Как обозначается ключ в физике

Элементы цепи

В школьной физике, ЦТ и задачниках, задачи на закон Ома, закон Джоуля-Ленца и, в общем, на цепи часто встречаются изображения (схемы) цепей со своими условными обозначениями. Пиктограммы этих обозначений договорные, поэтому для решения задач знать их необходимо (рис. 1).

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). (во втором случае электроны двигаются быстрее)

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.

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.

При параллельном подключении мы можем высчитать общее сопротивление и сопротивление на каждом отдельном участке цепи: R_общ = U_общ / I_общ и в нашем случае: R_общ = 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/R_общ = 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. (на первой картинке электроны медленно перемещаются слева направо, на второй — дергаются туда-сюда)

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.

Составные части электрической цепи

Использовать электрическую энергию возможно, лишь подключив потребитель к источнику тока. При этом к одному источнику часто подключают несколько потребителей.

Чтобы правильно соединять приборы между собой, нужно разбираться в схемах и уметь составлять электрическую цепь из используемых элементов.

Обычно сначала рисуют электрическую схему цепи на бумаге. На такой схеме указывают, как именно должны соединяться между собой всевозможные элементы, включаемые в цепь.

Затем на нарисованной схеме проверяют правильность соединений. И, только затем подключают различные потребители, соединительные провода и прочие части цепи к источнику тока.

Умение составлять электрические схемы на бумаге позволит избежать ошибок, коротких замыканий и выхода из строя различных звеньев цепи.

Из каких частей состоит простейшая электрическая цепь

Простейшая электрическая цепь содержит:

• источник тока;
• соединительные провода;
• приемники тока (потребители электроэнергии);
• ключ;

Примечание: Источник создает и поддерживает электрическое поле для длительного протекания тока.

Виды потребителей тока

Среди потребителей, используемых в быту, можно выделить:

• электрические двигатели;
• осветительные приборы – лампы, люстры, бра, торшеры и т. п.;
• обогреватели, электроплиты, утюги;
• холодильники;
• и другие сложные электронные приборы – радио, телевизоры, плееры, компьютеры, принтеры, мобильные телефоны, планшеты;

Функции различных частей цепи

Каждый элемент электрической цепи выполняет свои специфические функции.

Источник тока снабжает энергией приемники тока – потребители.

Соединительные провода доставляют энергию от источника к потребителям.

Всевозможные кнопки, выключатели, рубильники, применяют в нужные моменты времени для подключения потребителей к источнику тока, а, так же, их отключения от источника.

Чтобы по электрической цепи циркулировал ток, эта цепь должна быть замкнутой.

Поэтому любая замкнутая цепь состоит из элементов, способных проводить электрический ток — проводников.

Если разомкнуть (разорвать) цепь в какой-либо ее части, то электрический ток перестанет по ней протекать. Разрывают цепь в нужные моменты времени с помощью всевозможных выключателей.

Как элементы электрической цепи обозначают на схемах

Для наглядности способы соединения элементов изображают графически. Такие чертежи называют принципиальными электрическими схемами (рис. 6). Чтобы не рисовать элементы в подробностях, для них придумали упрощенные обозначения.

Обозначение каждого элемента стандартизировали. Благодаря стандартам, схема цепи, составленная в какой-либо стране, может быть прочитана и воспроизведена в другой части мира.

На рисунке 7 приведены обозначения, принятые в странах СНГ и некоторых странах Европы.

Рядом с графическим символом указывают буквенные обозначения. Элементы на схемах принято обозначать латинскими буквами так:

• гальваническую батарею GB или B. В качестве источника тока для компактных электронных устройств часто применяют аккумуляторы, или батарейки;
• выключатель – SA, кнопка — SB; Для кнопок и выключателей иногда используют только одну букву S;
• проводник, обладающий сопротивлением – R;
• соединительные клеммы — буквами XT;
• символом FU — плавкий предохранитель. Он служит для защиты схемы и из строя первым, как только ток превысит определенный порог, указанный на таком предохранителе;
• нагревательный элемент электроплит и других обогревателей — символом EK;
• лампу накаливания – HL или HA;
• разъем вилка-розетка – XS;
• электродвигатель постоянного тока – M;
• электромеханический звонок – HA.

Часто бывает так, что на схемах присутствуют элементы, обозначаемые одинаковыми графическими значками. Чтобы различать их, дополнительно вводят цифровую нумерацию (рис. 8).

Например, первую лампу обозначают HL1, вторую – HL2, и так далее.

Примечание: В Северной Америке и Японии графические обозначения некоторых элементов отличаются.

Существует еще одно, полезное для составителя схем, правило.

Элемент цепи можно передвигать по схеме вдоль соединительного проводника, если это не изменяет электрические соединения.

