Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

§ 26. Електричне коло та його елементи

Щоб розібратися в будові електричного пристрою 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 електричні пристрої, ви дізнаєтеся, вивчивши матеріал цього параграфа.

1. 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). Батарея має два виводи (полюси). Вивід батареї, на якому накопичується надлишковий позитивний заряд, позначений знаком «+».

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 (ліхтарика): 1 — джерело струму — батарея гальванічних елементів; 2 — споживач електричної енергії — лампа; 3 — з’єднувальні проводи; 4 — ключ

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

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

І, нарешті, останній елемент. Щоб було зручно вмикати й вимикати споживачі, використовують різноманітні замикальні (розмикальні) пристрої: ключ, рубильник, механічний або електронний вимикач, кнопку, розетку, реле. 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 найпростіші електричні кола, які 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.

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

2. Знайомимося з механічним аналогом електричного кола

Щоб краще зрозуміти призначення елементів електричного кола, розглянемо його механічний аналог. Механічна модель (рис. 26.4) складається з двох наповнених водою посудин (П+ і П-), трубки (3), вертушки (2) і... вашого товариша (1), завданням якого буде безперервне переливання води з посудини П- до посудини П+. Зануривши один кінець трубки в посудину з більш високим рівнем води (П+), створимо «водяний струм», який спричинятиме обертання вертушки.

* У поданій на рис. 26.1 моделі довжину з’єднувальних проводів штучно зроблено надмірною. На практиці конструктори максимально зменшують усі «зайві» елементи. Так, в електричному ліхтарику роль одного з’єднувального проводу часто виконує металевий корпус. Другий провід теж відсутній: один із виводів джерела струму безпосередньо контактує з виводом лампи.

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» заряди з одного полюса на другий, джерело струму створює та підтримує електричне поле. Ви, напевно, здогадалися: «водяний струм» у механічній моделі є аналогом електричного струму.

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

Механічним аналогом якого елемента електричного кола є трубка з водою?

Ми можемо закрити трубку корком і таким чином зупинити потік води. Отже, у 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 в трубці. Його наявність можна зафіксувати, спостерігаючи, наприклад, за обертанням вертушки. Так само висновок про наявність електричного струму ми робимо, коли спостерігаємо за його діями.

3. 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 (часто їх називають просто схемами).

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 на с. 138. 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 прийнято напрямок, у якому рухалися б по колу частинки, що мають позитивний заряд, тобто напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного.

Зверніть увагу: в металевому провіднику електрони під дією електричного поля джерела струму рухаються від негативного полюса до позитивного, тобто напрямок руху електронів є протилежним прийнятому напрямку струму.

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

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

Розглянемо схему складнішого електричного кола (рис. 26.6).

Рис. 26.6. Схема вмикання електричної лампи та обігрівача

Коло має три вимикачі (ключі), два споживачі струму (електричну лампу та електрообігрівач) і джерело струму (акумуляторну батарею).

Якщо замкнути ключі K₁ і К₂, а ключ K₃ розімкнути, то коло, споживачем у якому є лампа, буде замкнене на джерело струму — і лампа світитиметься. Якщо замкнути ключі K₁ і K₃, а ключ K₂ розімкнути, то працюватиме електрообігрівач, а лампа світитися не буде. Якщо ж замкнути всі три ключі, то одночасно світитиметься лампа і працюватиме електрообігрівач.

Деякі умовні позначення, застосовувані на схемах

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, вмикач (вимикач) 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.

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. Перенесіть схему до зошита, знаками «+» і «-» позначте полюси джерела струму, стрілками покажіть напрямок електричного струму. Підпишіть назву кожного елемента кола.

Рис. 1

2. Накресліть схему електричного кола, зображеного на рис. 2, стрілками покажіть напрямок струму в колі.

Рис. 2

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

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

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

6. Заповніть таблицю.

Фізична величина	Символ для позначення	Одиниця в СІ
Час
Сила
Електричний заряд
Механічна робота

Фізика і техніка в Україні

Інститут електродинаміки НАН України (Київ) — провідний науковий заклад у галузі енергетики, електротехніки й енергетичного машинобудування України.

Інститут електродинаміки був створений у 1947 р. на базі електротехнічного відділу Інституту енергетики АН УРСР і спочатку називався Інститутом електротехніки. Фундатором і першим директором інституту був академік Сергій Олексійович Лебедєв, під керівництвом якого в 1950 р. було створено першу на євразійському континенті Малу електронно-обчислювальну машину («МЕОМ»).

Основні наукові напрями роботи Інституту електродинаміки: перетворення і стабілізація параметрів електромагнітної енергії; підвищення ефективності та надійності процесів електромеханічного перетворення енергії; аналіз, оптимізація й автоматизація режимів електроенергетичних систем; інформаційно-вимірювальні системи і метрологічне забезпечення в електроенергетиці; комплексні енергетичні системи з відновлювальними джерелами енергії.

У різні роки Інститут електродинаміки очолювали видатні вчені: члени-кореспонденти АН УРСР А. Д. Нестеренко і О. М. Мілях, академік НАН України А. К. Шидловський.