§ 26. Электрическая цепь и ее элементы

Чтобы разобраться в устройстве электроприбора или устранить неисправность электропроводки, прежде всего необходимо иметь схему соответствующей электрической цепи. О том, что такое электрическая цепь, из чего она состоит и как на ее схеме изображают некоторые электрические устройства, вы узнаете из этого параграфа.

Знакомимся с электрической цепью

Любое электрическое устройство — мобильный телефон, планшет, ноутбук, фонарик, цифровой фотоаппарат, калькулятор и др. — имеет определенный набор обязательных элементов. Чтобы выделить эти обязательные элементы и понять их назначение, создадим модель простейшего электрического устройства — карманного фонарика (рис. 26.1).

Чтобы электрическое устройство работало, прежде всего необходим источник тока. В представленной модели источником тока является батарея гальванических элементов (1). Батарея имеет два вывода (полюса). Вывод батареи, на котором накапливается избыточный положительный заряд, обозначен на ней знаком «+».

Второй обязательный элемент — потребитель электрической энергии. В представленной модели это электрическая лампа (2). Любой потребитель тоже имеет два вывода (в лампе они расположены на цоколе — металлическом цилиндре с нарезкой, соединенном со стеклянным баллоном).

Источник тока и потребитель соединены с помощью соединительных элементов — проводов¹⁴ (3). Для их крепления используют специальные устройства (рис. 26.2), пайку или сварку.

И, наконец, последний элемент. Для более удобного включения и выключения потребителей используют различные замыкающие {размыкающие) устройства: ключ, рубильник, выключатель, кнопку или розетку. В рассматриваемой модели (см. рис. 26.1) таким устройством является ключ (4).

Соединенные проводниками в определенном порядке источник тока, потребители, замыкающие (размыкающие) устройства образуют электрическую цепь.

Обратите внимание: в реальном устройстве важен определенный порядок соединения элементов электрической цепи.

На рис. 26.3 изображены две простейшие электрических цепи, которые содержат одинаковые элементы. При этом способ соединения некоторых элементов (ламп) является разным. На рис. 26.3, а лампы соединены последовательно, на рис. 26.3, б — параллельно.

Знакомимся с механическим аналогом электрической цепи

Чтобы лучше понять назначение элементов электрической цепи, рассмотрим ее механическую модель (рис. 26.4). Модель состоит из двух наполненных водой сосудов (П+ и П-), трубки (3), вертушки (2) и... вашего товарища (1), заданием которого будет непрерывное переливание воды из сосуда П- в сосуд П+. Погрузив один конец трубки в сосуд с более высоким уровнем воды (П+), создадим «водяной ток», который будет вращать вертушку.

Чтобы вертушка не останавливалась, необходимо постоянно поддерживать «водяной ток». А он будет существовать, пока существует разница уровней воды в сосудах, то есть пока ваш товарищ будет переливать воду. И точно так же электрический ток будет существовать в цепи, пока работает источник тока. Непрерывно «перенося» заряды с одного полюса на другой, источник тока создает и поддерживает электрическое поле. Вы, конечно, догадались, что «водяной ток» в механической модели является аналогом электрического тока.

Механическим аналогом какого элемента электрической цепи является трубка с водой?

Мы можем закрыть трубку пробкой и таким образом остановить поток воды. Следовательно, в этом случае пробка является механическим аналогом ключа в электрической цепи.

Если заморозить воду в трубке, «водяной ток» прекратится. Таким образом, условием существования «водяного тока» является наличие «субстанции», которая может свободно передвигаться. Для электрической цепи такой «субстанцией» являются свободные заряженные частицы (например, электроны в металлах или ионы в жидкостях).

Обратите внимание на то, что нам совсем не обязательно видеть течение воды в трубке. Его наличие можно зафиксировать, наблюдая, например, за вращением вертушки. Точно так же вывод о наличии электрического тока мы делаем, когда наблюдаем его действия.

Знакомимся с электрическими схемами

Чтобы показать, какие именно электрические устройства следует взять и как их соединить, чтобы собрать определенную электрическую цепь, используют электрические схемы (часто их называют просто схемами).

Электрическая схема — это чертеж, на котором условными обозначениями показано, из каких элементов состоит электрическая цепь и каким образом эти элементы соединены между собой.

Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи приведены в таблице на с. 138. Обратите внимание на обозначения источников тока (гальванического элемента или аккумулятора и батареи гальванических элементов или аккумуляторов): принято, что длинная черточка обозначает положительный полюс источника тока, а короткая — отрицательный. Направление тока показывают на схемах стрелкой.

За направление тока в цепи условно принято направление, в котором двигались бы по цепи частицы, имеющие положительный заряд, то есть направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

Элемент электрической цепи	Условное обозначение
Гальванический элемент или аккумулятор
Батарея гальванических элементов или аккумуляторов
Соединение проводов
Резистор
Электрический звонок
Штепсельная розетка
Пересечение проводов (без соединения)
Зажимы для подключения чего-либо
Ключ
Электрическая лампа
Нагревательный элемент
Предохранитель

На рис. 26.5 приведены схемы электрических цепей, изображенных на рис. 26.1, 26.3, и показано направление тока в них.

Обратите внимание: в металлическом проводнике электроны под действием электрического поля источника тока движутся от отрицательного полюса к положительному, то есть направление движения электронов противоположно принятому направлению тока.

Рассмотрим схему более сложной электрической цепи (рис. 26.6).

Цепь имеет три выключателя (ключа), два потребителя тока (электрическую лампу и электрообогреватель) и источник тока (аккумуляторную батарею).

Если замкнуть ключи K₁ и K₂, а ключ K₃ разомкнуть, то цепь, потребителем в которой является лампа, будет замкнута на источник тока и лампа будет светиться. Если замкнуть ключи K₁ и K₃, а ключ K₂ разомкнуть, то будет работать электрообогреватель, а лампа светиться не будет. Если же замкнуть все три ключа, то одновременно будет светиться лампа и работать электрообогреватель.

Будет ли работать хотя бы один потребитель, если разомкнуть только ключ K₁? если замкнуть только ключ K₁? Если будет, то какой?

Подводим итоги

Соединенные проводниками источник тока, потребитель электрической энергии, замыкающее (размыкающее) устройство образуют простейшую электрическую цепь.

Чертеж, на котором условными обозначениями показано, из каких элементов состоит электрическая цепь и каким образом эти элементы соединены между собой, называют электрической схемой.

За направление тока в цепи условно принято направление, в котором двигались бы по цепи положительно заряженные частицы, то есть направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные элементы электрической цепи. 2. Используя механическую аналогию, объясните назначение каждого элемента электрической цепи. 3. Приведите примеры потребителей электрической энергии. 4. С какой целью в электрических цепях используют ключ? 5. Что называют электрической схемой? 6. Как на электрических схемах изображают гальванический элемент? батарею гальванических элементов? электрический звонок? ключ? 7. Какое направление принято за направление тока в электрической цепи?

Упражнение № 26

1.    На рис. 1 изображена схема электрической цепи. Перенесите схему в тетрадь, знаками «+» и «-» обозначьте полюса источника тока, стрелками покажите направление тока. Подпишите название каждого элемента цепи.

2.    Начертите схему электрической цепи, изображенной на рис. 2, и укажите направление тока в ней.

3.    Электрическая цепь состоит из батареи аккумуляторов, двух ключей, звонка и лампы, причем один ключ может включать только лампу, а второй — только звонок. Начертите схему электрической цепи.

4.    Начертите схему электрической цепи, содержащей два звонка, которые включаются одновременно одним ключом, и батарею гальванических элементов. (Обратите внимание на то, что задание можно выполнить двумя способами.) Где можно применить такое соединение?

5.    Электрическая цепь состоит из батареи аккумуляторов, звонка, ключа и лампы, причем лампа светится все время, а звонок включается только при замыкании ключа. Начертите схему электрической цепи.

6.    Заполните таблицу.

Физика и техника в Украине

Институт электродинамики HAH Украины

(Киев) — ведущее научное заведение в области энергетики, электротехники и энергетического машиностроения Украины.

Институт электродинамики был создан в 1947 г. на базе электротехнического отдела Института энергетики АН УССР и сначала назывался Институтом электротехники. Основателем и первым директором института был академик Сергей Алексеевич Лебедев, под руководством которого в 1950 г. была создана первая на евразийском континенте Малая электронная счетная машина (МЭСМ).

Основные научные направления работы Института электродинамики: пребразова-ние и стабилизация параметров электромагнитной энергии; повышение эффективности и надежности процессов электромеханического пребразования энергии; анализ, оптимизация и автоматизация режимов электроэнергетических систем; информационно-измерительные системы и метрологическое обеспечение в электроэнергетике; комплексные энергетические системы с возобновляемыми источниками энергии.

В разные годы институтом руководили выдающиеся ученые: члены-корреспонденты АН УССР А. Д. Нестеренко и А. Η. Милях, академик НАН Украины А. К. Шидловский. С 2007 г. Институт электродинамики возглавляет академик НАН Украины Александр Васильевич Кириленко.