Електричне коло, фізика
Електричне коло і вимикачі
Електричний струм може виникнути тільки в замкнутому електричному ланцюзі. Електричне коло складається як мінімум з наступних складових: джерела електричного струму, провідників і якого-небудь електричного пристрою. Джерело струму завжди має два полюси - плюс і мінус.
Одним вимикачем ми можемо замикати і розмикати електричний ланцюг.
Існують різні види механічних вимикачів. Наприклад, кнопковий, як кнопка дверного дзвінка або планковий, як вимикач світла в кімнаті.
Перемикач одночасно розмикає один електричний ланцюг і замикає іншу. Крім механічних перемикачів існують електричні, які називаються реле.
Умовні позначення
Для зображення складних електричних ланцюгів використовують умовні позначення тих чи інших електричних пристроїв і правила їх з'єднання. Провідники електричного струму позначаються прямими лініями, які завжди перетинаються під прямим кутом. Якщо ми хочемо показати, що в точці перетину існує контакт провідників, то це місце позначається жирною крапкою.
Провідники й ізолятори
Різні матеріали мають різну електропровідність. Особливо добре проводять електричний струм срібло, мідь, алюміній і залізо. Не так добре проводять електричний струм вугілля і кислоти. Поганими провідниками є скло, фарфор і штучні матеріали. Ці матеріали використовуються при роботі з електричним струмом в якості ізоляторів.
Атомна структура і заряд
Будь-яке тіло складається з атомів.
Кожен атом має ядро з позитивно заряджених протонів і нейтрально заряджених нейтронів. Це ядро оточене негативно зарядженими електронами. В цілому атом електрично нейтральний, так як кількість позитивних і негативних частинок однаково.
Розглянемо ебонітову паличку. Якщо ми потремо паличку про шовкову хустку, то з неї частину електронів перейде на хустку. Таким чином, на паличці зменшується кількість негативно заряджених частинок. Рівновага порушиться, і паличка придбає позитивний заряд.
З навколишнього простору позитивно заряджена паличка починає притягувати негативно заряджені частинки пилу. Коли порошинки стосуються палички, електрони повертаються на неї, і через деякий час паличка знову стає електрично нейтральною.
Грозові хмари утворюються при певних погодних умовах, коли тепле і вологе повітря швидко піднімається вгору, а холодні шари опускаються вниз.
Потоки теплого повітря переносять частинки води вгору. При цьому відбувається поділ зарядів - точно таке ж, як при терті ебонітовою палички про шовкову хустку. Повітряні течії піднімають позитивно заряджені частинки в верхню частину хмари, в той час як негативний заряд концентрується в його нижній частині.
Таким чином, у великому грозовому хмарі виникає величезна різниця зарядів. Блискавка виникає в той момент, коли заряди починають переміщатися. При цьому за дуже короткий час протікає потужний електричний струм. Під його дією повітря нагрівається і починає інтенсивно світитися. Більшість блискавок знаходиться всередині хмари.
Блискавка може виникнути також між грозовою хмарою і піднесеністю на поверхні Землі.
Завдяки виділенню великої кількості енергії повітря навколо блискавки різко нагрівається, розширюється і починає швидко поширюватися у вигляді хвилі. Цю ударну хвилю ми чуємо як гуркіт грому.
напрямок струму
Метали мають певне атомне будова, яке є причиною їх хорошою електропровідності. Розглянемо будову мідного дроту. Атоми міді розташовані на однаковій відстані один від іншого, утворюючи атомну решітку. Навколо кожного атома рухаються негативно заряджені вільні електрони, які грають величезну роль для електропровідності металу.
Візьмемо мідний дріт в якості провідника в замкнутому електричному ланцюзі. Тоді вільні електрони будуть притягатися позитивним полюсом джерела і одночасно відштовхуватися від негативного полюса. В результаті вільні електрони в мідному дроті рухаються від негативного полюса джерела до його позитивного полюса.
У джерелі електричного струму електрони переміщаються від плюса до мінуса під дією певної хімічної реакції.
Коли в 18 столітті відкрили електричний струм, то про електрони не знали практично нічого. Дія електричного струму спостерігали тільки за зовнішніми проявами, тому напрямок струму визначили довільно, від плюса до мінуса. Такий напрям струму називається технічним, і воно використовується донині.
Сила струму, напруга, опір
Щоб виміряти електричний струм, необхідно дізнатися кількість електронів, що проходять через поперечний переріз провідника за одну секунду. Ця величина називається силою струму і вимірюється в амперах (A).
Якщо ми візьмемо більш сильне джерело струму, то через поперечний переріз провідника пройде більшу кількість заряджених частинок за одну секунду. Сила струму збільшилася, так як більш потужне джерело струму діє на електрони з більшою силою тяжіння. Ця сила тяжіння джерела струму називається електричною напругою і вимірюється в вольтах (В).
Якщо замінити батарею постійним джерелом струму, то можна визначити вплив електричної напруги на силу струму.
Сила струму і напруга залежать один від іншого. Більша напруга означає також і велику силу струму.
Будь-який матеріал володіє електричним опором, яке характеризує здатність матеріалу перешкоджати руху електричного струму. Це означає, що сила струму буде тим більше, чим менше електричний опір матеріалу за умови постійної напруги.
Це пропорційне співвідношення називається законом Ома: напруга (U), поділений на силу струму (I), є величина постійна (R). Ця величина називається електричним опором і вимірюється в Омасі. 1 ом дорівнює 1 вольт, поділеній на 1 ампер.
послідовне з'єднання
У гірлянді лампочки розташовуються послідовно. Таке з'єднання називається послідовним з'єднанням провідників.
Якщо заміряти силу струму в такому колі в будь-якому її місці, то амперметр буде показувати одну і ту ж величину. У нашому випадку це 0,2 ампера.
