План урока:

Как соединяют потребители в цепь?

Работа электрического тока

Мощность тока

Закон Джоуля – Ленца

Лампа для освещения

Зачем человеку электрический ток?

Как соединяют потребители в цепь?

Электрическая цепь простого карманного фонарика содержит всего один потребитель. Но многие цепи нужны для объединения сразу нескольких потребляющих устройств. Их соединяют последовательно и параллельно.

Если в соединении не используются разветвления проводов и потребители соединяются по очереди, друг за другом, такое строение цепи называют последовательным соединением.

При параллельном соединении два или несколько потребителей соединяются с одной парой точек, то есть наблюдается разветвление проводов.

При отказе от работы одного из потребителей последовательной цепи, ток прекратится полностью во всей цепи. Это является характерной особенностью последовательного соединения. Так в новогодней гирлянде, собранной последовательно, перегоревшая лампочка прекратит работу всей гирлянды. Чтобы найти перегоревшую, придется проверять каждую лампочку.

 Новогодняя гирлянда с последовательным соединением

Пусть последовательная электрическая цепь составлена из трех потребителей: 1,2,3. По каждому потребителю проходит одинаковый ток, который выдает источник тока.

I₁ = I₂ = I₃ = I_общ

Измерить силу тока нужно с помощью амперметра, включаемого в цепь последовательно с проводниками. В любом месте такой цепи ток пойдет один и тот же, и сила тока будет одинакова.

Если потребители использованы различные, то есть с различным сопротивлением, при одинаковом токе значение напряжения должно быть различным на каждом участке. Например, пусть R₁ = 2 Ом, R₂ = 3 Ом, R₃ = 4 Ом, при силе тока I = 1,5 А по закону Ома напряжение должно быть

U₁ = 2 Ом * 1,5 А = 3 В;

U₂ = 3 Ом * 1,5 А = 4,5 В;

U₃ = 4 Ом * 1,5 А = 6 В.

Для измерения напряжения к каждому потребителю вольтметр подключается отдельно и параллельно. Общее напряжение определяется суммой напряжений всех участков цепи. Полное, то есть тоже общее сопротивление, всех потребителей равно сумме отдельных.

Расчеты общей силы тока, общего сопротивления и общего напряжения в параллельном соединении существенно отличаются от соединения последовательного. Так, сила тока, идущего от источника, в месте разветвления распределяется на все подключенные потребители. Это распределение будет зависеть от сопротивления каждого отдельного потребителя (материала, длины, поперечного сечения). Поэтому амперметр для определения силы тока придется подключать последовательно к каждому потребителю отдельно.

Вольтметр же покажет одно и то же значение на каждом сопротивлении, потому что соединяется практически с одними и теми же точками цепи.

Нередко цепь бывает образована смешанным соединением:

Здесь между точками a и b сопротивления R₁ и R₂ соединены параллельно. Между b и c сопротивления R₃ и R₄, соединенные последовательно, с сопротивлением R₅ связаны параллельно. Сами же участки ab и bc опять соединены последовательно:

Расчеты силы тока, напряжения и сопротивления при таком сложном соединении производятся по тем же формулам с учетом соединений отдельных участков и использованием закона Ома.

Работа электрического тока

В каждом доме есть устройство, которое называется электрическим счетчиком. Он предназначен для учета работы, совершенной электрическим током за определенное время. Счетчик связан со всей электрической цепью квартиры, и любое подключение домашних электроприборов отражается на счетчике. Как же вычисляется работа электрического тока?

 Электросчетчик

Здесь нужно вспомнить понятие напряжения и формулу его вычисления.

Простейшее преобразование дает правило вычисления работы электрического тока:

А = U ∙ q.

Но q = I ∙ t, значит, А = U ∙ q = I ∙ U ∙ t.  

Итак,

Говоря простым языком, работа тока, применяемого в каждом доме, прямо зависит от силы тока и напряжения его, а также от времени пользования сетью, т. е. насколько долго используется этот ток разными электроприборами.

