§ 49. Электрическая цепь

Определения и обозначения

Электрическая цепь — замкнутая совокупность источника тока, потребителей, соединительных проводов и других устройств, по которой может идти электрический ток. Замкнутая означает непрерывную: от одного полюса источника можно пройти по соединениям через приборы к другому полюсу. Это понятие нужно, чтобы описывать не отдельный прибор, а всю работающую систему.

Источник тока — устройство, в котором разделяются электрические заряды и благодаря этому поддерживается ток в цепи. К источникам относят, например, батарейку и аккумулятор. На схеме источник показывает, откуда цепь получает энергию для движения зарядов.

Потребитель электрической энергии — устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. Лампа превращает её главным образом в световую и тепловую, нагреватель — в тепловую, а звонок — в звуковую. Понятие помогает определить, какой прибор использует энергию источника и какой результат создаёт.

Электрическая схема — изображение цепи с помощью условных обозначений её элементов и линий, показывающих их соединение. Условный знак не копирует внешний вид прибора, а сообщает, какой элемент включён в цепь. По схеме можно быстро установить состав цепи и понять, есть ли непрерывный путь для тока.

Как это устроено

Источник тока нужен потому, что самопроизвольного движения зарядов по всей цепи недостаточно для постоянного тока. Внутри источника происходит разделение зарядов, и между его полюсами поддерживается разность электрических состояний. Провода соединяют полюса источника с приборами, поэтому заряды получают непрерывный путь через всю цепь.

Потребитель включают в цепь для получения полезного результата. Когда через лампу проходит ток, её нить нагревается и начинает излучать свет; в нагревателе энергия в основном превращается в тепло. В других устройствах могут возникать движение, звук или магнитное действие, поэтому потребитель не просто пропускает ток, а изменяет форму энергии.

Замкнутая цепь необходима потому, что заряды должны двигаться по непрерывному пути. Разрыв провода, плохой контакт или разомкнутый ключ останавливают движение зарядов во всей последовательной цепи. После восстановления соединения путь становится непрерывным, и при исправном источнике ток снова может проходить.

Ключ управляет цепью, механически изменяя соединение её частей. В разомкнутом положении между контактами есть промежуток, поэтому путь тока прерван. В замкнутом положении контакты соприкасаются, сопротивление промежутка исчезает, и цепь начинает работать без необходимости отсоединять провода.

Электрическую схему читают по условным обозначениям и линиям между ними. Сначала находят источник, затем прослеживают путь через ключ и потребители к другому полюсу источника. Линия означает соединение проводами, а её форма и длина обычно не показывают реальные размеры и расположение деталей.

Элементы электрической цепи и их обозначение на схеме

Пользуясь таблицей, сначала определите, какие условные знаки встречаются на схеме, а затем установите назначение каждого элемента. После этого проследите линии между знаками и проверьте, образуют ли они замкнутый путь. Точное начертание знака может зависеть от принятого набора обозначений, но его смысл сохраняется.

Разбор задач

Задача 1

Условие: нарисуйте цепь из источника тока, лампы, ключа и соединительных проводов так, чтобы лампа загорелась. Нужно не просто разместить элементы рядом, а создать путь, по которому ток сможет пройти через лампу.

1. Выберите условные обозначения источника, лампы и ключа.
2. Соедините их проводами в одну последовательную цепь: источник — ключ — лампа — источник.
3. Проверьте, что ключ замкнут и нигде нет разрыва между контактами.

Ответ: лампа загорится в замкнутой цепи, где все четыре элемента соединены непрерывными проводами. Положение ключа должно обеспечивать контакт между его частями. Если хотя бы одно соединение разорвано, лампа светиться не будет.

Задача 2

Условие: на схеме лампа не горит, хотя источник исправен. Требуется найти возможную причину неисправности. Проверять нужно не источник, а остальные элементы и их соединения.

1. Посмотрите, находится ли ключ в замкнутом положении.
2. Проследите обе линии от источника и найдите места, где провод отсоединён или контакт выполнен неправильно.
3. Если цепь замкнута, дополнительно проверяют исправность лампы и самих проводов.

Ответ: возможная причина — разомкнутый ключ или разрыв провода. В обоих случаях отсутствует непрерывный путь для движения зарядов. После замыкания ключа или восстановления контакта исправная лампа должна загореться.

Задача 3

Условие: по схеме с источником, двумя лампами и ключом определите, какие элементы соединены проводами, и установите, что произойдёт при размыкании ключа. Для ответа нужно читать не внешний вид схемы, а линии между условными знаками.

1. Найдите источник и проследите линию от одного его полюса через первую лампу, вторую лампу и ключ.
2. Установите, соединён ли последний элемент с другим полюсом источника, то есть образуется ли замкнутый контур.
3. Представьте размыкание ключа: в месте контакта появится разрыв, поэтому путь через обе лампы прервётся.

Ответ: проводами соединены источник, обе лампы и ключ, если между их обозначениями идут непрерывные линии. При размыкании ключа ток прекратится в цепи, и обе лампы погаснут. Это следует из того, что разрыв одного общего пути нарушает работу всей последовательной цепи.

Типичные ошибки

Считать, что ток идёт по разомкнутой цепи. Так думают, потому что элементы могут оставаться соединёнными с одной стороны. Проверьте себя: мысленно пройдите путь от одного полюса источника к другому — при разрыве непрерывного маршрута нет.

Путать источник тока и потребитель. Ошибка возникает, когда любой прибор в цепи считают «источником». Спросите, откуда берётся энергия: источник поддерживает ток, а потребитель получает энергию и преобразует её.

Воспринимать условные обозначения как рисунки приборов. Ученик может искать на схеме точную форму батарейки или лампы. Нужно помнить, что условный знак передаёт название и функцию элемента, а не его внешний вид.

Считать линии изображением проводов в натуральном виде. Из-за этого иногда пытаются оценивать длину или изгиб соединения. Проверяйте только наличие соединения: форма и размер линии на схеме обычно несущественны.

Связь с другими темами

До изучения электрической цепи нужно знать, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Это объясняет, почему для тока требуется непрерывный путь и источник, поддерживающий движение.

Понятие цепи понадобится при изучении силы тока, напряжения и электрического сопротивления. Позже с его помощью анализируют работу отдельных элементов и формулируют законы электрических цепей.

Что запомнить

• Для прохождения тока цепь должна быть замкнутой.
• Источник тока поддерживает ток в цепи.
• Потребители преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии.
• Провода соединяют элементы цепи.
• Ключ позволяет замыкать и размыкать цепь.
• Электрическую цепь изображают на схеме условными обозначениями.