§ 26. Електричне коло та його елементи

Щоб розібратися в будові якого-небудь електроприладу або усунути несправність електропроводки в оселі, передусім необхідно мати схему відповідного електричного кола. Про те, що таке електричне коло, із чого воно складається і як на його схемі зображують деякі електротехнічні пристрої, ви дізнаєтеся, вивчивши матеріал цього параграфа.

Знайомимося з електричним колом

Будь-який електричний пристрій — мобільний телефон, планшет, ноутбук, ліхтарик, цифровий фотоапарат, калькулятор та ін. — має певний набір обов’язкових елементів. Щоб виділити ці обов’язкові елементи та зрозуміти їхнє призначення, створимо модель найпростішого електричного пристрою — кишенькового ліхтарика (рис. 26.1).

Щоб електричний пристрій працював, передусім необхідне джерело струму. У поданій моделі джерелом струму є батарея гальванічних елементів (1). Виводи (полюси) батареї позначені знаками «+» і «-».

Другий обов’язковий елемент — споживач електричної енергії. У поданій моделі — це електрична лампа (2). Будь-який споживач теж має два виводи (у лампі вони розташовані на цоколі — металевому циліндрі з нарізкою, що з’єднаний зі скляним балоном).

Рис. 26.1. Модель найпростішого електричного пристрою: 7 — джерело струму — батарея гальванічних елементів; 2 — споживач електричної енергії — лампа;

3    — з'єднувальні проводи;

4    — ключ

Джерело струму та споживач з’єднані за допомогою з'єднувальних елементів — проводів⁸ (3). Для кріплення проводів використовують спеціальні пристрої (рис. 26.2), паяння або зварювання.

Рис. 26.2. Різні затискачі (клеми) для з'єднування провідників: акумуляторні (о); високовольтні (б); заземлення (в); ножові (г); приладні (Э)

Рис. 26.3. Два способи з'єднання ламп в електричному колі: а — послідовне; б — паралельне

І, нарешті, останній елемент. Щоб було зручно вмикати й вимикати споживачі, використовують різноманітні замикальні (роз-микальні) пристрої: ключ, рубильник, вимикач, кнопку або розетку. У моделі, що розглядається (див. рис. 26.1), таким пристроєм є ключ (4).

З'єднані провідниками в певному порядку джерело струму, споживачі, замикальні (розмикальні) пристрої складають електричне коло.

Зверніть увагу: в реальному пристрої важливим є певний порядок з'єднання елементів електричного кола.

На рис. 26.3 зображено два найпростіших електричних кола, що містять однакові елементи. При цьому спосіб з’єднання деяких елементів (ламп) є різним. На рис. 26.3, а лампи з’єднані послідовно, на рис. 26.3, б — паралельно.

Знайомимося з механічним аналогом електричного кола

Щоб краще зрозуміти призначення елементів електричного кола, розглянемо його механічну аналогію. Механічна модель (рис. 26.4) складається з двох наповнених водою посудин (П+ і І7-), м’якої пластикової трубки (3), механічної вертушки (2) і... вашого товариша (І), завданням якого буде безперервне переливання води з посудини П- до посудини П+. Зануривши короткий кінець трубки

в посудину з більш високим рівнем води (J7-l·), створимо «водяний струм», який спричинятиме обертання вертушки.

Рис. 26.4. Механічний аналог електричного кола, поданого на рис. 26.1. Відповідність елементів можна простежити за цифрами, якими вони позначені на рисунках

Щоб вертушка не зупинялася, необхідно безперервно підтримувати «водяний струм». А він буде існувати, допоки існує різниця рівнів води в посудинах, тобто допоки ваш товариш переливатиме воду. І так само електричний струм буде існувати в колі, допоки працює джерело струму. Безперервно «перетягуючи» відповідні заряди з одного полюса на другий, джерело струму створює та підтримує електричне поле. Як ви, напевне, здогадалися, «водяний струм» у механічній моделі є аналогом електричного струму.

Механічним аналогом якого елемента електричного кола є трубка з водою?

Ми можемо закрити трубку корком і таким чином зупинити потік води. Отже, в цьому випадку корок є механічним аналогом ключа в електричному колі.

Якщо заморозити воду в трубці, «водяний струм» зупиниться. Таким чином, умовою безперервного плину є наявність «субстанції», яка може вільно пересуватися. Для електричного кола такою «субстанцією» є вільні заряджені частинки (наприклад, електрони в металах або йони в рідинах).

Зверніть увагу на те, що зовсім не обов’язково бачити плин води

о

в трубці. Його наявність можна зафіксувати, спостерігаючи, наприклад, за обертанням вертушки. Так само висновок про наявність електричного струму ми робимо завдяки його діям.

Знайомимося з електричними схемами

Щоб показати, які саме електричні пристрої необхідні для одержання певного електричного кола і як їх потрібно з’єднувати, використовують електричні схеми (або просто схеми).

Електрична схема — це креслення, на якому умовними позначеннями показано, з яких елементів складається електричне коло і в який спосіб ці елементи з'єднані між собою.

