Конкретные измерения
Электрические измерения: напряжение, ток, сопротивление, мощность
Измерять в быту электрические параметры приходится не часто, а некоторым — и никогда.
Напряжение в сети либо есть, либо его нет, и определяют это просто подключив нагрузку — проще всего настольную лампу. Разумеется, если вы живете в «умном доме» или «на Рублевке», то можете позволить себе быть идиотом, не умеющим пользоваться тестером, но если вы воспользовались разрешением, то зачем вам эта книга? Кстати, насчет тестера: две распространенные ошибки — держаться при измерении прямо за металлические части щупов и совать в сеть прибор, оставленный кем-то в положении «измерение сопротивлений». Следствия очевидны, вторую из ошибок автор когда-то разок сделал.
Напряжение аккумуляторов и батареек определять приходится, потому что люди часто хранят полуизрасходованные батарейки вместе с новыми. Однако в этом случае ситуация чуть сложнее, чем с сетью. И не потому, что она редко бывает полуизрасходованной. Дело в том, что любой источник питания имеет внутреннее сопротивление, и если оно возросло, то даже при нормальном напряжении на холостом ходу источник может не потянуть большую нагрузку. Поэтому проверять напряжение лучше под нагрузкой, причем близкой к той, с которой предполагается работать. Знатокам закона Ома предлагаем задачу: две батарейки с равными и нормальными ЭДС, но одна из них с сильно увеличенным внутренним сопротивлением, соединены последовательно и нагружены на лампочку. Что покажет подключенный к ним поочередно вольтметр? Получите ответ и представьте себе ощущения автора, когда он увидел это в реале.
Ток в быту определять практически никогда не приходится, разве что потребление гаджетов для оценки, на сколько хватит аккумулятора или батарейки. Делается это тем же самым тестером, но при другом положении переключателей. Бытовые нагрузки таковы, что влиянием сопротивления прибора на измерения во всех перечисленных случаях можно пренебречь. Роль сопротивления контактов и утечек при измерении в бытовых ситуациях также не велика.
Сопротивление в быту измерять приходится редко, чаще делать нечто подобное — определять целостность нагрузки или целостность изоляции. Потому что многие бытовые приборы выходят из строя путем разрыва цепи питания или перегорания обмотки, а некоторые — путем выхода из строя (пробоя) изоляции. Для этого примеряется тестер, но если вы проверяете целостность обмоток трансформатора, дросселя или электродвигателя, то школьный курс физики настоятельно рекомендует не держаться за оголенные контакты. Хотя напряжение батарейки в тестере не бывает больше 9 вольт, вы именете шансы познакомиться со страшным зверем по имени «экстратоки размыкания». И хотя правильнее было бы назвать это явление экстранапряжением, но вам от этого легче не будет.
Кстати, что убивает — ток или напряжение? Правильный ответ — ток, который протекает по человеку. Но этот ток зависит от напряжения, сопротивления и емкости источника и сопротивления нагрузки — в данном случае сопротивления вашей (а чьей же еще?) кожи. Поэтому, если собираетесь попасть под напряжение, постарайтесь делать это не на жаре, не после физических нагрузок, трезвым, иметь чистые, насухо вытертые руки и не бояться. Тут просматривается аллюзия со «Спутником альпиниста», где в разделе про обморожения написано, что к нему предрасполагает страх обморожения. Это же тут: http://url4all.net/zimnie-bedy-obmorozhenie-i-zamerzanie.html.
Пример ситуации, когда очень высокое (десятки кВ) напряжение не убивает (хотя и делает неприятно) ввиду очень высокого сопротивления источника и невысокой его емкости — это поражение статическим электричеством. Кстати, при этом наблюдается один забавный эффект. Если взять в пальцы металлический предмет (любой — отвертку, пинцет, монетку), и разряд проскочит между объектом и им, то неприятное ощущение отсутствует. Это означает, что оно зависит не от тока, а от плотности тока, которая при непосредственном разряде в палец существенно больше.
Оценка мощности в быту производится сама собой, когда мы включаем что-либо в сеть и замечаем, что лампочки мигнули. В обычных условиях это заметно при потребляемой мощности около 1 кВт и более, то есть при включении утюга, чайника, кондиционера. Объяснение падения напряжения — закон Ома, хотя само мигание при включении утюга и чайника — эффект физиологический: их нагреватель сделан из нихрома, сопротивление коего не зависит от температуры. С кондиционером ситуация сложнее — в нем есть электродвигатель, а у него есть «пусковой ток», то есть повышенное потребление энергии в момент включения.