Благодаря такому правилу, одну и ту же схему можно нарисовать различными способами (рис. 9).

Для чего рисуют точки на схемах

Чтобы обозначить соединение элементов на схемах, используют точки. Нарисованная точка указывает на наличие контакта между токоведущими проводниками (рис. 10).

Если в каком-либо месте цепи соединяются три или более проводящих линии, их соединение обозначают точкой.

На следующем рисунке приведен пример использования точек на простых схемах, состоящих из батареек и лампочек. Рисунок 11а содержит соединение нескольких проводящих дорожек. Благодаря соединениям заряды во время протекания тока могут перемещаться из одного проводника в другой.

При построении электрических схем применяют различные способы соединения элементов, наиболее распространенные — последовательное и параллельное соединение, а так же, смешанное.

А на рисунке 11б представлено пересечение изолированных проводников. Соединений между такими проводниками нет и, ток из одного проводника во второй проводник проникать не будет.

Обязательно на схемах обозначайте точками соединения проводников. Если точку на схеме не поставить, то другие люди, читающие ваши схемы, подумают, что проводники не соединяются, а скрещиваются без соединения.

Электрическая цепь и ее составные части

Вспом­ним, что ранее мы ого­ва­ри­ва­ли три усло­вия на­ли­чия элек­три­че­ско­го тока:

1. на­ли­чие за­ря­дов;

2. на­ли­чие ис­точ­ни­ка тока (галь­ва­ни­че­ско­го эле­мен­та и др.). Ис­точ­ник тока со­зда­ет элек­три­че­ское поле внут­ри про­вод­ни­ка, что яв­ля­ет­ся при­чи­ной дви­же­ния за­ря­дов;

3. на­ли­чие элек­три­че­ской цепи. О по­след­нем по­ня­тии мы будет го­во­рить се­год­ня.

Элек­три­че­ская цепь долж­на со­дер­жать ис­точ­ник тока (рис. 1–3), т. е. эле­мент, ко­то­рый со­зда­ет в цепи элек­три­че­ское поле и обес­пе­чи­ва­ет дви­же­ние за­ря­жен­ных ча­стиц, и по­тре­би­тель тока, т. е. на­при­мер, любой бы­то­вой при­бор (рис. 4): лам­поч­ку, фо­на­рик, ком­пью­тер, те­ле­ви­зор, сти­раль­ную ма­ши­ну, хо­ло­диль­ник и т. п. Ис­точ­ник тока и по­тре­би­те­ли все­гда со­еди­ня­ют­ся про­во­да­ми (про­вод­ни­ка­ми), т. е. та­ки­ми эле­мен­та­ми, ко­то­рые спо­соб­ны про­во­дить элек­три­че­ский ток и об­ла­да­ют боль­шим ко­ли­че­ством сво­бод­ных за­ря­жен­ных ча­стиц.

Рис. 1. Галь­ва­ни­че­ский эле­мент

Рис. 2. Ак­ку­му­ля­тор

Рис. 3. Элек­тро­стан­ция

Рис. 4. По­тре­би­те­ли тока

Таким об­ра­зом, элек­три­че­ская цепь имеет сле­ду­ю­щие ос­нов­ные со­став­ные эле­мен­ты: ис­точ­ник тока, по­тре­би­те­ли тока, со­еди­ни­тель­ные про­во­да.

Ко­неч­но же, по­тре­би­те­ли тока сами по себе со­сто­ят из более мел­ких эле­мен­тов, каж­дый из ко­то­рых имеет свое на­зва­ние, функ­цию и осо­бен­но­сти. Элек­три­че­ские цепи бы­ва­ют слож­ны­ми и про­сты­ми, мы нач­нем их изу­че­ние с про­стей­ших ва­ри­ан­тов, на­при­мер, с устрой­ства кар­ман­но­го фо­на­ри­ка. В его со­став­ные части вхо­дят: ис­точ­ник пи­та­ния, лам­поч­ка, со­еди­ни­тель­ные про­во­да и вы­клю­ча­тель. В конце урока мы со­бе­рем элек­три­че­скую цепь, ана­ло­гич­ную цепи внут­ри фо­на­ри­ка и об­су­дим ее прин­цип ра­бо­ты.

Для удоб­ства элек­три­че­ские цепи при­ня­то изоб­ра­жать в виде схем, в ко­то­рых при­ня­ты опре­де­лен­ные обо­зна­че­ния раз­лич­ных эле­мен­тов. Услов­ные обо­зна­че­ния эле­мен­тов элек­три­че­ских цепей из­вест­ны и клас­си­фи­ци­ро­ва­ны опре­де­лен­ным об­ра­зом, их до­ста­точ­но много, но мы по­зна­ко­мим­ся с ос­нов­ны­ми из них.

