Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

Радиолюбители всегда вспоминают Ома, так как значения номиналов одного из самых распространенных компонентов электрических цепей резисторов измеряются именно в омах. Вот просто был когда-то всего лишь один Ом, а теперь, пожалуйста, пачками: и тысячи Ом (килоОм), и миллионы Ом (МегаОм) и еще больше, или, наоборот, много меньше.

Величину протекающего тока Ом оценивал по отклонению магнитной стрелки. Эти исторические опыты можно теперь с легкостью воспроизвести на вышеуказанном комплекте Мастер КИТ.

Физический эксперимент

Наш комплект Мастер КИТ «Юный электротехник» имеет чуть меньший номер: NK 143, но глубина мысли, при работе с ним, должна соответствовать бессмертному афоризму.

Соберем простейшую электрическую цепь, показанную на рис. 39.

Рис. 39. Простая электрическая цепь Мастер КИТ NK143 «Юный электротехник»

Здесь миниатюрная лампочка накаливания присоединяется через клеммную колодку к батарее. В результате образуется замкнутая последовательная электрическая цепь — контур. Его можно мысленно обойти от положительного полюса батареи «+» через соединительный провод, нить накала, провода, идущие к отрицательному полюсу «-», и, пройдя «внутри батареи», вернуться к исходной точке «+».

Направление этого обхода принимается за положительное направление тока в данной цепи. Ом мыслил механическими понятиями и считал, что так течет некоторая «электрическая жидкость». Напряжение — ее напор, ток — ее поток. Источник тока также характеризуется в терминах механики — «электродвижущая сила» (ЭДС).

Введя некоторую величину, названную сопротивлением, Ом получил закон, который, нисколько не умаляя его заслуг, можно было бы назвать «законом водопроводчиков». Авторская формулировка была весьма витиевата: «Величина тока в гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме всех приведенных длин». Под «приведенными длинами» и скрывалось сопротивление. Теперь же, в простейшем случае, не мудрствуя лукаво, делят «вольты» на «амперы» и получают «омы» или составляют другие тождественные комбинации из названных ученых господ. Эти три господина всегда вместе, как три мушкетера: «Один за всех и все за одного». Недаром в «электрической азбуке», вместо «аз, буки, веди» значится: «ампер, вольт, ом». Это настолько ходовые величины, что есть даже комбинированный прибор: «ампер-вольт-омметр», название которого сокращают панибратски до «авометра».

Виртуальный эксперимент

Проведем теперь компьютерный анализ процессов в рассмотренной выше цепи. Для этого составим ее модель из источника и лампочки, воспользовавшись набором элементов компьютерной программы EWB. Этот эксперимент, проводимый на компьютере, назовем виртуальным (воображаемым), он будет моделировать поведение реальной цепи. Опишем кратко последовательность виртуального эксперимента.

В программе EWB реализован стандартный многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню. После установки программы возникает рабочее поле для сборки схем и пиктограммы с рабочими инструментами и компонентами схем (рис. 40).

Рис. 40. Основное окно программы EWB с дополнительными окнами выбора компонентов

Нажатием левой кнопки мыши (ЛКМ) здесь уже открыты отдельные схемные наборы (как бы ящики конструктора), из которых на рабочее поле помещены некоторые компоненты (батарея, лампа и мультиметр).

Составим принципиальную схемную модель эксперимента (рис. 41).

Рис. 41. Виртуальная модель простой электрической цепи

Для этого откроем на панели компонентов пиктограмму группы Source (источники)

 и выберем в нем Battery (батарея). Удерживая ЛКМ в нажатом состоянии, перетаскиваем изображение батареи в левую часть рабочей области экрана и отпускаем ЛКМ (эта процедура обычно называется буксировкой).

Затем, аналогично, переносим в центр экрана из раздела Basic (основные компоненты)

 Switch (переключатель)  и из раздела  Indicators (индикаторы) компонент Bulb

 (лампа накаливания), который помещаем в правую часть экрана. На этом первая часть «строительства» схемы закончена: «рабочие материалы доставлены на стройплощадку».

Упорядочим расположение выбранных компонентов на экране, если оно не соответствует воображаемой схеме. Для этого ЛКМ выделяем необходимый компонент и буксируем его в нужное положение. Возможно, на этом этапе потребуется изменить пространственную ориентацию компонентов. В данном конкретном случае удобнее повернуть лампу на 90° против часовой стрелки: выделим лампу (однократным нажатием ЛКМ), при этом она примет активный (красный по цвету) вид и нажмем на кнопку (пиктограмму) Rotate (вращение)

 горизонтального ряда инструментов. Эту же операцию можно провести с клавиатуры, выделив лампу и нажав Control+R (разумеется, находясь при английской раскладке клавиатуры — АРК) или, после выделения компонента, войдя в меню Circuit (схема) и воспользовавшись командой Rotate.

Далее выполняем соединения компонентов. Лучше всего, как и при сборке реальных цепей, начать с положительного полюса «+» батареи. Устанавливаем стрелку курсора в верхнюю часть вывода: там появляется жирная черная точка — символ неразъемного соединения. Нажимаем ЛКМ и кратчайшим путем ведем линию-резинку к крайнему левому выводу переключателя. После того как там возникнет символ соединения, отпускаем ЛКМ. На экране возникает изображение соединительного проводника в виде двух ортогональных отрезков. Аналогично соединяем любой правый вывод переключателя с верхним выводом лампы и ее нижний вывод с отрицательным полюсом «-» батареи.

Общий чертеж принципиальной схемы выполнен (см. рис. 41), и теперь надо отредактировать параметры (свойства) используемых компонентов.

Начинаем с батареи. Дважды щелкаем на ней ЛКМ. На экране появляется подменю (рис. 42) Battery Properties (свойства батареи).

Рис. 42. Окно редактирования свойств батареи

Выбираем в этом подменю Value (значение) и набираем в соответствующем окошке цифру 3, оставляя единицу измерения V, т. е. вольт. Затем выделяем Label (обозначения) и печатаем буквенный символ ЭДС — Е и подтверждаем сделанный выбор свойств нажатием на кнопку «ОК».

Переходим к лампе. Действуя аналогично предыдущему, выделяем лампу, вызывая диалоговое окно для редактирования ее параметров. Набираем в окошке Label «Lamp». Устанавливаем в позиции Value РМАХ (максимальная мощность) 0,91 W (ватт), что соответствует произведению номинального напряжения конкретной реальной лампочки 3.5 В на ее номинальный ток 0,26 А (эти параметры указаны на ее цоколе). Здесь же набираем 3.5 в окошке VMAX (максимальное напряжение). Обратите внимание на разделители целой и дробной части: в тексте программы это не запятая, а точка.