Lekce 8: Elektrické jevy. Část 4.

Známá vánoční girlanda obsahuje několik žárovek. Jak jsou vzájemně propojeny? Existují girlandy, u kterých, pokud se rozbije pouze jedna žárovka, ostatní se nerozsvítí. Proč? Pokud ale jedna žárovka v pokojovém lustru shoří, ostatní svítí. Na čem to závisí? Odpověď najdete v příští lekci.

Plán lekce:

Jak jsou spotřebitelé propojeni do řetězce?

Elektrický obvod jednoduché kapesní svítilny obsahuje pouze jednoho spotřebiče. Pro současné připojení několika spotřebičů je však zapotřebí mnoho obvodů. Zapojují se sériově i paralelně.

Pokud zapojení nepoužívá drátové větve a spotřebiče jsou zapojovány postupně, jeden po druhém, nazývá se taková struktura obvodu sériové zapojení.

Při paralelním připojení jsou dva nebo více spotřebitelů připojeny k jednomu páru bodů, to znamená, že dochází k rozvětvení vodičů.

Pokud jeden ze spotřebičů sériového zapojení selže, proud se v celém obvodu zcela zastaví. To je charakteristický rys sériového zapojení. Takže v novoroční girlandě sestavené sériově přeruší spálená žárovka funkci celé girlandy. Abyste našli spálenou žárovku, budete muset zkontrolovat každou žárovku.

Novoroční girlanda se sériovým zapojením

Nechť je sériový elektrický obvod složen ze tří spotřebičů: 1,2,3, XNUMX, XNUMX. Každým spotřebičem protéká stejný proud, který je produkován zdrojem proudu.

Síla proudu musí být měřena ampérmetrem zapojeným do série s vodiči. Proud bude stejný v jakémkoli místě takového obvodu a síla proudu bude stejná.

Pokud se používají různí spotřebiče, tj. s různým odporem, se stejným proudem, měla by být hodnota napětí v každé sekci odlišná. Například nechť R₁ = 2 Ohm, R₂ = 3 Ohm, R₃ = 4 Ohm, při proudové síle I = 1,5 A by podle Ohmova zákona mělo být napětí

U₁ = 2 Ohmy * 1,5 A = 3 V;

U₂ = 3 Ohmy * 1,5 A = 4,5 V;

U₃ = 4 ohmy * 1,5 A = 6 V.

Pro měření napětí se voltmetr připojuje ke každému spotřebiči samostatně a paralelně. Celkové napětí je určeno součtem napětí všech částí obvodu. Součet, tj. i celkový odpor, všech spotřebičů se rovná součtu jednotlivých spotřebičů.

Výpočty celkového proudu, celkového odporu a celkového napětí v paralelním zapojení se výrazně liší od sériového zapojení. Proud přicházející ze zdroje je tedy v bodě větvení rozdělen mezi všechny připojené spotřebiče. Toto rozdělení bude záviset na odporu každého jednotlivého spotřebiče (materiál, délka, průřez). Proto bude nutné ampérmetr pro stanovení proudu zapojit sériově ke každému spotřebiči zvlášť.

Voltmetr bude ukazovat stejnou hodnotu na každém odporu, protože je připojen k téměř stejným bodům v obvodu.

Řetězec je často tvořen smíšeným spojením:

Zde mezi body a a b odpor R₁ a R.₂ jsou zapojeny paralelně. Mezi b a c je odpor R₃ a R.₄, zapojené sériově, s odporem R₅ jsou zapojeny paralelně. Samotné úseky ab a bc jsou opět zapojeny sériově:

Výpočty proudu, napětí a odporu pro tak složité spojení se provádějí pomocí stejných vzorců, s přihlédnutím k propojení jednotlivých sekcí a s použitím Ohmova zákona.

Práce elektrického proudu

V každém domě je zařízení zvané elektroměr. Je určen k zaznamenávání práce vykonané elektrickým proudem za určitý čas. Elektroměr je připojen k celému elektrickému obvodu bytu a jakékoli připojení domácích elektrických spotřebičů se na elektroměru projeví. Jak se vypočítává práce elektrického proudu?

Zde si musíme připomenout pojem napětí a vzorec pro jeho výpočet.

Nejjednodušší transformace dává pravidlo pro výpočet práce elektrického proudu:

Ale q = I ∙ t, což znamená A = U ∙ q = I ∙ U ∙ t.

Jednoduše řečeno, provoz proudu používaného v každé domácnosti přímo závisí na síle a napětí proudu, stejně jako na době používání sítě, tj. jak dlouho tento proud spotřebovávají různé elektrické spotřebiče.

