________________________________________________________________

Задачи по теме: «Электрические схемы»

1. Нарисуйте схему соединения батарейки лампочки и двух ключей, при которой для включения лампочки необходимо замкнуть хотя бы один ключ.

2. Предложите схему соединения источника тока, звонка и двух ключей, позволяющую включить звонок из двух разных мест.

3. Нарисуйте схему соединения батарейки, двух лампочек и трех ключей, при которой включение и выключение каждой лампочки производится «своим» ключом, а размыкание третьего ключа позволяет отключить обе лампочки.

4. Начертите схему электрической цепи, состоящей из трех аккумуляторов и двух звонков, включаемых одновременно одним выключателем. Предложите 2 варианта решения задачи.

5. К батарее гальванических элементов присоединены три электрических лампы. Нарисуйте схему включения в цепь двух выключателей так, чтобы один из них управлял двумя лампами одновременно, а другой – одной, третьей лампой.

6. Начертите схему электрической цепи, в которой с выключением лампы в одной комнате загорается лампа в другой комнате.

7. Начертите схему электрической цепи, состоящей из батареи гальванических элементов, трех звонков и одного выключателя, чтобы звонки, находящиеся в разных помещениях можно было бы одновременно привести в действие нажатием кнопки, расположенной в четвертом помещении.

Очень часто источники тока соединяют между собой для совместного питания цепи.

Составим цепь гальванических элементов так, чтобы положительный полюс каждого предыдущего элемента соединялся с отрицательным полюсом последующего (рис. 130). Если цепь составлена, например, из элементов Вольты, то медный электрод каждого элемента имеет потенциал на 1,1 В выше, чем цинковый электрод того же элемента. Медный и цинковый электроды двух соседних элементов соединены проводником и, следовательно, имеют одинаковый потенциал. Поэтому разность потенциалов между медью второго элемента и цинком первого будет уже В, и т. д. Если всего имеется элементов, то напряжение между крайними электродами будет в раз больше, чем у одного элемента. Соединение элементов, при котором положительный полюс каждого предыдущего элемента соединяется с отрицательным полюсом последующего, называется последовательным, а группа соединенных элементов – батареей элементов.

Рис. 130. Последовательное соединение гальванических элементов

Таким образом, при последовательном соединении э. д. с. батареи равна сумме э. д. с. отдельных источников, составляющих батарею. Это верно, конечно, и в том случае, когда отдельные источники имеют различные э. д. с.

Вследствие этого свойства гальванические элементы весьма удобны для воспроизведения различных напряжений. Так, например, для получения напряжения 1,1 В достаточно погрузить в раствор серной кислоты медную и цинковую пластины. Для получения больших напряжений можно соединить элементы последовательно. Этим обстоятельством пользуются на практике для градуировки электрометров: присоединяя к электрометру различное число последовательно соединенных элементов, мы можем непосредственно определить, какому напряжению в вольтах соответствуют различные отклонения его листков.

При последовательном соединении проводников их сопротивления складываются (§50). Поэтому и внутреннее сопротивление батареи из последовательно соединенных источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников.

Наоборот, соединяя одноименные полюсы двух элементов одинакового типа (включение «навстречу друг другу», рис. 131,а), мы не получаем, между крайними полюсами никакого напряжения. Если же мы включим «навстречу друг другу» элементы с различными э. д. с., то напряжение между крайними полюсами будет равно разности э. д. с. обоих элементов, причем положительным полюсом такой батареи будет положительный полюс элемента с большей э. д. с. Это остается справедливым и в том случае, если размеры обоих элементов как угодно различны, так как напряжение гальванических элементов совершенно не зависит от их размеров; оно определяется только материалом пластин и применяемой жидкостью (§ 76).

Рис. 131. Два гальванических элемента соединены «навстречу друг другу»: а) цепь разомкнута; б) цепь замкнута на лампочку

Если мы соединим проводником два свободных одноименных полюса элементов, соединенных «навстречу друг другу» (рис. 131,б), то в образовавшейся замкнутой цепи тока не будет, если э. д. с. обоих элементов равны, так как в этом случае результирующая э. д. с., равная разности обеих э. д. с. отдельных элементов, равна нулю. Если же э. д. с. этих элементов различны, то результирующая э. д. с. не равна нулю, и в цепи будет идти ток. Источником этого тока будет элемент с большей э. д. с., а элемент с меньшей э. д. с. будет представлять собой для него просто нагрузку (электролитическую ванну).

Соединим теперь между собой все положительные и все отрицательные полюсы двух или нескольких элементов или иных источников тока и присоединим внешнюю цепь (нагрузку) к общим зажимам составленной таким образом батареи элементов (рис. 132). Такое соединение источников тока для совместного питания одной и той же цепи называют параллельным.

Рис. 132. Параллельное соединение источников тока

Если все параллельно соединенные элементы имеют одинаковые э. д. с., то такова же будет и э. д. с. всей батареи. Если же эти элементы имеют различные э. д. с., то э. д. с. батареи равна наибольшей из э. д. с. параллельно соединенных элементов.

Между этими двумя случаями есть, однако, существенное различие. Если э. д. с. всех элементов одинаковы, то при разомкнутой внешней цепи ток через цепь, состоящую только из элементов, идти не будет, и ни один из этих элементов не будет расходоваться. Если же э. д. с. их различны, то и при разомкнутой внешней цепи более сильные элементы, будут посылать ток через более слабые и изнашиваться. При работе такой батареи на внешнюю цепь также часть тока от более сильных элементов будет ответвляться и идти через более слабые. Это невыгодно, и потому на практике всегда соединяют параллельно только элементы с одинаковой э. д. с.

Сопротивление параллельно соединяемых элементов может быть одинаковым или различным. Общее сопротивление батареи, которое мы можем вычислить по формуле для определения параллельно соединенных сопротивлений, всегда меньше, чем сопротивление каждого из элементов в отдельности. В частности, внутреннее сопротивление батареи из элементов с одинаковым внутренним сопротивлением в раз меньше, чем сопротивление отдельного элемента.

82.1. Чему равно напряжение на крайних полюсах батареи, составленной из десяти последовательно соединенных элементов Лекланше?

82.2. «Вольтов столб» собирают так: на медную пластинку накладывают смоченное в растворе серной кислоты сукно, на сукно помещают цинковую пластинку, затем опять медную, сукно, цинковую пластинку и т. д. Чему равно напряжение между крайними пластинками вольтова столба, содержащего 50 медных и 50 цинковых пластинок?

82.3. Элемент Вольты и элемент Лекланше соединены «навстречу друг другу» (например, отрицательный полюс одного элемента соединен с отрицательным полюсом другого). Чему равно напряжение между крайними полюсами этой батареи?

82.4. Два совершенно одинаковых гальванических элемента замкнуты друг на друга, как показано на рис. 133. Есть ли в этой цепи ток? Чему равно напряжение на зажимах каждого из элементов? Как изменится ответ, если элементы имеют одинаковые э. д. с., но разные внутренние сопротивления? Для решения воспользуйтесь формулой (81.3). Сопротивлением соединительных проводов пренебрегите. Проверьте этот результат на опыте.

Рис. 133. К упражнению 82.4

82.5. Два элемента с одинаковыми э. д. с. соединены одноименными полюсами («навстречу друг другу»), а их свободные полюсы (тоже одноименные) замкнуты на внешнюю цепь (рис. 134). Есть ли в этой цепи ток? Чему равно напряжение на зажимах каждого из элементов?

Рис. 134. К упражнению 82.5

82.6. Элемент Даниеля с внутренним сопротивлением 0,390 Ом замыкают на внешнюю цепь, имеющую сопротивление 0,7 Ом. Вычислите силу тока в цепи.

82.7. Генератор постоянного тока, развивающий напряжение 120 В на разомкнутых зажимах, питает 100 параллельно соединенных одинаковых лампочек накаливания с сопротивлением 60 Ом каждая. Внутреннее сопротивление генератора равно 0,05 Ом, а сопротивление подводящих проводов равно 0,1 Ом. Вычислите силу тока в проводах.

82.8. Напряжение, измеренное на зажимах разомкнутого элемента, равно 1,8 В, а при замыкании этого элемента на сопротивление 1 Ом в цепи возникает ток 1 А. Чему равно внутреннее сопротивление элемента?

82.9. Некоторый элемент, будучи замкнут на сопротивление 4,5 Ом, дает в цепи ток 0,2 А, а будучи замкнут на сопротивление 10 Ом, – ток 0,1 А. Вычислите э. д. с. элемента и его внутреннее сопротивление.

82.10. Напряжение между полюсами разомкнутой электрической машины равно 10 кВ. Однако при замыкании машины на гальванометр последний показывает ток всего 0,1 мА. Чему равно внутреннее сопротивление машины? Сопротивлением гальванометра можно пренебречь, так как оно значительно меньше внутреннего сопротивления машины.