Измерение температуры
Автор этой книги треть жизни занимался измерением температуры — правда, температуры катодов электронно-вакуумных приборов. И сегодня его сердце начинает биться учащенно в четырех ситуациях: когда он входит в спортзал (запах пота и спортивных снарядов), когда выходит к доске перед новой группой школьников или студентов и когда слышит волшебные слова «температура катода».
«Три вещи невозможно понять, а некоторые говорят, что четыре — путь корабля в море, путь змеи на скале, путь птицы в небе и путь женщины к сердцу мужчины». Да, но зато можно понять путь энергии от РАО ЕЭС к катоду магнетрона в вашей микроволновке, а также путь электрона от катода к аноду в этом магнетроне.
О, температура катода, тебя пою! Температура того элемента электронного прибора, который создает поток электронов, на котором работает прибор. Это поток зависит от температуры, и в некоторых случаях — содрогнись, пипл — экспоненциально. Температура самого горячего — почти всегда — элемента прибора, а значит — посредством его испарения (опять же зависящего экспоненциально от температуры) изменяющего свой и окружающих элементов состав, а значит — определяющего срок службы катода и часто ограничивающего срок службы прибора. Более того, температура, влияющая — тут со зловещим скрипом отворяются врата физико-химической преисподней — на взаимодействие материала катода с остаточными газами в приборе, а значит, на его состав, а значит на эмиссию из него электронов. Температура, которую нужно знать с точностью в несколько градусов. Да не среднюю, а по всему катоду, да в процессе срока службы, да в процессе работы — при отборе тока, ионной и электронной (это ж магнетрон, не что-нибудь) бомбардировке…
Ну а в мирной жизни какие измеряем мы температуры? Человека, еды в духовке и воздуха за окном. Рассмотрим эти три задачи чуть подробнее.
Самое простое — в духовке. Точность требуется относительно низкая, скорость измерения — тоже. Известны два варианта — измерять температуру воздуха и температуру продукта. Второе точнее, но первое проще, ибо в продукт термометр надо втыкать (фото 1) и заботиться, чтобы он был виден с улицы, а термометр, закрепленный на корпусе (фото 2) и измеряющий температуру воздуха в духовке, требует меньше хлопот. Наверное, возможен комбинированный вариант — датчик втыкается в продукт, индикатор закреплен на корпусе. Датчик — это биметаллическая полоска, которая при нагреве за счет разности коэффициентов термического расширения поворачивает стрелку.
Измерение температуры человека — существенно более интересная с точки зрения метрологии задача, причем ситуации разнообразны. Во-первых, если это не грубая оценка, то желательна погрешность не более 0,1–0,2?С. Во-вторых, часто бывает нужно измерить быстро: при контроле большого количества пациентов, в экстренной ситуации, при измерении у маленького ребенка или плохо контролируемого пациента. В-третьих, бывает удобно иметь метод оценки пусть с меньшей точностью, но оперативный и совсем простой.
Поэтому термометры для измерения температуры человека разнообразны. Самые простые — контактные на жидких кристаллах. Это либо лента, прикладываемая ко лбу — для совсем грубой оценки (нормальная, повышенная, сильно повышенная), либо наклейка детенышу подмышку с «точками» изменяющими цвет при различных температурах (фото 3). Погрешность оценки посредством прикладываемой ко лбу ленты определяется нестабильным тепловым контактом с кожей и тем, что кожа вообще холоднее внутренней среды. Точность измерения посредством наклейки подмышкой может быть достаточна, если рука прижата к туловищу в течение нескольких минут — кожа догревается до внутренней температуры, а поскольку тело оказывается с двух сторон, то и влияние качества теплового контакта ослабевает. Известны колечки, с жидкими кристаллами, изменяющие цвет в зависимости от температуры (фото 4), применяются они для «определения настроения». Это не совсем бред — если человек испуган, встревожен, напряжен — то у него сжимаются периферические сосуды (организм готовится к бою и стремится уменьшить предполагаемую кровопотерю при ранениях) и периферия делается холоднее. А однажды я видел в киоске, но не сумел купить (киоск был закрыт), о чем по сей день и ночь жалею, устройство для определения совместимости двух лиц разного пола. Это была пластиночка с двумя сантиметровыми площадками, к которым оные лица должны были приложить по пальцу. Посередине между ними была площадка, изменявшая цвет. По сути дела (решите в уме уравнение теплопроводности в одномерном случае) это был приборчик для измерения средней температуры. И он показывал, что все хорошо, если оба персонажа были спокойны, доброжелательны и расслаблены, показывал не очень, если один был не очень, и показывал плохо, если не очень были оба — то есть боялись друг друга и сжимая периферические кровеносные сосуды, готовились к смертельной схватке. Как перед дверью туалета в хорошей коммуналке или перед прилавком, когда туша за прилавком объявила, что колбаса кончается и всем не хватит…