной машиной. Мой уровень — это электрическая «песочница», отдушина в эти непростые, скорбные времена. Электроника уже однажды выступила психопротекторным средством в период пандемии и выполняет эту роль снова. Наверное, основная мотивация написания этой статьи состоит как раз в том, чтобы поделиться опытом и популяризировать электронику в качестве хобби.
Напутствие
Тема электроники непроста. Она подобна фракталу: раскрывается усложняющимися подробностями при изучении электрических явлений. Вы часто будете испытывать злость от непонимания и ощущения тупика. Через это проходят все люди, идущие тропой познания. Пусть для вас эта досада будет верным признаком прогресса и движения вглубь.
Я буду рад, если вдохновлю вас открыть школьный учебник физики или уроки на ютубе. Будет очень здорово, если вы проделаете опыты со своими детьми. В следующей статье я планирую описать небанальные практические опыты на радиодеталях, найденных буквально в куче хлама. Если вы загорелись идеей поэкспериментировать и попаять, то поспешите отыскать мультиметр, паяльник и горку старых радиодеталей — пригодятся!
Дополнительные материалы
Рекомендую также посмотреть два урока про ток и напряжение, в которых преподаватель Алексей Колчин рассказывает о таких понятиях, как ток, напряжение и его падение, ЭДС.
Смотреть видео
Видео с лицензией Creative Commons.
Видео с лицензией Creative Commons.
Играй в нашу новую игру прямо в Telegram!
