|
Таблица 20 Примерная разбивка материала темы по занятиям
|
Ход теоретических занятий
Кружковцев знакомят с простейшей электрической цепью, состоящей из источника тока, проводников и потребителей (лампочек накаливания). Руководитель чертит схему электрической цепи на доске, а затем демонстрирует собранную электрическую схему. Для проведения опыта можно воспользоваться электроконструктором или самодельной арматурой, изготовленной из провода и жести. Детали арматуры монтируются на панели. Знакомство с работой простейшей электрической цепи подводит членов кружка к пониманию элементарных основ теории электричества. В ходе беседы педагог рассказывает о природе электрического тока, представив его как упорядоченное движение электронов в проводнике под действием электрического напряжения. Величина, или сила, тока зависит от количества электронов, проходящих по цепи в течение 1 сек. Например, через нить накала горящей лампочки карманного фонаря ежесекундно проходит около 2 000 000 000 000 000 000 электронов.
Далее преподаватель говорит об единицах измерения силы тока (ампер — а; миллиампер — ма, микроампер — мка), характеризуя их как количество электричества или число электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за 1 сек. Так, при токе в 1 а через поперечное сечение проводника за 1 сек. проходит около 280 000 000 000 000 000 электронов.
В рассказе об электрическом токе с успехом можно использовать аналогии, связанные с работой водопровода: трубы — провода, текущая по ним вода — электроны. Соответственно, напор воды в водопроводе — электрическое напряжение, т. е. «напор» электронов в проводнике. При объяснении этого раздела важно, чтобы кружковцы четко усвоили понятие электрического напряжения как потенциальной способности сил электрического поля совершить определенное количество работы. Ребят знакомят с единицами напряжения или разности потенциалов (вольт — в, киловольт— кв, милливольт— мв, микровольт — мкв).
Начиная с данного занятия кружковцы приступают к сборке и налаживанию действующих электрических схем и конструкций. Беседы педагога включают в себя не только теоретические вопросы, но и сведения об элементах электрических цепей. Следующее занятие может быть отведено, например, рассмотрению принципа работы и устройства химических источников электрического тока.
Ранее, при проведении опытов, ребятам уже прихо; дилось сталкиваться с батарейкой от карманного фонаря. Теперь следует рассмотреть ее устройство, используя в качестве наглядного материала разрядившуюся батарейку КБС.
«Батарейка для карманного фонарика, с которой мы уже проводили опыты, относится к химическим источникам электрического тока», — этим вступлением можно начать рассказ преподавателя. Вскрывается батарея КБС. В ней три элемента. Теперь следует рассмотреть устройство одного из них. Его отрицательным электродом является цинковый стаканчик, а положительным — угольный стержень, помещенный в полотняный мешочек с деполяризатором. Свободное пространство между деполяризатором и стенками цинкового стаканчика заполнено пастообразным электролитом — раствором нашатыря с примесью крахмала или муки. Сверху элемент залит слоем смолки. Такой элемент называется сухим. Сухие элементы работают до тех пор, пока от действия химической реакции не разрушится цинковый электрод и не изменится химический состав электролита и деполяризатора. Последний представляет собой спрессованную смесь порошкообразного графита и двуокиси марганца, богатой кислородом.
При работе такого элемента выделяющийся на положительном электроде водород нейтрализуется кислородом двуокиси марганца деполяризатора. В результате этой реакции получается вода, и газовой пленки, препятствующей движению электрических зарядов, на положительном электроде не образуется. Принцип работы сухого элемента такой же, как и с жидким электролитом. Но поскольку практическое применение их в кружковой работе ограничено, подробно останавливаться на них нецелесообразно.
Существуют и другие разновидности гальванических элементов. В батарее «Крона», например, элементы имеют форму галеты, поэтому их называют элементами галетного типа. Отрицательным электродом элемента этого типа служит цинковая пластинка, а положительным поляризационная масса, состоящая из смеси двуокиси марганца и графита, которая обернута тонкой бумагой. Между электродами имеется картонная прокладка. Галета пропитывается электролитом и прочно стягивается тонкой пленкой эластичного пластика. При сборке батареи отдельные галеты укладывают в виде столбика и сжимают. При этом края пластиковых пленок плотно прилегают одна к другой, образуя сплошную оболочку столбика, предохраняющую от испарения воды из электролита.
Далее кружковцев следует познакомить с промышленными типами элементов и батарей, получивших наиболее широкое распространение в кружковой работе и радиолюбительской практике. При этом следует обратить внимание юных электротехников на тот факт, что один гальванический (сухой) элемент независимо от его конструкции развивает напряжение около 1,5 е. Ток же, который можно потреблять от элемента, определяется главным образом размерами его электродов и обычно не превышает 0,2—0,3 а. Чтобы получить большее напряжение (больший ток), элементы соединяют в батареи.
Основные данные наиболее распространенных гальванических элементов и батарей приведены в справочных таблицах, опубликованных в радиотехнической литературе. Цифры и буквы в наименованиях элементов и батарей обозначают: первая группа цифр указывает начальное напряжение в вольтах, последняя — начальную емкость в ампер-часах. Одна или несколько букв, стоящих за первой группой цифр, являются сокращенным обозначением назначения элемента или батареи: А — анодная, Н — накальная, Ф — фонарная, АН — анодно- накальная, АС — анодно-сеточная, СА — слуховая анодная, СН — слуховая накальная, АНС — анодно-накаль- ная сеточная. Следующие одна или две буквы характеризуют систему деполяризации: М — марганцевая, ВМ— воздушно-марганцевая, ВД или В воздушная. Буква Ц обозначает, что отрицательные электроды элементов цинковые. Если затем стоит буква Г — элементы галетного типа, буква Ч — элементы чашечного типа. Батареи из элементов стаканчикового типа дополнительных букв в наименовании не имеют. Далее может быть буква X — холодостойкий или буква У — универсальный источник тока.
Пример. Элемент 1,3-ФМЦ-0,25 — начальное напряжение 1,3 в, фонарный, марганцевой деполяризации, отрицательный электрод цинковый, предназначен для работы в летних условиях, начальная емкость 0,25 ач.
Наша промышленность выпускает различные типы аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Многие из них с успехом могут быть использованы в работе кружка электронной автоматики для питания транзисторных и релейных схем, а также переносной малогабаритной аппаратуры. Поэтому знакомство кружковцев с ухтрой- ством и принципом действия аккумулятора также входит в программу занятий. Преподаватель сообщает ребятам, что аккумулятор, как и гальванический элемент, является химическим источником тока, но в ртдичие от последнего не сам вырабатывает ток, а только отдает электрическую энергию, накопленную им в результате зарядки его другим источником постоянного тока. Аккумуляторы допускают многократные заряды и разряды, чем они выгодно отличаются от сухих элементов и батарей. При объяснении материала рекомендуется широко использовать учебные плакаты с изображением устройства и принципа действия аккумулятора.
Рассказ педагога об электрическом сопротивлении можно построить примерно таким образом. В электрической цепи имеются провода и ряд устройств, препятствующих прохождению тока, другими словами, каждая цепь обладает определенным сопротивлением для тока.
Электрическое сопротивление можно сравнить с трением, которое препятствует свободному перемещению движущихся предметов. Поезд, мчащийся по железнодорожному пути, преодолевает трение о воздух и между колесами и рельсами, моторная лодка испытывает трение о воду и т. д. Во всех случаях трение замедляет движение.
Сопротивление электрической цепи является препятствием для потока электронов. Объясняется это тем, что при своем движении свободные электроны сталкиваются с атомами и молекулами, причем в одних веществах атомы и молекулы сильнее мешают движению электронов, а в других — меньше.