Вольтметр, в свою чергу, в різних точках показує різні значення напруги. Напруга на окремих лампочках підсумовуються в загальну напругу, рівне 14 В. Це означає, що всі споживачі електричного струму повинні ділити ці 14 В між собою. Якщо ми, наприклад, приберемо з ланцюга 2 лампи з опором 20 Ом, то загальну напругу буде ділитися на решту 3 лампи. Тепер на кожній лампі буде напруга в 4,6 В.
Таким чином, загальний опір кола розраховується наступним чином:
паралельне з'єднання
Більшість домашніх електричних приладів функціонують при напрузі 220 В. Вони не можуть бути підключені в ланцюг послідовно, так як тоді на кожен прилад буде припадати напруга набагато менше, ніж 220 В. Подібним чином можна підключити тільки один прилад, який буде працювати в повну силу.
У зв'язку з цим домашні прилади підключаються до джерела струму паралельно, що дозволяє кожному приладу отримати потрібне напруження - 220 В.
При паралельному підключенні приладів на кожному приладі буде однакова напруга в 220 В.
За допомогою амперметра виміряємо силу струму на трьох ділянках електричного кола. Загальна сила струму становить 12,6 А. Сила струму на виміряних ділянках: I1 = 3,5 A, I2 = 8,7 A, I3 = 0,4 A, що в сумі дає 12,6 А. З цього випливає, що при паралельному підключенні загальна сила струму дорівнює сумі всіх струмів в ланцюзі.
При паралельному підключенні ми можемо вирахувати загальний опір і опір на кожній окремій ділянці ланцюга: Rобщ = Uобщ / Iобщ і в нашому випадку: Rобщ = 220 / 12.6 = 17.5 Ом. Це опір менше, ніж найменше окреме опір. Якщо ми хочемо обчислити загальний опір кола, знаючи опір окремих частин, то нам необхідно зробити наступне підсумовування: 1 / Rобщ = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3. Так виглядає закон обчислення загального опору для паралельного підключення.
Постійний і змінний струм
Якщо ми використовуємо батарею або акумулятор як джерело напруги, то ми отримаємо постійний струм в електричному ланцюзі. У ланцюзі постійного струму електрони течуть повільно і завжди в одному напрямку: поза батареї від мінусового полюса до плюсового полюса, а всередині батареї навпаки.
Для більшості електричних приладів не має значення, використовується постійний або змінний струм. У будь-якому випадку, електростанції поставляють змінний струм. При змінному струмі джерело напруги регулярно змінює полярність. Напруга, яке ми можемо виміряти в розетці, становить 220 В і має частоту 50 Гц. Це означає, що струм змінює напрямок 100 раз за секунду. Електрони в змінному струмі течуть, постійно змінюючи напрямок, то в одну, то в іншу сторону.
Передавати електричну енергію можна за допомогою як постійного, так і змінного струму. Використання змінного струму більш вигідно, так як в цьому випадку втрати енергії значно знижуються.
Дія електричного струму
Якщо в ланцюг підключити шматок дроту, то вона скоро нагріється. Це нагрівання відбувається за рахунок руху електронів, які, як кажуть, "труться" про атоми. Швидкість і величина нагрівання залежать від матеріалу, з якого виготовлена дріт. Чим більше опір матеріалу, тим швидше нагрівається дріт.
Якщо ми хочемо за допомогою електричного струму нагріти електричну плиту або праску, то треба використовувати матеріали з високим опором і гарну теплопровідність. Довга дріт виділить більше тепла, ніж коротка, але для зручності використання, її треба згорнути в спіраль.
Якщо на спіраль розжарювання подати більшу напругу, то разом з теплом вона буде давати і світло. Це явище використовується з 1879 року, коли Едісоном була винайдена лампочка розжарювання.
Якщо напруга занадто висока, то дріт може розплавитися. Це пов'язано з тим, що виділяється велика кількість енергії, якого достатньо, щоб розплавити дріт.
Електричний струм сприяє протіканню хімічних реакцій в рідких провідниках. Прикладом рідких провідників є кислоти, луги, розчини солей. Хімічна дія електричного струму можна показати на наступному прикладі. Візьмемо вугільну паличку і залізний цвях і опустимо їх у розчин хлориду міді. Ці, так звані електроди, підключимо до джерела напруги. Гвоздь подсоединим до мінуса, після чого будемо називати його катодом, а вугільну паличку - до плюса, і назвемо її анодом.
Через деякий час на поверхні вугільної палички почнуть утворюватися бульбашки газу, а поверхня залізного цвяха покриється коричневим нальотом. Цю хімічну реакцію викликав електричний струм. Такий процес називається електролізом.
У розчині хлориду міді переміщуються позитивно заряджені іони міді і негативно заряджені хлорид-іони. Іонами називаються заряджені частинки, які притягуються протилежним електродом. Там вони віддають свій заряд і стають нейтральними. Це означає, що хлорид-іони переміщаються до вугільної паличці, а іони міді до цвяха.
Коли іон міді підходить до металевого цвяха і отримує два електрона, то він перетворюється в металеву мідь, яка осідає на поверхні цвяха. У свою чергу, хлорид-іон віддає електрон позитивного вугільного електрода і перетворюється в чистий хлор, який має газоподібну форму і виділяється з розчину. Такий вид електролізу можна використовувати для покриття металевих виробів тонким шаром різних металів. Подібний процес називається гальванізацією.
У вільному стані стрілка компаса завжди показує на північ. Н якщо компас помістити під кабель, по якому тече електричний струм, то стрілка обов'язково відхилитися. Електрика і магнетизм тісно пов'язані. Це явище в 1820 році вперше відкрив Крістіан Ерстед.
