Электроника:Постоянный ток/Основные концепты электричества/Сопротивление

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Максим Кузьмин

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Сопротивление

Цепь в разделе выше мало практична и на самом деле даже опасна (в ней контакты источника напряжения напрямую подключены друг к другу с помощью одного провода). Опасность в том, что электроток может быть слишком большим для этой цепи короткого замыкания, в результате чего может высвободиться колоссальное количество энергии (обычно в виде тепла).

Обычно электроцепи конструируются с прицелом на максимальную безопасность и более практичное использование высвобождаемой энергии.

Течение тока через спираль лампы

Одно из практичных и наиболее массовых областей применения электротока – это электрическое освещение. Простейшая форма электрической ламы – это маленькая металлическая спираль внутри прозрачного стеклянного «пузыря», которая загорается ярким белым светом («накаляется») от тепловой энергии, возникающей при протекании через нее электрического тока. Как и батарея, она имеет две электропроводящие контактные точки: одна для входа тока, а другая – для его выхода.

Если подключить лампочку к источнику напряжения, то цепь с нею будет выглядеть примерно так:

Протекая по тонкой металлической спирали лампочки, электроток встречает больше сопротивления, чем если бы протекал по толстому проводу. Это сопротивление электротоку зависит от типа материала, его площади сечения и температуры. Технически оно так и называется – «сопротивление». (Можно сказать, что проводники имеют низкое сопротивление, а диэлектрики – высокое). Это сопротивление служит ограничителем для течения тока по цепи, тогда как в примере с «цепью короткого замыкания» есть лишь провод, соединяющий один контакт источника напряжения (батареи) с другим, а сопротивление сведено к минимуму.

Когда электроток встречает сопротивление, генерируется «трение». Как и в случае с механическим трением, трение, генерируемое течением тока под действием сопротивления, проявляется в виде тепла. Концентрированное сопротивление в спирали лампы приводит к тому, что в этой спирали рассеивается относительно большое количество тепловой энергии. Ее хватает на то, чтобы спираль стала ярко белой, генерируя свет, в то время как провода между лампой и батареей (в которых гораздо меньше сопротивления) почти не нагреваются, хотя и проводят то же количество электротока.

Как и в случае с цепью короткого замыкания, если непрерывность цепи нарушена в какой-либо точке, электроток перестает течь по всей цепи. Если к цепи подключена лампочка, то это значит, что она перестанет гореть:

Опять же, в данном случае напряжение батареи проявится на концах разрыва в ожидании того, что кто-нибудь сделает между ними «мостик», чтобы снова запустить течение тока по цепи. Это состояние известно как «разомкнутая цепь» – при нем нарушение непрерывности цепи не дает току перемещаться по этой цепи.

То есть, чтобы сделать цепь разомкнутой, в ней лишь нужно сделать небольшой разрыв. Но если разрыв заделать и восстановить непрерывность цепи, мы получим состояние «замкнутой цепи».

Базовая схема для включения/выключения лампы

На картинке ниже изображена базовая схема для включения/выключения лампы при помощи дистанционного переключателя. Поскольку разрыв в одном месте нарушает течение тока по всей цепи, мы можем воспользоваться специальным устройством, с помощью которого можно нарушать/восстанавливать непрерывность цепи (оно называется «переключателем»). Его можно установить в любом удобном месте, куда можно провести провода, и с его помощью контролировать течение тока по цепи:

Вот так переключатель, вмонтированный в стену дома, может управлять светильником, установленным на потолке комнаты или даже в другой комнате – далеко от переключателя. Он состоит из пары проводящих контактов (которые обычно сделаны из металла), которые замыкаются друг с другом при помощи механического рычажка или кнопки. Когда контакты касаются друг друга, электроток получает возможность течь от одного контакта к другому, что восстанавливает непрерывность цепи. Когда контакты отсоединены, течение тока от одного контакта к другому нарушается из-за того, что между ними находится изоляция в виде воздуха, что нарушает непрерывность цепи.

Ножевой переключатель

Возможно, лучше всего это можно продемонстрировать на примере «ножевого» переключателя:

Ножевой переключатель – это всего лишь токопроводящий рычаг, один конец которого зафиксирован, а другой может свободно перемещаться в диапазоне, например, 0-45 градусов. Если переместить его в определенное положение, он соприкасается с одной или более стационарными контактными (и тоже токопроводящими) точками.

Основа переключателя на фото выше сделана из фарфора (превосходный диэлектрик), а его «лезвие» и контактные точки – из меди (превосходный проводник). «Лезвие» имеет пластиковый колпак, чтобы защитить руку оператора от воздействия электротока при включении и выключении переключателя.

Ниже – еще один ножевой переключатель, но с двумя стационарными контактами вместо одного:

Переключатель на фото выше имеет одно «лезвие» и два токопроводящих контакта, и это значит, что с его помощью можно замкнуть и разомкнуть более одной цепи. Но на данном этапе все это не очень важно, это лишь базовый концепт того, что такое переключатель и как он работает.

Ножевые переключатели хороши тем, что идеально подходят для иллюстрации того, как работают переключатели, но они крайне небезопасны при использовании в цепях высокой мощности. Из-за того, что проводниковые части ножевого переключателя ничем не защищены, есть очень высокая вероятность того, что человек может случайно до них дотронуться. Кроме того, любая искра между движущимся «лезвием» и стационарным контактом может поджечь любой находящийся рядом легковоспламеняющийся материал.

Разомкнутые и замкнутые цепи

Если придерживаться терминов «разомкнутый» и «замкнутый», то переключатель, замыкающий один контакт с другим (пример: ножевой переключатель, чье лезвие полностью касается стационарного контакта) и создающий непрерывность цепи для течения электротока через нее, называется «замкнутым переключателем». Аналогично переключатель, нарушающий непрерывность цепи (пример: ножевой переключатель, чье лезвие не касается стационарного контакта) и не позволяющий току идти между контактами, называется «разомкнутым переключателем».

Итого

• «Сопротивление» – это способность материала сопротивляться протеканию через него электрического тока.
• «Цепь короткого замыкания» – это электрическая цепь, в которой нет или мало сопротивления электротоку. Цепи короткого замыкания опасны при использовании с высоковольтными источниками питания, потому что столь большой ток может повлечь высвобождение огромного количества тепловой энергии.
• «Разомкнутая цепь» – это цепь, непрерывность которой нарушена (например, в ней есть разрыв), из-за чего по ней теперь не может идти электроток.
• «Замкнутая цепь» – это цепь, непрерывность которой не нарушена.
• Устройство, созданное для управляемого замыкания/размыкания электроцепи, называется «переключателем».
• Термины «разомкнутый» и «замкнутый» применимы и к переключателям. Если через переключатель не проходит ток, он называется «разомкнутым», а если проходит (возможно, встречая низкое сопротивление), то «замкнутым».