Далее преподаватель говорит членам кружка, что сопротивление проводника зависит не только от свойств его материала, но и от его размеров. Сопротивление цепи можно повысить, если увеличить длину провода, используемого в ней, поскольку при этом удлиняется путь, который должен пройти поток электронов. Если взять провод с меньшим сечением (при той же длине), сопротивление также возрастет, так как при этом как бы сужается путь, по которому движутся электроны. Здесь уместно провести аналогию: широкая и короткая труба оказывает меньшее препятствие движению воды, чем тонкая и длинная.
Затем следует перейти к единицам измерения сопротивлений. 1 ом — это сопротивление, которое оказывает току ртутный столбик высотой 106,3 см и сечением 1мм2 при температуре 0°С.
Для выражения больших величин сопротивлений используют единицы килоом (сокращенно ком), равный 1000 ом, и мегом (сокращенно Мом), равный 1 000000ом, или 1 000 ком.
Используя образцы или приводя примеры различных электрических приборов, педагог сообщает ребятам, что некоторые из этих устройств имеют сопротивление всего в несколько ом, сопротивление других может достигать миллиона ом.
Продолжая свой рассказ, руководитель кружка переходит к резисторам. Набор различных типов этих радиодеталей, а еще лучше, специально подобранная коллекция является прекрасным учебным пособием при изучении данного материала.
Наша промышленность выпускает постоянные и переменные резисторы разных конструкций и номиналов: от нескольких ом до десятков и сотен меюм. Устройство постоянного резистора удобно рассмотреть на примере непроволочного сопротивления типа ВС. Этот прибор представляет собой стержень или трубочку, на поверхность которых нанесен слой углерода. Выводами служат контактные латунные луженые хомутики либо колпачки с удлиненными лепестками. Корпус собранного резистора покрывают влагостойкой эмалью.
Переменный непроволочный резистор устроен примерно так. К круглому пластмассовому основанию приклеена дужка из гетинакса, покрытая тонким слоем сажи, перемешанной с лаком. Этот слой обладает сопротивлением. От обоих концов слоя сделаны выводы. В центр основания впрессована втулка. В ней вращается ось, а вместе с осью фигурная гетинаксовая пластинка. На внешнем конце пластинки укреплена контактная щетка из нескольких пружинящих проволочек, которая соединена со средним выводным лепестком. При вращении оси щетка перемещается по слою сажи на дужке, вследствие чего изменяется сопротивление между средним и крайним выводами. Сверху резистор закрыт металлической крышкой, предохраняющей его от повреждений. Номинальные сопротивления резисторов в омах, килоомах и мегоомах указываются на их корпусах, причем обозначение ком часто заменяют буквой К, Мом — буквой М.
В последнее время принята новая система обозначений номиналов резисторов. В составе каждого обозначения имеется буква Е, К и М, соответствующая определенным пределам значений сопротивлений резисторов:
Е — 0 — 99 ом;
К — 100 ом — 91 ком;
М — 100 ком — 91 Мом. Буква стоит на том месте, где должна быть запятая, разделяющая целую и дробную части обозначения. Если в значении сопротивления резистора отсутствуют целые числа, то нуль впереди буквы не ставится. Таким образом 51 Е расшифровывается как 51 ом, К15 — 150 ом, 6К8 — 6,8 ком, Ml — 100 ком, 1МО — 1 Мом и т. д.
Поскольку в кружковой работе используются резисторы различных годов выпуска, кружковцам необходимо уметь свободно ориентироваться в любой системе обозначений.
Основные типы резисторов:
ВС — углеродистые влагостойкие;
УЛИ — углеродистые лакированные измерительные;
УЛМ — углеродистые лакированные малогабаритные;
БЛП — бороуглеродистые лакированные прецизионные;
ТВО — углеродистые объемные;
МЛТ -- металлизированные лакированные теплостойкие;
МТ — металлизированные теплостойкие;
СП — переменные;
СПО — переменные объемные;
ВК — волюм-контроль (регулятор тембра);
ТК — гон-контроль (регулятор громкости);
ПЭ — проволочные эмалированные;
ПЭВ — проволочные эмалированные влагостойкие;
ПЭВ-Х — то же, с передвижным хомутиком для регулировки;
ПП — проволочные переменные.
На данном занятии члены кружка электронной автоматики знакомятся как с условными обозначениями резисторов на принципиальных схемах, так и с принятыми сокращениями для обозначения их номиналов.
Сопротивления резисторов от 1 до 999 ом обозначаются целыми числами без букв. Сопротивления резисторов от 1 до 999 ком обозначаются соответствующими цифрами с буквой К. Если в числе, обозначающем номинал резистора, присутствует запятая и нет букв, речь идет о мегомах.
В ходе беседы ребята делают записи в тетрадях. Педагог задает вопрос: «Как быть, если требуется определенное сопротивление, а у вас есть резисторы других номиналов?». Из создавшегося положения можно выйти сравнительно просто, если знать расчеты для последовательного и параллельного соединений сопротивлений. Руководитель зарисовывает на доске схемы последовательного и параллельного соединений резисторов и демонстрирует опыты с электрической цепью. Для этого потребуется батарейка от карманного фонаря, лампочка на 3,5 в и два резистора по 5—10 ом.
Делается вывод: при последовательном соединении резисторов общее сопротивление электрической цепи увеличивается, а при параллельном — уменьшается.
Приводятся формулы для вычислений общего сопротивления последовательно и параллельно соединенных резисторов, а также примеры расчета.
На практике приходится иметь дело только с определенными номиналами, составляющими так называемую шкалу сопротивлений, стандартизованную ГОСТом. Определение общего сопротивления двух параллельно соединенных резисторов, а также обратный пересчет удобно производить с помощью заранее рассчитанных таблиц. Подобная таблица опубликована в журнале «Радио», № 2 за 1971 год.
Однако юным электротехникам полезно будет попрактиковаться в расчетах с применением формул для последовательного и параллельного соединений сопротивлений. Ребята получают задание выполнить ряд расчетов в своих тетрадях. Если руководитель замечает, что кружковцы не могут осилить предложенную им задачу, ее следует разобрать на доске.
Примеры для упражнений:
- Чему равно общее сопротивление цепочки, составленной из трех последовательно включенных резисторов, если Ri = 15 ом, R2=35 ом и R3 = 50 ом?
- Чему равно общее сопротивление двух параллельно соединенных резисторов, если Ri = R2 = 100 ом?
- Чему равно общее сопротивление двух параллельно соединенных резисторов, если Ri=20 ом, а R2=30 ом?
- Имеется четыре резистора с номиналами: Ri = 20 ом, R2 = 40 ом, R3= 100 ом и R4=150 ом. Как получить сопротивление, равное 60 ом?
Теперь членам кружка необходимо дать четкое представление о законе Ома и всех вытекающих из него следствиях!
Если записать словами весь ход теоретических занятий, то получится длинный рассказ, который вряд ли сделает более доступными обычные методы изложения этого важного закона. Объяснение материала необходимо сопровождать примерами практического применения закона Ома, приведением расчетных соотношений, демонстрацией опытов.
При исследовании соотношений между напряжением, сопротивлением и током кружковцы впервые сталкиваются со стрелочными измерительными приборами — вольтметром и амперметром. Однако знакомство это на данном этапе имеет чисто практический характер, т. е. ребятам известно, что вольтметр показывает величину напряжения, а амперметр — величину тока в цепи.
Сведения, полученные на теоретических занятиях, следует закрепить выполнением упражнений и практических работ с применением закона Ома. Вопросы упражнений для записи в тетрадь руководитель диктует фронтально. Ход решения каждой задачи разбирают коллективно. Обобщая ответы ребят, преподаватель уточняет полученные ими знания, связывает их с практикой.
В качестве примера ниже приводится несколько вопросов для упражнений.
- На цоколе лампочки карманного фонарика имеются надписи: 0,28 а и 3,5 в. Чему равно сопротивление накаленной нити лампочки?