Умовні позначення деяких елементів електричного кола наведено в таблиці. Зверніть увагу на позначення джерел струму (гальванічного елемента або акумулятора та батареї гальванічних елементів або акумуляторів): прийнято, що довга риска позначає позитивний полюс джерела струму, а коротка — негативний.

Напрямок струму показують на схемах стрілкою.

За напрямок струму в колі умовно прийнято напрямок, у якому рухалися б по колу частинки, що мають позитивний заряд, тобто напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного⁹

На рис. 26.5 наведено схеми електричних кіл, зображених на рис. 26.1, 26.3, та показано напрямок струму в них.

Розглянемо електричну схему складнішого електричного кола (рис. 26.6). Коло має три вимикачі, два споживачі струму (електричну лампу та нагрівальні елементи) і джерело струму (акумуляторну батарею).

Якщо замкнути ключі K₁і K₂, а ключ K₃розімкнути, то коло, споживачем у якому є лампа, буде замкнене на джерело й лампа світитиметься. Якщо замкнути ключі K₁і K₃,а ключ K₂розімкнути, то працюватиме електрообігрівач, а лампа світитися не буде. Якщо ж замкнути всі три ключі, то одночасно світитиметься лампа і працюватиме електрообігрівач.

Чи буде працювати хоча б один споживач, якщо розімкнути тільки ключ K₁?якщо замкнути тільки ключ K₁?Якщо буде, то який?

Підбиваємо підсумки

З’єднані провідниками джерело струму, споживач електричної енергії, замикальний (розмикальний) пристрій утворюють найпростіше електричне коло.

Креслення, на якому умовними позначеннями показано, з яких елементів складається електричне коло і в який спосіб ці елементи з’єднані між собою, називають електричною схемою.

Рис. 26.5. Схеми деяких електричних кіл: а — схема електричного кола вмикання лампи (див. рис. 26.1); б — схема послідовного з'єднання двох ламп (див. рис. 26.3, а); в — схема паралельного з'єднання двох ламп (див. рис. 26.3, б). Стрілками позначено напрямок струму в разі замкнення ключа

За напрямок струму в колі умовно прийнято напрямок, у якому б рухалися по колу позитивно заряджені частинки, тобто напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного.

Контрольні запитання

1. Назвіть основні елементи електричного кола. 2. Використовуючи механічну аналогію, поясніть призначення кожного елемента електричного кола. 3. Наведіть приклади споживачів електричної енергії. 4. З якою метою в електричних колах використовують ключ? 5. Що називають електричною схемою? 6. Як на електричних схемах зображують гальванічний елемент? батарею гальванічних елементів? електричний дзвінок? ключ? 7. Який напрямок прийнято за напрямок струму в електричному колі?

Вправа № 26

1.    На рис. 1 зображено схему електричного кола. Перерисуйте схему в зошит, знаками «+» і «—» позначте полюси джерела струму, стрілками покажіть напрямок електричного струму. Підпишіть назву кожного елемента кола.

2.    Накресліть схему електричного кола, зображеного на рис. 2, і вкажіть напрямок струму в ньому.

Рис. 26.6. Схема вмикання електричної лампи та обігрівача

3.    Електричне коло складається з батареї акумуляторів, двох ключів, дзвінка та лампи, причому один ключ може вмикати тільки лампу, а другий — тільки дзвінок. Накресліть схему електричного кола.

4.    Накресліть схему кола, яке містить два дзвінки, що вмикаються одночасно одним ключем, і батарею гальванічних елементів. (Зверніть увагу на те, що завдання можна розв’язати двома способами.) Де можна застосувати таке з’єднання?

5.    Електричне коло складається з батареї акумуляторів, дзвінка, ключа й лампи, причому лампа світиться весь час, а дзвінок вмикається тільки в разі замкнення ключа. Накресліть схему електричного кола.

6.    Заповніть таблицю.

Фізика і техніка в Україні

Інститут електродинаміки HAH України

(Київ)

Основні напрями наукових досліджень Інституту електродинаміки пов'язані з «великою енергетикою»: учені розробляють електричні схеми, які об'єднують цілі промислові комплекси — заводи, шахти тощо.

Ви напевне зустрічалися з явищем, коли раптово гасне світло в усьому багатоповерховому будинку, бо всі сусіди дружно ввімкнули телевізори, обігрівачі, освітлення тощо. Для мешканців це лише прикрий інцидент, а ось на ливарному виробництві або в лікарні вимкнення електрики може призвести до трагедії. Запобігають таким випадкам правильно зібрані складні електричні кола.

Прикладом вдалих розробок учених інституту є створення технології виробництва проводів, розрахованих на напругу до 10 кВ. Такі проводи здебільшого прокладають під землею, тож вони мають працювати в дуже складних умовах (великі перепади температури, вологості тощо). Ця розробка втілена ученими інституту на заводі «Південкабель» (Харків) — на ньому виготовляють кабелі зі спеціальною (зокрема, дуже стійкою) ізоляцією.

На фото праворуч подано ще одну розробку вчених Інституту електродинаміки — елек-троцикл — транспортний засіб з підвищеною маневреністю, який пересувається за рахунок електричної енергії.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар