Электрическая цепь
Электрическая цепь и выключатели
Электрический ток может возникнуть только в замкнутой электрической цепи. Электрическая цепь состоит как минимум из следующих составляющих: источника электрического тока, проводников и какого-нибудь электрического устройства. Источник тока всегда имеет два полюса — плюс и минус.
Одним выключателем мы можем замыкать и размыкать электрическую цепь.
Существуют различные виды механических выключателей. Например, кнопочный, как кнопка дверного звонка или планочный, как выключатель света в комнате.
Переключатель одновременно размыкает одну электрическую цепь и замыкает другую. Кроме механических переключателей существуют электрические, которые называются реле.
Условные обозначения
Для изображения сложных электрических цепей используют условные обозначения тех или иных электрических устройств и правила их соединения. Проводники электрического тока обозначаются прямыми линиями, которые всегда пересекаются под прямым углом. Если мы хотим показать, что в точке пересечения существует контакт проводников, то это место обозначается жирной точкой.
Проводники и изоляторы
Разные материалы имеют различную электропроводность. Особенно хорошо проводят электрический ток серебро, медь, алюминий и железо. Не так хорошо проводят электрический ток уголь и кислоты. Плохими проводниками являются стекло, фарфор и искусственные материалы. Эти материалы используются при работе с электрическим током в качестве изоляторов.
Атомная структура и заряд
Любое тело состоит из атомов.
Каждый атом имеет ядро из положительно заряженных протонов и нейтрально заряженных нейтронов. Это ядро окружено отрицательно заряженными электронами. В целом атом электрически нейтрален, так как количество положительных и отрицательных частиц одинаково.
Рассмотрим эбонитовую палочку. Если мы потрем палочку о шелковый платок, то с нее часть электронов перейдет на платок. Таким образом, на палочке уменьшается количество отрицательно заряженных частиц. Равновесие нарушится, и палочка приобретет положительный заряд.
Из окружающего пространства положительно заряженная палочка начинает притягивать отрицательно заряженные частички пыли. Когда пылинки касаются палочки, электроны возвращаются на нее, и через некоторое время палочка снова становится электрически нейтральной.
Гроза
Грозовые облака образуются при определенных погодных условиях, когда теплый и влажный воздух быстро поднимается вверх, а холодные слои опускаются вниз.
Потоки теплого воздуха переносят частички воды вверх. При этом происходит разделение зарядов — точно такое же, как при трении эбонитовой палочки о шелковый платок. Воздушные течения поднимают положительно заряженные частички в верхнюю часть облака, в то время как отрицательный заряд концентрируется в его нижней части.
Таким образом, в большом грозовом облаке возникает огромная разница зарядов. Молния возникает в тот момент, когда заряды начинают перемещаться. При этом за очень короткое время протекает мощнейший электрический ток. Под его действием воздух нагревается и начинает интенсивно светиться. Большинство молний находится внутри облака.
Молния может возникнуть также между грозовым облаком и возвышенностью на поверхности Земли.
Благодаря выделению огромного количества энергии воздух вокруг молнии резко нагревается, расширяется и начинает быстро распространяться в виде волны. Эту ударную волну мы слышим как раскаты грома.
Направление тока
Металлы имеют определенное атомное строение, которое является причиной их хорошей электропроводности. Рассмотрим строение медной проволоки. Атомы меди расположены на одинаковом расстоянии один от другого, образуя атомную решетку. Вокруг каждого атома двигаются отрицательно заряженные свободные электроны, которые играют огромную роль для электропроводности металла.
Возьмем медную проволоку в качестве проводника в замкнутой электрической цепи. Тогда свободные электроны будут притягиваться положительным полюсом источника и одновременно отталкиваться от отрицательного полюса. В результате свободные электроны в медной проволоке движутся от отрицательного полюса источника к его положительному полюсу.
В источнике электрического тока электроны перемещаются от плюса к минусу под действием определенной химической реакции.
Когда в 18 веке открыли электрический ток, то об электронах не знали практически ничего. Действие электрического тока наблюдали только по внешним проявлениям, поэтому направление тока определили произвольно, от плюса к минусу. Такое направление тока называется техническим, и оно используется по сей день.
Сила тока, напряжение, сопротивление
Чтобы измерить электрический ток, необходимо узнать количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за одну секунду. Эта величина называется силой тока и измеряется в амперах (A).
Если мы возьмем более сильный источник тока, то через поперечное сечение проводника пройдет большее количество заряженных частиц за одну секунду. Сила тока увеличилась, так как более мощный источник тока действует на электроны с большей силой притяжения. Эта сила притяжения источника тока называется электрическим напряжением и измеряется в вольтах (В).
Если заменить батарею постоянным источником тока, то можно определить воздействие электрического напряжения на силу тока.
Сила тока и напряжение зависят один от другого. Большее напряжение означает также и большую силу тока.
Любой материал обладает электрическим сопротивлением, которое характеризует способность материала препятствовать движению электрического тока. Это означает, что сила тока будет тем больше, чем меньше электрическое сопротивление материала при условии постоянного напряжения.
Это пропорциональное соотношение называется законом Ома: напряжение (U), деленное на силу тока (I), есть величина постоянная (R). Эта величина называется электрическим сопротивлением и измеряется в омах. 1 ом равняется 1 вольту, деленному на 1 ампер.
Последовательное соединение
В гирлянде лампочки располагаются последовательно. Такое соединение называется последовательным соединением проводников.
Если замерить силу тока в такой цепи в любом ее месте, то амперметр будет показывать одну и ту же величину. В нашем случае это 0,2 ампера.
Вольтметр, в свою очередь, в разных точках показывает различные значения напряжения. Напряжение на отдельных лампочках суммируются в общее напряжение, равное 14 В. Это означает, что все потребители электрического тока должны делить эти 14 В между собой. Если мы, например, уберем из цепи 2 лампы с сопротивлением 20 Ом, то общее напряжение будет делиться на оставшиеся 3 лампы. Теперь на каждой лампе будет напряжение в 4,6 В.
Uобщ = U1 + U2 + U3 + U4 + U5
Таким образом, общее сопротивление цепи рассчитывается следующим образом:
Параллельное соединение
Большинство домашних электрических приборов функционируют при напряжении 220 В. Они не могут быть подключены в цепь последовательно, так как тогда на каждый прибор будет приходиться напряжение намного меньшее, чем 220 В. Подобным образом можно подключить только один прибор, который будет работать в полную силу.
В связи с этим домашние приборы подключаются к источнику тока параллельно, что позволяет каждому прибору получить нужное напряжение — 220 В.
При параллельном подключении приборов на каждом приборе будет одинаковое напряжение в 220 В.
При помощи амперметра измерим силу тока на трех участках электрической цепи. Общая сила тока составляет 12,6 А. Сила тока на измеренных участках: I1 = 3,5 A, I2 = 8,7 A, I3 = 0,4 A, что в сумме дает 12,6 А. Из этого следует, что при параллельном подключении общая сила тока равна сумме всех токов в цепи.
V = V1 = V2 = V3
I = I1 + I2 + I3
При параллельном подключении мы можем высчитать общее сопротивление и сопротивление на каждом отдельном участке цепи: Rобщ = Uобщ / Iобщ и в нашем случае: Rобщ = 220 / 12.6 = 17.5 Ом. Это сопротивление меньше, чем наименьшее отдельное сопротивление. Если мы хотим вычислить общее сопротивление цепи, зная сопротивление отдельных частей, то нам необходимо произвести следующее суммирование: 1/Rобщ = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3. Так выглядит закон вычисления общего сопротивления для параллельного подключения.
Постоянный и переменный ток
Если мы используем батарею или аккумулятор в качестве источника напряжения, то мы получим постоянный ток в электрической цепи. В цепи постоянного тока электроны текут медленно и всегда в одном направлении: вне батареи от минусового полюса к плюсовому полюсу, а внутри батареи наоборот.
Для большинства электрических приборов не имеет значения, используется постоянный или переменный ток. В любом случае, электростанции поставляют переменный ток. При переменном токе источник напряжения регулярно меняет полярность. Напряжение, которое мы можем измерить в розетке, составляет 220 В и имеет частоту 50 Гц. Это значит, что ток меняет направление 100 раз за секунду. Электроны в переменном токе текут, постоянно меняя направление, то в одну, то в другую сторону.
Передавать электрическую энергию можно при помощи как постоянного, так и переменного тока. Использование переменного тока более выгодно, так как в этом случае потери энергии значительно снижаются.
Действие электрического тока
Если в цепь подключить кусок проволоки, то она скоро нагреется. Это нагревание происходит за счет движения электронов, которые, как говорят, "трутся" об атомы. Скорость и величина нагревания зависят от материала, из которого изготовлена проволока. Чем больше сопротивление материала, тем быстрее нагревается проволока.
Если мы хотим с помощью электрического тока нагреть электрическую плиту или утюг, то надо использовать материалы с высоким сопротивлением и хорошей теплопроводностью. Длинная проволока выделит больше тепла, чем короткая, но для удобства использования, ее надо свернуть в спираль.
Если на спираль накаливания подать большее напряжение, то вместе с теплом она будет давать и свет. Это явление используется с 1879 года, когда Эдисоном была изобретена лампочка накаливания.
Если напряжение слишком высокое, то проволока может расплавиться. Это связано с тем, что выделяется большое количество энергии, которого достаточно, чтобы расплавить проволоку.
Электрический ток способствует протеканию химических реакций в жидких проводниках. Примером жидких проводников являются кислоты, щелочи, растворы солей. Химическое действие электрического тока можно показать на следующем примере. Возьмем угольную палочку и железный гвоздь и опустим их в раствор хлорида меди. Эти, так называемые электроды, подключим к источнику напряжения. Гвоздь подсоединим к минусу, после чего будем называть его катодом, а угольную палочку — к плюсу, и назовем ее анодом.
Спустя некоторое время на поверхности угольной палочки начнут образовываться пузырьки газа, а поверхность железного гвоздя покроется коричневым налетом. Эту химическую реакцию вызвал электрический ток. Такой процесс называется электролизом.
В растворе хлорида меди перемещаются положительно заряженные ионы меди и отрицательно заряженные хлорид-ионы. Ионами называются заряженные частички, которые притягиваются противоположным электродом. Там они отдают свой заряд и становятся нейтральными. Это означает, что хлорид-ионы перемещаются к угольной палочке, а ионы меди к гвоздю.
Когда ион меди подходит к металлическому гвоздю и получает два электрона, то он превращается в металлическую медь, которая осаждается на поверхности гвоздя. В свою очередь, хлорид-ион отдает электрон положительному угольному электроду и превращается в чистый хлор, который имеет газообразную форму и выделяется из раствора. Такой вид электролиза можно использовать для покрытия металлических изделий тонким слоем различных металлов. Подобный процесс называется гальванизацией.
В свободном состоянии стрелка компаса всегда показывает на север. Н если компас поместить под кабель, по которому течет электрический ток, то стрелка обязательно отклониться. Электричество и магнетизм тесно связаны. Это явление в 1820 году впервые открыл Кристиан Эрстед.