§ 31. Электрические цепи

Определения и обозначения

Электрическая цепь — замкнутый путь, по которому может проходить электрический ток. В неё входят источник тока, потребитель электрической энергии и соединяющие их провода; часто добавляют ключ. Такое понятие помогает увидеть не отдельные детали, а систему, в которой каждый элемент связан с другими.

Источник тока — устройство, создающее и поддерживающее электрическое поле в цепи. К источникам относятся батарейка, аккумулятор и генератор. Благодаря источнику заряды получают условия для направленного движения, а без него цепь не сможет питать потребитель.

Потребитель электрической энергии — устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. Например, лампа превращает её в свет и тепло, а электродвигатель — в движение. Потребитель нужен, чтобы электрическая энергия выполняла полезную работу.

Электрическая схема — условное изображение цепи с помощью обозначений её элементов. На ней вместо настоящих деталей показывают специальные знаки и линии-провода. Схемы используют, потому что по ним проще и точнее понять соединения, чем по рисунку устройств разного внешнего вида.

Как это устроено

Внутри источника происходят процессы, которые разделяют заряды и поддерживают электрическое поле. Поле действует на заряженные частицы в проводниках и заставляет их двигаться упорядоченно — так возникает ток. Но одного источника недостаточно: заряды должны иметь непрерывный путь, поэтому для работы цепи её замыкают.

В простейшей цепи один полюс источника соединяют проводом с потребителем, а потребитель — проводом с другим полюсом. Источник создаёт условия для движения зарядов, провода обеспечивают связь между элементами, а потребитель преобразует электрическую энергию. Если хотя бы одно соединение отсутствует, общий путь не получается и цепь не работает.

Ключ — устройство, которое соединяет или разъединяет участок цепи. Когда контакты ключа соединены, путь для тока непрерывен; когда они разведены, на этом месте возникает разрыв. Поэтому при разомкнутом ключе ток не проходит по цепи, даже если источник, лампа и остальные провода исправны.

На схеме элементы показывают условными обозначениями, а соединения — линиями. Например, источник изображают парой параллельных линий разной длины, лампу — кругом с крестом, ключ — символом контактов. Такие знаки позволяют не зависеть от того, как конкретная батарейка, лампа или переключатель выглядят в действительности.

Чтобы понять схему, нужно проследить линии от одного полюса источника к другому и проверить каждое соединение. Если путь непрерывен, а ключ замкнут, цепь замкнута; если на пути есть разрыв, ток не проходит. Так можно определить не только наличие замкнутой цепи, но и то, какие элементы включены в общий путь.

Элементы электрической цепи и их обозначения

Сначала найди на схеме источник, затем проследи линии-провода и отметь остальные элементы. Условные знаки показывают тип элемента, а не его точный внешний вид. Проверяя путь от одного полюса источника к другому, можно понять, замкнута ли цепь.

Разбор задач

Задача 1. Нарисуйте схему цепи из источника тока, лампы, ключа и соединительных проводов. Покажите, в каком положении ключа лампа будет гореть. Нужно не просто расставить обозначения, а соединить их так, чтобы получился непрерывный путь.

1. Изобразите источник, лампу и ключ условными знаками, а места соединения — линиями-проводами.
2. Соедините элементы последовательно: от одного полюса источника к ключу, от ключа к лампе, от лампы — ко второму полюсу.
3. Проверьте путь: при замкнутом ключе он непрерывен, при разомкнутом — прерывается.

Ответ: лампа будет гореть при замкнутом ключе, если соединения исправны. В схеме важно показать связь с обоими полюсами источника: только тогда получается замкнутая цепь.

Задача 2. По схеме лампа не горит. Нужно определить, разомкнут ли ключ или один из проводов не соединён с элементом. Проверяйте не внешний вид схемы, а непрерывность пути от одного полюса источника к другому.

1. Начните с одного полюса источника и двигайтесь по линиям к лампе, затем дальше ко второму полюсу.
2. На каждом участке проверьте, соединяется ли линия с обозначением элемента; отдельно проверьте положение ключа.
3. Найдите место, где путь прерывается: это может быть разомкнутый ключ или незамкнутое соединение провода.

Ответ: причина — тот участок, на котором путь от одного полюса источника к другому обрывается. Если ключ замкнут, ищите несоединённый провод; если соединения целы, проверьте ключ.

Задача 3. Составьте схему с источником, ключом и двумя лампами так, чтобы ключ одновременно включал и выключал обе лампы. Для этого обе лампы должны зависеть от одного и того же разрыва цепи. В задаче требуется показать общий путь, а не две независимые цепи.

1. Расположите источник, ключ и две лампы в одном общем замкнутом пути, соединив их проводами последовательно.
2. Поставьте ключ на общий участок пути, через который проходит цепь к обеим лампам.
3. Проверьте два положения: замкнутый ключ завершает путь через обе лампы, разомкнутый одновременно прерывает его.

Ответ: обе лампы включаются и выключаются одним ключом, если они соединены в общий путь и ключ разрывает этот путь. В замкнутом положении цепь непрерывна, а в разомкнутом ток не проходит.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что достаточно соединить потребитель с одним полюсом источника. Такой путь не замкнут, поэтому ток через потребитель не проходит; часто забывают о необходимости соединения со вторым полюсом. Проверь себя: проследи непрерывный маршрут от одного полюса к другому.

Рисунок устройства и электрическая схема — не одно и то же. На рисунке показывают, как детали выглядят, а на схеме используют условные знаки, поэтому попытка изобразить батарейку или лампу в натуральном виде мешает увидеть соединения. Проверь себя: обозначены ли элементы принятыми символами, а проводники — линиями.

Иногда забывают, что разомкнутый ключ сам прерывает путь тока, даже если остальные части соединены правильно. Это происходит, когда ключ воспринимают просто как ещё одну деталь, не проверяя его положение. Проверь себя: отметь контакты ключа и убедись, соединены ли они.

Провода могут казаться главным источником питания, потому что именно по ним ток идёт к лампе. Но провода только соединяют элементы, а электрическую энергию цепи поставляет источник. Проверь себя: найди на схеме источник и не приписывай проводам его роль.

Связь с другими темами

Для понимания цепей нужно знать, что такое электрический ток и какие условия необходимы для его существования. Если понятия заряженных частиц и их направленного движения пока неясны, полезно сначала повторить их: тогда станет понятнее роль источника и замкнутого пути. Умение читать схемы пригодится при изучении силы тока, напряжения и сопротивления. Оно также поможет разбираться в последовательном и параллельном соединениях, где важно видеть, как именно связаны элементы.

Что запомнить

• Электрический ток проходит по замкнутой цепи.
• Источник тока поддерживает условия для движения зарядов.
• Потребитель преобразует электрическую энергию в другие виды энергии.
• Ключ позволяет замыкать и размыкать цепь.
• Элементы цепи на схемах изображают условными обозначениями.
• По схеме можно проследить соединение элементов и проверить, замкнута ли цепь.