Физика

Урок 8: Явления электричества. Ч. 4

Электрические явления. Часть 4

Во всем известной елочной гирлянде собраны несколько лампочек. А как они соединены между собой? Есть такие гирлянды, в которых, если испортится всего одна лампочка, не горят и остальные. Почему? А вот, если в комнатной люстре перегорит одна лампочка, остальные светят. От чего это зависит? Ответ в следующем уроке.
slide6

                 Именная карта банка для детей 
                 с крутым дизайном, +200 бонусов

Перейти

Закажи свою собственную карту банка и получи бонусы

Перейти slide8

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.

1posled

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

2parall

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.

3girl
 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 = Iобщ

4shema posled

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.

5sdg

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.

6parall

7fhdh

Нередко цепь бывает образована смешанным соединением:

8smesh1

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:

9smesh2

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?

10gsgg
 Электросчетчик

Здесь нужно вспомнить понятие напряжения и формулу его вычисления.

11shh

Простейшее преобразование дает правило вычисления работы электрического тока:

А = U ∙ q.

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

Итак,

12dsh

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.

13sfhsh
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.

14dgsg

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,

15fhdh

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.

16tabl

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.

17fhsdfh
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.

18dfgd

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.

19fdjd
Источник

Современная формулировка закона следующая: 

20dsh

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.

21ladygin
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.

22dgsg
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: 3400о 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. 

23shh
  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.

24sfsh
  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:

25dhhf
Источник Строение лампы накаливания

Если ток идет через вольфрамовую спираль (тело накала), происходит нагревание ее до температуры более 3000о 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.

26fhdh

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:

27dfh
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.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Как найти испорченную лампочку в новогодней гирлянде с последовательным соединением?
1При включении в сеть перегоревшая лампочка не будет гореть
2Надо проверять каждую лампочку
3Испорченную лампочку вообще не найти
Ответить
2
Вопрос: 2
Общая сила тока цепи с параллельным соединением равна
1Сумме сил токов на каждом проводнике
2Силе тока в каждом отдельном проводнике
3Одному и тому же значению на любом участке цепи
Ответить
1
Вопрос: 3
Школьники находят общее напряжение в последовательной цепи с двумя лампочками. Вольтметр показывает на первой лампочке 1,5 В, на второй, 2,5 В. Каково общее напряжение?
12,5 В
21,5 В
34 В
Ответить
3
Вопрос: 4
Закон Джоуля – Ленца связывает
1Мощность и напряжение
2Количество теплоты, силу тока, напряжение и время
3Силу тока, сопротивление и напряжение
Ответить
2
Вопрос: 5
Кто изобрел первую лампочку?
1Джоуль
2Эдисон
3Лодыгин
Ответить
3
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Как найти испорченную лампочку в новогодней гирлянде с последовательным соединением?
1) При включении в сеть перегоревшая лампочка не будет гореть 2) Надо проверять каждую лампочку 3) Испорченную лампочку вообще не найти
2 вопрос:

Общая сила тока цепи с параллельным соединением равна
1) Сумме сил токов на каждом проводнике 2) Силе тока в каждом отдельном проводнике 3) Одному и тому же значению на любом участке цепи
3 вопрос:

Школьники находят общее напряжение в последовательной цепи с двумя лампочками. Вольтметр показывает на первой лампочке 1,5 В, на второй, 2,5 В. Каково общее напряжение?
1) 2,5 В 2) 1,5 В 3) 4 В
4 вопрос:

Закон Джоуля – Ленца связывает
1) Мощность и напряжение 2) Количество теплоты, силу тока, напряжение и время 3) Силу тока, сопротивление и напряжение
5 вопрос:

Кто изобрел первую лампочку?
1) Джоуль 2) Эдисон 3) Лодыгин
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Надо проверять каждую лампочку
2 вопрос: Сумме сил токов на каждом проводнике
3 вопрос: 4 В
4 вопрос: Количество теплоты, силу тока, напряжение и время
5 вопрос: Лодыгин
slide9

По нашей ссылке лучшие условия от Тинькофф Банка

Перейти

Получи кэшбэк до 30% и процент на остаток 5%

Перейти slide8