Схема электрического фонарика.
Сегодня мы рассмотрим, пожалуй, самую простую электрическую схему. Она содержит
всего три детали: батарейку, лампочку, выключатель. Схема замечательна тем,
что позволяет рассмотреть самые различные процессы и еще тем, что самым
настоящим устройством. И как любое устройство, фонарь состоит из трех основных
частей: источника энергии (батарейка), потребителя энергии (лампа) и системы
управления (выключатель). Кроме того, эта схема поможет понять нам несколько
довольно сложных вещей.
Начнем с источника питания. В нашей схеме это батарея, состоящая из двух
элементов питания, таким образом общее напряжение батареи - 3 вольта.
Электрический ток, как мы уже знаем, это направленное движение электрических
зарядов, которые перемещаются по электрической цепи под действием
электрического поля. Но для того, чтобы что-то куда-то переместить, нужно
совершить работу. Так вот напряжение показывает, какую работу совершает
электрическое поле при перемещении единичнго заряда из одной точки в другую.
Математические, это можно записать так:
где A - работа, Дж; U - напряжение, В; q - заряд, Кл.
Работа обозначается буквой А, а единицей измерения является - Джоуль, [А]=1Дж (Джоуль). Эта единица названа в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818-1889). И совершенно понятно, что чем больший заряд будет перемещен, тем большая работа будет совершена. Это означает, что, чтобы определить работу электрического тока на каком-либо участке цепи, надо напряжение на концах этого участка цепи умножить на электрический заряд, прошедший по нему:
где A - работа, Дж; U - напряжение, В; q - заряд, Кл.
для того, чтобы совершить работу, необходимо затратить какую-то энергию, да и при совершении работы выделяется энергия. Энергия, как и работа, также измеряется в Джоулях. В нашем фонарике, в лампочке энергия будет выделяяться в виде тепла, при прохождении электрического тока через нить накаливания. Причем, проводник настолько сильно нагреется, что начнет ярко светиться. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам путём теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течёт ток, равно работе тока, т.е. Q = A , где А - работа тока, Q - количество теплоты. Из формулы I=q/t следует, что q=It, а значит
где Q - количество теплоты, Дж; U - напряжение, В; I - сила тока, А; t - время, с.
Лампа накаливания, по сути, это размещенная в колбе, из которой откачали воздух, спираль из очень тонкого, скрученного в спираль провода с большим сопротивлением из тугоплавкого металла, например из нихрома.
Конструкция современной лампы накаливания. На схеме: 1 - колба; 2 - полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 - тело накала; 4, 5 - электроды (токовые вводы); 6 - крючки-держатели тела накала; 7 - ножка лампы; 8 - внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 - корпус цоколя; 10 - изолятор цоколя (стекло); 11 - контакт донышка цоколя.
где Q - количество теплоты, Дж; I - сила тока, А; R - сопротивление, Ом; t - время, с
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.
К такому же выводу на основании опытов пришли независимо друг от друга английский учёный Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля-Ленца.
Но знаний о том, сколько теплоты выделяет лампа нам недостаточно, хорошо бы знать, а за какое время выделяется эта теплота? Количество теплоты (энергии или работы) в единицу времени - это мощность. Единица мощности названа именем изобретателя паровых машин шотландца Джеймса Уатта (1736-1819). Электрическая мощность обозначается буквой Р, а единицей измерения мощности является Ватт, [P]=1 Вт.
где P - мощность, Вт; Q - количество теплоты, Дж; R - сопротивление, Ом; t - время, с
Учитывая, что Q=U∙I∙t, получим:
где P - мощность, Вт; U - напряжение, В; I - сила тока, А
Если известно, напржение на выврдах лампы и какой ток через нее проходит - легко определить ее мощность. И обратная задача, если известна мощность лампы и напряжение - легко определить какой будет сила тока, а зная ток, можно определить, например, необходимое сечение провода.
Но вернемся к фонарику. Чтобы каждый раз не вырисовывать все компоненты фонарика - используем условные графические обозначения:
Схема электрического фонаря:
Теперь рассмотрим нашу схему подробнее. Очевидно, что пока выводы выключателя разомкнуты, ток в схеме не течет, что бы в цепи начал течь ток - цепь нужно замкнуть. После замыкания, электроны с отрицательного полюса батареи по проводам, через лампу накаливания устремляются к положительному полюсу.
Но куда течет ток?
Это наверное немного странно, но ток течет в обратном направлении, от положительного полюса к отрицательному! Все дело в том, что когда необходимо было определиться с направлением движения тока, никто еще не знал, что в проводниках или вакууме носителями заряда являются электроны. Но уже знали, что есть два типа электричества - положительное и отрицательное. Ампер предложил просто принять за направление тока направление движения положительного электричества, и все время говорить о направлении тока, имея ввиду движение положительного заряда. С тех пор предложенное Ампером положение о направлении тока принято повсеместно, и используется до сих пор. И даже после того как английский физик Джозеф Томсон (1856-1940) в 1897 году открыл электрон, условность направления тока все равно сохранилась. Даже если в проводнике или в вакууме реально движутся только электроны, все равно за направление тока принимается противоположное направление - от плюса к минусу.
Задание
Используя среду: https://www.tinkercad.com
Соберите схему фонарика, используя вот эти элементы:
Copyright © R9AL 2020 Все права защищены