- Напряжение аккумуляторной батареи равно 6 а. Сопротивление обмотки электродвигателя равно 3 ома. Какой ток будет протекать в этой цепи?
- В электрическую цепь включен резистор сопротивлением 7,5 ком. Протекающий через него ток равен 20 ма. Каково напряжение, приложенное к данному резистору?
Ход практических занятий
Работа ведется в соответствии с принципом «от простого к сложному». Вначале — это монтаж и испытание нескольких простейших электрических цепей, состоящих из батарейки, переключателя и лампочек от карманного фонаря (3,5 в). Несмотря на кажущуюся простоту, дидактическая ценность подобных схем велика. С их помощью начинающие юные электротехники постигают основы электросхем и делают свои первые шаги в монтаже
Все схемы собираются на платах, изготовленных на практических занятиях по теме «Электро- и радиотехнические материалы».
Первая схема представляет собой последовательное соединение батарейки, выключателя и лампочки (рис. 10,а). Педагог зарисовывает ее на доске и «расшифровывает» условные обозначения элементов схемы. Далее он объясняет ребятам, что чертеж, на котором условно изображены различные радиодетали, а также порядок соединений между ними, называют принципиальной электрической схемой. Графические обозначения радиодеталей стандартизованы Единой системой конструкторской документации (ЕСКД), введенной с 1 января 1971 года, Кружковцы переносят условные обозначения в тетрадь и приступают к выполнению практических па- бот. Дежурный раздает платы и детали. Ребята устанавливают детали на плате, а затем производят монтаж схемы. Задача эта, как правило, затруднений у юных электротехников не вызывает, и схему несколько усложняют. На каждую плату устанавливается вторая лампочка. Руководитель кружка чертит на доске два варианта включения ламп: параллельное (рис. 10,6) и последовательное (рис. 10,6'). Не затрагивая физики вопроса, он обращает внимание ребят только на суть обоих способов включения и предлагает произвести сборку электрической цепи.
Прежде чем начать сборку схемы рис. 11, членам кружка предлагается решить задачу: как с помощью тумблера поочередно включать две лампочки. Схему ребята составляют сначала в своих тетрадях, а затем кто- нибудь из кружковцев чертит ее на доске. Обсуждаюг схему всем кружком и, если она составлена неверно, педагог, направляя ход мыслей своих воспитанников, постепенно подводит их к правильному решению.
На данном занятии кружковцы собирают также схему поочередного включения трех лампочек, или электрическую схему светофора. На монтажной плате устанавливается третья лампочка и переключатель на три положения (рис. 12). Переключатель является новой для членов кружка деталью. Им рассказывают о том, что переключатель — устройство, упрощающее коммутацию электрических цепей. Преподаватель чертит на доске условные обозначения переключателей на «п» положений. Ребята переносят эти обозначения в тетрадь. Затем руководитель объясняет устройство и принцип работы галетного переключателя. После этого кружковцы приступают к монтажу схемы.
В том случае, если необходимого количества галетных переключателей в кружке нет, могут быть изготовлены самодельные переключатели, описанные в книге Ю. Н. Верхало «Самодельные приборы по электротехнике». Конструкции эти настолько просты, что не нуждаются в дополнительных описаниях. Недостает часто и нужного количества патрончиков для лампочек. Изготовить их можно также самим из жести и проволоки.
На практических занятиях кружковцы продолжают сборку простейших схем с применением источников питания, тумблеров и лампочек накаливания. Однако задача, стоящая перед ребятами, в этом случае усложняется, решение ее требует активного и творческого участия всего коллектива кружка.
Кружковцам дается задание составить схему включения одной лампы двумя переключателями на два положения. Такая схема используется для включения и выключения света с двух различных мест, например с двух концов зала или с верхней и нижней площадок лестничной клетки. В качестве переключателя удобно использовать тумблер (рис. 13,а).