Источник

Мощность тока

Применяя различные устройства, потребители электрического тока, в промышленности и быту, необходимо знать еще одну характеристику электрического тока: мощность. Эта физическая величина (обозначают буквой Р) всегда указывается в паспорте любого прибора или устройства. Она помогает рассчитать будущее потребление электрической энергии.

Если сюда подставить уже известную формулу для работы вместо А, то получится производная формула для вычисления мощности через напряжение и силу тока.

P = А/t = I ∙ U ∙ t / t = I ∙ U, то есть,

Из седьмого класса известны единицы измерения работы и мощности. Они же сохраняются и в случае с электрическим током. Это джоули и ватты в СИ. Но чаще, когда используются электросчетчики, применяется единица 1 кВт ∙ ч. Такая единица соответствует работе, которую совершает ток мощностью 1 кВт (1000 Вт) за время 1 ч.

В качестве примера в следующей таблице можно увидеть мощности известных электроустройств, записанные в киловаттах.

В домах, производственных помещениях часто бывают подключены к сети несколько потребителей тока. Там, где живут люди, максимальная сила тока не должна быть больше 10 А при напряжении 220 В. Сделав несложные расчеты, можно получить общую мощность тока, допустимую в квартире.

P = I ∙ U, P = 10 A ∙ 220 B = 2200 Bт = 2,2 кВт.

Значит, включать одновременно большое количество приборов недопустимо. Это может привести к резкому росту силы тока, сильному нагреванию и воспламенению.

Для защиты от этих проявлений тока используют так называемые плавкие предохранители. Они предназначены для автоматического отключения цепи при увеличении силы тока выше допустимой.

Источник Виды плавких предохранителей

Действие предохранителей основано на том, что при очень большом токе металлический провод раскаляется и перегорает (плавится). Такой короткий провод находится внутри устройства. Когда он перегорает, происходит разрыв цепи, и ток прекращается.

И все-таки, надеяться только на предохранители при использовании электричества не стоит. Нужно строго соблюдать правила техники электробезопасности.

Закон Джоуля-Ленца

Тепловое действие тока получило свою количественную оценку в законе Джоуля-Ленца. Этот закон вывели независимо друг от друга примерно в одно время англичанин Джеймс Джоуль и русский физик Эмиль Ленц. Поэтому название закона двойное.

Источник

Современная формулировка закона следующая: 

Ученые открыли этот закон с помощью экспериментов, но обосновать его теоретически тоже возможно. Когда проходит ток по проводникам, совершается работа A = I ∙ U ∙ t, но U = I ∙ R. Поэтому A = I² ∙ R ∙ t. И если в проводнике не происходят никакие химические реакций, и сам проводник никуда не движется, то вся работа расходуется на рост внутренней энергии. Иначе говоря, происходит выделение количества теплоты, определяемого таким же выражением (I² ∙ R ∙ t).

Лампа для освещения

«Висит груша – нельзя скушать?». Воспитатель детского сада не успевает закончить эту загадку, а дети уже кричат: «Лампочка!». А что же такое лампочка и откуда она появилась в каждом доме? Правильное ее название лампа накаливания.

Это сейчас известная лампочка служит для освещения комнаты несколько месяцев, а вот первые лампочки, созданные русским физиком-электротехником Александром Николаевичем Лодыгиным, могли работать только 30-40 минут. Но это был всего лишь 1872 год.

Источник Александр Николаевич Лодыгин и его лампа

Главной частью лампы Лодыгина был стержень из угля. Стержень при прохождении по нему тока сильно нагревался до такой температуры, что начинал светиться. Закрыт стержень был стеклянной колбой.

Чтобы увеличить время работы лампы, Лодыгин постоянно менял ее конструкционные элементы. Из колбы откачивался воздух, и добавлялись угольные стержни, которые сгорали поочередно.

Узнав об изобретении Лодыгина, ученый - американец Т.А. Эдисон пошел по пути подбора наилучшего материала для светящихся стержней. Около шести тысяч различных веществ на опытах проверил Эдисон. Даже бамбук после сложной химической обработки светился в лампе ярким, равномерным светом.