Aktuální výkon

Při používání různých zařízení, spotřebičů elektrického proudu, v průmyslu i v každodenním životě je nutné znát další charakteristiku elektrického proudu: výkon. Tato fyzikální veličina (označená písmenem P) je vždy uvedena v pasu jakéhokoli zařízení nebo přístroje. Pomáhá vypočítat budoucí spotřebu elektrické energie.

Pokud zde místo A dosadíme již známý vzorec pro práci, dostaneme derivační vzorec pro výpočet výkonu pomocí napětí a proudu.

P = A/t = I ∙ U ∙ t / t = I ∙ U, tj.

Od sedmé třídy jsou známy jednotky měření práce a výkonu. Zachovaly se i v případě elektrického proudu. V soustavě SI jsou to jouly a watty. Častěji se však při použití elektroměrů používá jednotka 1 kW ∙ h. Taková jednotka odpovídá práci vykonané proudem o výkonu 1 kW (1000 W) za 1 hodinu.

Jako příklad uvádí následující tabulka výkon známých elektrických zařízení, zaznamenaný v kilowattech.

V domech a průmyslových prostorách je k síti často připojeno několik spotřebičů proudu. Tam, kde lidé žijí, by maximální proud neměl být při napětí 10 V větší než 220 A. Po provedení jednoduchých výpočtů můžete získat celkový povolený proud v bytě.

P = I ∙ U, P = 10 A ∙ 220 V = 2200 Wt = 2,2 kW.

To znamená, že je nepřijatelné zapínat velké množství zařízení současně. To může vést k prudkému zvýšení proudu, silnému zahřívání a vznícení.

K ochraně před těmito proudovými projevy se používají tzv. pojistky. Jsou navrženy tak, aby automaticky odpojily obvod, když proud stoupne nad přípustnou hodnotu.

Fungování pojistek je založeno na skutečnosti, že při velmi vysokém proudu se kovový drát zahřeje a shoří (roztaví). Takový krátký drát se nachází uvnitř zařízení. Když shoří, obvod se přeruší a proud se zastaví.

Při používání elektřiny byste se však neměli spoléhat pouze na pojistky. Musíte přísně dodržovat předpisy pro elektrickou bezpečnost.

Joule-Lenzův zákon

Tepelný účinek proudu byl kvantitativním vyhodnocením popsán v Jouleově-Lenzově zákonu. Tento zákon byl nezávisle odvozen přibližně ve stejnou dobu Angličanem Jamesem Joulem a ruským fyzikem Emilem Lenzem. Proto má zákon dvojí název.

Moderní znění zákona je následující:

Vědci tento zákon objevili experimentálně, ale je možné ho i teoreticky zdůvodnit. Při průchodu proudu vodiči se vykoná práce A = I ∙ U ∙ t, ale U = I ∙ R. Proto A = I 2 ∙ R ∙ t. A pokud ve vodiči nedochází k žádným chemickým reakcím a samotný vodič se nikam nepohybuje, pak se veškerá práce vynakládá na zvýšení vnitřní energie. Jinými slovy, uvolňuje se množství tepla, určené stejným výrazem (I 2 ∙ R ∙ t).

Lampa pro osvětlení

„Visí tu hruška – nemůžete ji sníst?“ Učitelka ve školce nestihne tuto hádanku dokončit a děti už křičí: „Žárovka!“ Ale co je to žárovka a odkud se vzala v každé domácnosti? Její správný název je žárovka.

Tato dnes již slavná žárovka slouží k osvětlení místnosti po dobu několika měsíců, ale první žárovky, které vytvořil ruský fyzik a elektrotechnik Alexandr Nikolajevič Lodygin, mohly svítit pouze 30–40 minut. Ale to bylo teprve v roce 1872.

Zdroj Alexandr Nikolajevič Lodygin a jeho lampa

Hlavní částí Lodyginovy lampy byla uhlíková tyč. Když jí procházel proud, tyč se zahřála na takovou teplotu, že začala žhnout. Tyč byla pokryta skleněnou baňkou.

Aby prodloužil dobu provozu lampy, Lodygin neustále měnil její konstrukční prvky. Z baňky byl odčerpáván vzduch a byly přidány uhlíkové tyče, které jedna po druhé hořely.

Poté, co se americký vědec T. A. Edison dozvěděl o Lodyginově vynálezu, se vydal cestou výběru nejlepšího materiálu pro žhavé tyče. Edison v experimentech otestoval asi šest tisíc různých látek. Dokonce i bambus v lampě po složitém chemickém ošetření zářil jasným, rovnoměrným světlem.

