§ 35. Электрическая цепь и её составные части

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ: ВНУТРЕННЯЯ И ВНЕШНЯЯ ЧАСТИ

Для того чтобы вырабатываемую источником электрическую энергию доставить потребителям и совершить полезную работу, создают замкнутую проводящую систему:

• Электрическая цепь — это совокупность соединённых проводниками источника тока, потребителей электрической энергии и управляющих устройств, обеспечивающая непрерывное протекание электрического тока.

Всякая электрическая цепь фундаментально разделяется на две взаимосвязанные части:

1. Внутренняя цепь: сам источник электрического тока (гальванический элемент, аккумулятор или генератор). Внутри источника сторонние силы неэлектрической природы совершают работу по непрерывному разделению зарядов, создавая на полюсах источника избыток разноимённых зарядов и разность потенциалов.
2. Внешняя цепь: все элементы и устройства, подключённые к зажимам источника тока снаружи. Во внешнюю цепь входят соединительные провода, коммутационные аппараты (ключи, выключатели) и потребители электроэнергии.

ПОТРЕБИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (ЭЛЕКТРОПРИЁМНИКИ)

Потребителями (приёмниками) электроэнергии называют технические устройства, которые принимают поступающий электрический ток и преобразуют энергию электрического поля в другие полезные виды энергии:

• Световые (осветительные) приборы: лампы накаливания, светодиодные модули, люминесцентные и галогенные лампы превращают электрическую энергию в видимый свет.
• Электронагревательные приборы: нихромовые спирали электрочайников, утюгов, обогревателей, электроплит и промышленных печей преобразуют энергию тока во внутреннюю (тепловую) энергию.
• Электродвигатели: моторы вентиляторов, насосов, станков, электросамокатов, трамваев и электропоездов превращают электрическую энергию в механическую работу движения.
• Химические установки: электролитические ванны для рафинирования меди, выплавки алюминия и гальванического золочения преобразуют энергию электрического тока в энергию химических связей.
• Звуковые приборы: электрические звонки, динамики, зуммеры и сирены преобразуют ток в акустические колебания воздуха.

Доставка электрической энергии от источника к каждому потребителю осуществляется с помощью металлических соединительных проводов (обычно медных или алюминиевых), надёжно изолированных снаружи слоем резины или пластика.

УСЛОВИЕ ПРОТЕКАНИЯ ТОКА: ЗАМКНУТОСТЬ ЦЕПИ

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение свободных зарядов. Свободные заряды могут двигаться только внутри проводников, поэтому на всём пути следования тока должны встречаться исключительно проводящие материалы:

• Главное фундаментальное условие: для протекания электрического тока цепь обязательно должна быть замкнутой.

Для безопасного управления работой потребителей — их включения и отключения от источника питания — применяют замыкающие и размыкающие устройства: рубильники, ключи, кнопки, клавишные выключатели и автоматические реле.

Что физически происходит при размыкании ключа?

При разведении контактов выключателя проводящий металлический контакт нарушается, и между контактами образуется слой воздуха. Воздух при комнатных условиях является диэлектриком (изолятором), в котором практически нет свободных носителей заряда. В результате разрыва проводящего контура электрическое поле внутри проводов мгновенно исчезает, и упорядоченное движение электронов немедленно прекращается по всей цепи одновременно — лампа гаснет, двигатель останавливается.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Современные электронные приборы и электрические сети содержат сотни и тысячи соединённых элементов. Описывать их взаимное расположение словами сложно и нерационально, поэтому в науке и технике используют чертежи:

• Электрическая схема — это графический чертёж, на котором составные элементы электрической цепи и способы их соединения изображены с помощью общепринятых стандартных условных знаков.

На электрических схемах соединительные провода показывают тонкими прямыми линиями. Основные элементы обозначают следующими стандартными символами:

1. Гальванический элемент или аккумулятор: две параллельные линии (длинная тонкая черта обозначает положительный полюс «+», короткая утолщённая черта — отрицательный полюс «-»).
2. Батарея гальванических элементов или аккумуляторов: чередующиеся пары длинных тонких и коротких толстых чёрточек.
3. Ключ (выключатель): разомкнутый наклонный отрезок на линии провода.
4. Электрическая лампа: окружность с перекрестием (крестом) внутри.
5. Электрический звонок: куполообразная чашечка на подставке с двумя выводами.
6. Резистор (проводник с определённым сопротивлением): вытянутый прямоугольник.
7. Соединение проводов: жирная точка на перекрестии проводников (обозначает электрический контакт, спайку). Если пересекающиеся линии начерчены без точки, провода просто перекрещиваются в пространстве без электрического контакта.

Простейшая замкнутая электрическая схема включает в себя источник тока (батарейку), ключ, электрическую лампу и соединительные провода, образующие непрерывный проводящий контур.