Поиски нужного решения ведутся с помощью карандаша и бумаги. Самостоятельная работа над схемой преследует не одну цель. Во-первых, развивается хмыс.литель- ная активность и самостоятельность членов кружка, во- вторых, педагог получает представление о сообразительности ребят и, наконец, об уровне их знаний. Составленную схему каждый кружковец показывает своему педагогу, и после необходимых замечаний ребята приступают к ее сборке. Для этого с монтажной платы снимают галетный переключатель, лишние лампочки и устанавливают два тумблера (можно использовать и самодельные переключатели на два положения).
Однако может случиться, чтё не все члены кружка смогут правильно составить сйему включения лампы двумя переключателями. В таком случае преподавателю следует подробно объяснить принцип работы схемы, убедиться, что всем без исключения кружковцам понятен заложенный в нее смысл, и только после этого приступать к ее сборке.
Далее можно предложить ребятам подумать над схемой включения и выключения лампы из трех мест. Для этого потребуется дополнительно двухполюсный тумблер. Схема позволяет включать или выключать свет любым выключателем, независимо от положения остальных.
Рис. 12
Монтаж схемы выполняется так же, как и предыдущий, за исключением того, что в разрыв проводов, соединяющих контакты 2 и 3 однополюсных тумблеров, включается дополнительный двухполюсный тумблер. Выводы двухполюсного тумблера между собой соединяют так, что при его переключении меняется порядок соединения остальных тумблеров. После монтажа схемы следует убедиться, что один выключатель может управлять светом независимо от остальных (рис. 13,6).
Часть учебного времени отводится на ознакомление членов кружка автоматики с основами составления монтажных схем.
Педагог обращает внимание ребят на тот факт, что на предыдущих занятиях им уже приходилось сталкиваться с принципиальными и монтажными схемами при сборке простейших электрических цепей. Далее уместно будет продемонстрировать достаточно сложную схему
какого-нибудь автоматического устройства или прибора и объяснить кружковцам, что данная схема отображает только порядок или принцип соединения между собой отдельных элементов. В то время как монтажная схема, являясь плодом конструкторской мысли, отображает реальное расположение элементов схемы на плате или шасси с учетом рационального монтажа, особенностей конструкции и требований технической эстетики. В качестве примера руководитель кружка чертит на доске принципиальную схему на резисторах и тут же показывает, как наиболее рационально разместить ее на монтажной плате (рис. 14).
Рис. 14
Различные варианты схем на резисторах зарисовывают на доске (рис. 15).
В качестве объектов для лабораторных работ по применению закона Ома целесообразно использовать электронагревательные приборы, лампы накаливания и другие электротехнические устройства.
Лабораторная работа № 1. Определение сопротивления раскаленной нити осветительной электролампы.
Когда преподаватель замечает, что учащиеся понимают смысл его пояснений, он предлагает им самостоятельно составить в тетрадях несколько таких эскизов.
Для опыта потребуются (в расчете на одного кружковца): электролампа 25—50 вт, элекгропатрон, вилка, многожильный изолированный провод, а также вольтметр и амперметр переменного тока. Если в кружке нет нужного количества стрелочных измерительных приборов, можно обойтись одним вольтметром и одним амперметром. В этом случае следует предусмотреть дополнительные клеммы, к которым каждый кружковец по очереди сможет подключить соответствующие приборы и снять необходимые для расчета показания.
Схему руководитель чертит на доске. После измерения напряжения и тока ребята по закону Ома определяют сопротивление нити лампы.
Лабораторная работа № 2. Определение тока, потребляемого электропаяльником.
В опыте используют рабочие электропаяльники, вольтметр и амперметр переменного тока, электрораспределительную колодку, многожильный изолированный провод, изоляционную ленту.
Сопротивление 36 в паяльника равно примерно 30— 36 ом. Точное значение сопротивления имеющихся в кружке паяльников педагог должен определить прежде, чем дать задание ребятам. Кружковцы включают электропаяльники в сеть, замеряют напряжение и рассчитывают ток, воспользовавшись законом Ома. Правильность расчета подтверждают, включая в цепь паяльника амперметр.