Současně Edison vyvinul místo pro vkládání vodičů do skleněné baňky žárovky a upevnění žárovky v elektrickém obvodu. Dodnes je takovým zařízením objímka – praktická vložka pro žárovku (Edisonova objímka). Byl také vynalezen vypínač.

Takový vývoj prodloužil životnost žárovky na 800 hodin. Žárovka se stala pohodlnou a praktickou.

Zdroj Thomas Alva Edison a jeho první lampy

Stovky lidí byly ohromeny osvětlením nádvoří na Silvestra 1. ledna 1880, když se z oken laboratoře, kde Edison pracoval, začalo linout světlo ze sedmi set žárovek, které se tam současně rozsvítily.

Od té doby se k osvětlení ulic, domů a lodí používají spolehlivá a pohodlná osvětlovací zařízení.

Svůj moderní vzhled lampa získala po roce 1890, kdy A. N. Lodygin zvolil pro žhavicí tyčinku žáruvzdornou látku – wolfram. Teplota, při které se wolfram taví, je 3400 °C, a proto je wolframová tyčinka mnohem odolnější než uhlíková.

Tyčinka se postupně přeměňovala na wolframové vlákno, poté se začalo vyrábět nit cikcak a cikcak byl nahrazen spirálou. Tento typ nitě se používá dodnes. Nit stočená do spirály má celkovou délku větší než natažená, a proto může dávat více světla a déle vydrží.

Baňka lampy je těsně uzavřená skleněná nádoba, ze které je zcela odčerpán vzduch a je přidán inertní plyn argon nebo krypton. Tím se také prodlužuje provozní doba lampy snížením rychlosti odpařování wolframu ze spirály uvnitř inertního plynu. Wolfram zůstává na závitu spirály déle, což znamená, že lampa déle funguje. Tvar baňky nemusí být nutně hruškovitý.

Typy žárovek podle tvaru

Každá žárovka musí uvádět elektrický výkon P a napětí U, pro které je určena.

V obytných prostorách se používají standardní žárovky o výkonu 40, 60, 100 W při napětí 220 V.

Hlavní konstrukční prvky lampy se nacházejí v lampách jakéhokoli tvaru:

Pokud proud prochází wolframovou spirálou (vláknem), zahřeje se na teplotu přes 3000 °C. Wolfram se rozzáří do bíla a začne jasně zářit. Pro zpomalení tavení wolframu se z inertních plynů volí argon nebo krypton. Inertní plyny se podrobně studují v kurzu chemie ve vyšších ročníkech.

Pokud zvýšíte napětí na lampě alespoň o 1 % jmenovité hodnoty, která je vyznačena na samotné lampě, bude svítit jasněji, ale její životnost se sníží o 15 %.

Když se napětí sníží, jas lampy se odpovídajícím způsobem sníží.

Lampa se poškodí (vyhoří), pokud se proudové napětí zvýší více než 1,15krát.

To opět ukazuje, že používání elektrických spotřebičů musí být přísně kontrolováno a dodržována bezpečnostní opatření.

Proč člověk potřebuje elektrický proud?

V dnešní době je těžké si představit život jednotlivce i lidstva jako celku bez použití elektřiny. Elektrický proud doprovází lidi všude. Pro potvrzení jeho obrovského významu stačí vyjmenovat typy domácích spotřebičů podle jejich účelu a použití:

• osvětlovací a topná zařízení;
• zařízení pro udržování mikroklimatu v prostorách;
• mrazáky a ledničky;
• elektrické prádelenské přístroje (pračky, žehličky, žehličky, napařovače);
• čisticí stroje (vysavače, mycí zařízení);
• šicí stroje;
• kuchyňská mechanizovaná zařízení (rychlovarné konvice, sporáky, mlýnky na maso, mixéry atd.);
• prostředky pro osobní hygienu a sanitaci;
• počítače a výpočetní technika;
• elektrické spotřebiče pro volný čas.

Bez znalosti vysvětlení přírodních elektrických jevů se jich člověk jednoduše bál. Rozvoj vědy pomohl člověku zkrotit elektřinu a elektrický proud, ale pouze za zvláštních pravidel:

Správný přístup k elektrickým jevům a jejich kompetentní aplikace v životě umožňuje člověku vést zdravý životní styl, racionálně využívat čas, rozvíjet své schopnosti, získávat nové znalosti a rozvíjet vědu.