Одновременно Эдисон разработал место вставки проводов в стеклянную колбу лампочки и крепление лампочки в электрической цепи. До сих пор таким устройством является патрон – удобная вставка для лампочки накаливания (эдисоновский патрон). Был изобретен и выключатель.

Такие разработки увеличили срок годности лампочки до 800 ч. Лампа накаливания стала удобной и практичной.

Источник Томас Алва Эдисон и его первые лампы

Сотни людей были изумлены освещением двора в новогоднюю ночь 1 января 1880 года, когда из окон лаборатории, где трудился Эдисон, стал литься свет от семисот лампочек, включенных там одновременно.

С тех времен надежные и удобные осветительные устройства стали применяться для освещения улиц, домов, кораблей.

Современный вид лампа приобрела после 1890 года, когда А. Н. Лодыгин подобрал для светящегося стержня тугоплавкое вещество – вольфрам. Температура, достигнув которой вольфрам плавится: 3400^о C, и поэтому вольфрамовый стержень намного долговечнее угольного.

Стержень постепенно преобразовали в вольфрамовую нить, затем стали делать нитяной зигзаг, и затем зигзаг заменили спиралью. Этот вид нити используют и теперь. Нить, закрученная в спираль имеет общую длину больше, чем натянутая, и поэтому света может дать больше и служит дольше. 

  Лампа накаливания

Колба лампы представляет из себя плотно запаянный стеклянный сосуд, из которого полностью выкачан воздух и добавлен инертный газ аргон или криптон. Это тоже увеличивает время работы лампы за счет уменьшения скорости испарения вольфрама со спирали внутри инертного газа. Вольфрам держится на спиральной нити дольше, а значит, лампа работает большее время. Форма колбы не обязательно грушеобразная.

  Виды лампочек по форме

На каждой лампочке обязательно указывается электрическая мощность P и напряжение U, на которое она рассчитана.

В жилых помещениях используются стандартные лампочки на 40, 60, 100 Вт при напряжении 220 В.

Главные структурные элементы лампы встречаются у ламп любой формы:

Источник Строение лампы накаливания

Если ток идет через вольфрамовую спираль (тело накала), происходит нагревание ее до температуры более 3000^о C. Вольфрам раскаляется до белого цвета и начинает ярко светить. Для замедления плавки вольфрама среди инертных газов выбирают аргон или криптон. Инертные газы подробно изучаются в курсе химии в старших классах.

Если увеличить напряжение на лампе хотя бы на 1 % от номинального, которое помечено на самой лампе, она станет светить ярче, однако срок ее использования уменьшится до 15 %.

При уменьшении напряжения яркость свечения лампы соответственно уменьшится.

Лампа испортится (перегорит), если напряжение тока увеличится более чем в 1,15 раза.

Это опять говорит о том, что использование электроприборов должно находиться под строгим контролем при соблюдении техники безопасности.

Зачем человеку электрический ток?

Сейчас уже трудно представить жизнь отдельного человека и человечества в целом без использования электричества. Электрический ток сопровождает людей повсюду. Для подтверждения огромного его значения достаточно перечислить разновидности бытовых устройств по их назначению и применению:

• осветительные и нагревательные приборы;
• устройства для поддержания микроклимата в помещениях;
• морозильники и холодильники;
• бельевые электроустройства (стиральные машины, гладильные машины, утюги, отпариватели);
• уборочные машины (пылесосы, моющие приспособления);
• швейные машины;
• кухонные механизированные устройства (электрочайники, плитки, мясорубки, миксеры и т.д.);
• приборы личной гигиены и санитарии;
• компьютеры и вычислительная техника;
• электроприборы для досуга.

Не зная объяснения природным электрическим явлениям, человек просто боялся их. Развитие науки помогло человеку приручить электричество и электрический ток, но при соблюдении специальных правил:

Источник

Правильное отношение к электрическим явлениям и грамотное применение их в жизни позволяют человеку вести здоровый образ жизни, рационально использовать время, развивать свои способности, получать новые знания, двигать вперед науку.