82.11. Два элемента Даниеля, имеющие э. д. с. 1,1 В каждый, соединены параллельно. Чему равна э. д. с. такой батареи?

82.12. Пять элементов, с внутренним сопротивлением 1 Ом у каждого, соединены последовательно. Чему равно внутреннее сопротивление батареи?

82.13. Три элемента, с внутренним сопротивлением 1,5 Ом у каждого, соединены параллельно. Найдите внутреннее сопротивление батареи.

82.14. Два элемента, каждый из которых обладает э. д. с. 1,1 В и внутренним сопротивлением 1 Ом, соединены последовательно и замкнуты на внешнюю цепь с сопротивлением 2,4 Ом. Какова сила тока в цепи?

82.15. Три элемента, имеющие э. д. с. 1,1 В и внутреннее сопротивление 0,5 Ом каждый, соединены параллельно и питают лампочку, сопротивление которой равно 0,6 Ом. Какой ток проходит через лампочку?

82.16. Сухая батарейка для карманного фонаря содержит три маленьких элемента Лекланше, соединенных последовательно. Лампочка карманного фонаря требует напряжения 3,5 В и берет ток 0,2 А. Вычислите внутреннее сопротивление батарейки, зная, что при замыкании ее на лампочку последняя горит с нормальным накалом.

82.17. Два одинаковых аккумулятора соединяются параллельно. Как изменяются э. д. с., внутреннее сопротивление и емкость?

82.18. Два одинаковых аккумулятора соединяются последовательно. Как изменяются э. д. с., внутреннее сопротивление и емкость?

82.19. На рис. 135 изображено так называемое смешанное соединение шести гальванических элементов. Полная батарея представляет собой три параллельно соединенные батареи I, II, III, каждая из которых содержит два элемента, соединенных последовательно. Каковы э. д. с. и сопротивление этой батареи, если для каждого элемента в отдельности э. д. с. равна 1,1 В, а сопротивление равно 1,5 Ом?

Рис. 135. К упражнению 82.19

Содержание:

В современных условиях бытовые электрические схемы могут управляться самыми различными способами. Среди них широкой популярностью пользуется схема соединения источника тока, лампочки и двух переключателей, позволяющая управлять освещением одновременно из нескольких точек. В данном случае не требуются какие-либо беспроводные или другие интеллектуальные технологии. В схемах задействованы лишь механические устройства в виде обычных и проходных выключателей.

Подключение лампочки к двум переключателям

В определенных ситуациях схема с двумя выключателями может стать единственно верным решением. Ее основными преимуществами является простота исполнения, а также низкие материальные затраты. Кроме того, отсутствует необходимость в прокладке дополнительных проводов между обеими выключателями, каждый из них может быть подключен к собственному источнику питания.

В отличие от проходных моделей с последовательным подключением, для подключения фазных проводов к стандартным выключателям, используются ближайшие распределительные коробки. Подобная схема хорошо зарекомендовала себя в помещениях, где используется преимущественно одностороннее движение или, когда в помещение входят две глухие комнаты. Выходящие цепочки соединяются в общую линию в одной и той же .

К каждому выключателю подводятся питающие провода, соединяемые с фазным входным зажимом. Выходные зажимы подключаются к линии, подводимой непосредственно к прибору освещения. Во время подключения должна обязательно соблюдаться полярность, особенно при использовании двухклавишных выключателей. После сбора всей схемы, выполняется ее предварительное испытание и проверка работы каждой точки. После этого готовая схема монтируется окончательно.

Схема с использованием двух проходных выключателей

Использование проходных переключателей делает управление освещением еще более удобным, чем при обычных выключателях. Появляется возможность регулировки и отключения света сразу из нескольких мест. При такой схеме отпадает необходимость поиска выключателя в полной темноте.

Особенностью эксплуатации проходных выключателей является их парная работа. В схеме всегда используется не менее двух таких переключающих устройств, в противном случае она просто не будет работать. Между каждым выключателем прокладываются линии, число жил в которых совпадает с количеством позиций для переключения.

Таким образом, схема соединения источника тока и двух переключателей при одноклавишном приборе состоит из двухпроводной линии, а двухклавишное устройство требует уже четырехпроводную линию. Фазный провод подключается к выключателю, расположенному ближе всего к распределительной коробке. Входной зажим соединяется с фазным проводом, а два других провода - с выходными клеммами. Таким же образом подключается второй переключатель. Кроме того, на его выходе подключается линия для питания прибора освещения.

Последовательное и параллельное подключение ламп