Опре­де­ле­ние. Элек­три­че­ская цепь, изоб­ра­жен­ная на ри­сун­ке, на­зы­ва­ет­ся элек­три­че­ской схе­мой.

2. Условные обозначения элементов электрических цепей

Галь­ва­ни­че­ский эле­мент (ис­точ­ник тока)

Как видно из ри­сун­ка, длин­ной по­лос­кой обо­зна­ча­ют по­ло­жи­тель­ный полюс ис­точ­ни­ка, а ко­рот­кой – от­ри­ца­тель­ный

Галь­ва­ни­че­ская ба­та­рея (ак­ку­му­ля­тор)

Таким об­ра­зом обо­зна­ча­ет­ся со­еди­не­ние несколь­ких галь­ва­ни­че­ских эле­мен­тов

Со­еди­ня­ю­щи­е­ся про­во­да

Место со­еди­не­ния про­во­дов обо­зна­ча­ет­ся жир­ной точ­кой, ко­то­рую еще за­ча­стую име­ну­ют узлом

Несо­еди­ня­ю­щи­е­ся про­во­да

Про­во­да, ко­то­рые не со­еди­ня­ют­ся, в точке пе­ре­се­че­ния никак особо не вы­де­ля­ют­ся

Лампа на­ка­ли­ва­ния (лам­поч­ка)

За­жи­мы для под­клю­че­ния элек­тро­при­бо­ров

К по­доб­но­му эле­мен­ту на схеме можно под­клю­чать ка­кой-ли­бо элек­тро­при­бор

Ключ (вы­клю­ча­тель)

Эле­мент цепи для ее за­мы­ка­ния и раз­мы­ка­ния

Элек­три­че­ский зво­нок

Для за­по­ми­на­ния этого обо­зна­че­ния можно за­ме­тить, что оно по­хо­же на гри­бо­чек

Ре­зи­стор

Этот эле­мент цепи имеет боль­шое со­про­тив­ле­ние

На­гре­ва­тель­ный эле­мент

Плав­кий предо­хра­ни­тель

При­бор, ко­то­рый обес­пе­чи­ва­ет без­опас­ность ра­бо­ты элек­три­че­ской цепи

Ука­зан­ные в таб­ли­це эле­мен­ты яв­ля­ют­ся со­став­ны­ми ча­стя­ми про­стей­ших элек­три­че­ских цепей.

3. Устройство электрической цепи карманного фонарика

Рас­смот­рим про­стей­шую элек­три­че­скую цепь на при­ме­ре устрой­ства кар­ман­но­го фо­на­ри­ка. В нее вхо­дят ис­точ­ник пи­та­ния, лам­поч­ка на­ка­ли­ва­ния, со­еди­ни­тель­ные про­во­да и вы­клю­ча­тель (ключ).

Со­би­рать цепь удоб­но в сле­ду­ю­щей по­сле­до­ва­тель­но­сти: сна­ча­ла под­клю­чим лам­поч­ку к од­но­му из по­лю­сов ис­точ­ни­ка тока (ба­та­рей­ки), затем вто­рой кон­такт на лам­поч­ке под­клю­ча­ем к разо­мкну­то­му пред­ва­ри­тель­но ключу (вы­клю­ча­те­лю) и, чтобы за­мкнуть цепь, вто­рой кон­такт ключа со­еди­ня­ем со сво­бод­ным по­лю­сом ис­точ­ни­ка тока.

После сбора цепи видно, что лам­поч­ка не горит, т. к. она все еще разо­мкну­та с по­мо­щью ключа, и элек­три­че­ский ток не идет (не вы­пол­не­но усло­вие за­мкну­то­сти элек­три­че­ской цепи). Те­перь за­мы­ка­ем ключ, и лам­поч­ка за­го­ра­ет­ся (рис. 5), т. к. цепь ста­но­вит­ся за­мкну­той и все усло­вия су­ще­ство­ва­ния элек­три­че­ско­го тока вы­пол­не­ны.

Изоб­ра­зим схему со­бран­ной нами элек­три­че­ской цепи с ис­поль­зо­ва­ни­ем при­ве­ден­ных в таб­ли­це услов­ных обо­зна­че­ний (рис. 6).

Ко­неч­но же, бес­смыс­лен­но рас­смат­ри­вать с прак­ти­че­ской точки зре­ния те элек­три­че­ские цепи, в ко­то­рых не вы­пол­ня­ет­ся ра­бо­та элек­три­че­ско­го тока. О дей­ствии элек­три­че­ско­го тока и о вы­пол­не­нии им ра­бо­ты мы по­го­во­рим позже.