Робототехника · Основы электроники · 5–6 классы

Электрическая цепь: фонарик

Выключатель, батарейка, лампочка: когда течёт ток? Проводит ли гвоздь, а линейка?

Ситуация

Карманный фонарик перестал работать. Вы открыли его: внутри две батарейки, маленькая лампочка, выключатель и проводки. Выкладываем всё на стол и соберём заново. Когда течёт ток, а когда нет? Загорится ли лампа, если провод где-то оборван? А если между проводами положить гвоздь — или пластмассовую линейку? Почему опасно подключать два провода прямо к батарейке? И как соединить две лампы, чтобы одна продолжала гореть, даже если другая перегорит?

Тема

Электрическая цепь: источник, проводник, потребитель; ток и напряжение. Карманный фонарик: батарейка, выключатель и лампочка — когда цепь замкнута и откуда куда течёт ток

Ключевые понятия

Замкнутая цепь
Проводник и изолятор
Последовательное и параллельное

Формулы

источник \to проводник \to потребитель \to источник

Если цепь замкнута, ток течёт от полюса «+» батарейки по проводам и через лампу к полюсу «−». Если где-то разрыв — тока нет.

I = \frac{U}{R}

Сила тока $I$ (ампер) прямо зависит от напряжения $U$ (вольт) и обратно — от сопротивления $R$ (ом): это закон Ома, подробнее в 7 классе. Сопротивление большое — ток маленький: графит зажигает лампу тускло.

P = U \cdot I

Мощность лампы: 2,5 В · 0,3 А ≈ 0,75 Вт. Если мощность превышает норму вдвое, нить раскаляется и перегорает.

U = U_{1} + U_{2} (последовательно), I = I_{1} + I_{2} (параллельно)

При последовательном соединении напряжение делится между лампами; при параллельном на каждую лампу приходится полное напряжение, а ток делится.

Теория

Три части цепи

В любой электрической цепи есть три составляющие: источник (батарейка «толкает» ток), проводники (провода — путь тока) и потребитель (лампа, мотор — место, где ток совершает работу). В фонарике то же самое: две батарейки, два провода и лампочка. Выключатель — это «ворота», которые открывают и закрывают путь.

Замкнутая и разомкнутая цепь

Ток течёт только в замкнутой цепи: он выходит из полюса «+» батарейки и должен вернуться по проводам и через лампу к полюсу «−». Если путь прерван где угодно — на выключателе, перед батарейкой, перед лампой или когда лампу вывинтили, — ток останавливается во всей цепи, лампа гаснет. Поэтому неважно, в каком месте цепи стоит выключатель.

Проводник или изолятор?

Если в разрыв вставить гвоздь, монету или скрепку — лампа загорится: металлы хорошо проводят ток. Графит карандаша тоже проводит, но его сопротивление больше — лампа горит тускло. Пластмассовая линейка, ластик, сухое дерево, воздух — изоляторы, они не проводят ток. Водопроводная вода проводит чуть-чуть — лампа не загорится, но чувствительный прибор покажет ток; поэтому опасно трогать электроприборы мокрыми руками.

Как лампочка светится и почему перегорает

Внутри лампы тонкая вольфрамовая нить. Когда по ней идёт ток, она раскаляется больше чем до 2000 °C и светится. Наша лампа рассчитана на 2,5 В и 0,3 А. Две батарейки AA (3 В) ей подходят. Если дать 4,5 В или 9 В, нить перегреется — несколько секунд горит очень ярко, а потом перегорает. Короткое замыкание — когда провод напрямую соединяет два полюса батарейки: ток доходит до нескольких ампер, лампа гаснет, провод и батарейка нагреваются. Не делайте так с настоящей батарейкой!

Последовательное и параллельное

Если две лампы включить последовательно (в одно кольцо цепи), напряжение делится между ними — обе горят тускло, а если одну вывинтить, цепь разорвётся и вторая тоже погаснет. Если включить параллельно (каждая своим путём к батарейке), на каждую приходится полное напряжение — обе горят ярко, а если вывинтить одну, другая продолжает гореть. Поэтому лампы в доме соединены параллельно.

О модели

Цепь считается методом узлов. Лампа — не простой резистор: чем сильнее раскаляется нить, тем больше её сопротивление — $I \approx 0,3 \cdot {(U / 2,5)}^{0,6}$ А (обычная зависимость для настоящих вольфрамовых ламп). Яркость зависит от мощности: если $P$ превышает норму вдвое, нить перегорает за 1–2 секунды. Сопротивления образцов — примерные типичные значения (графит карандаша ≈ 6 Ом, вода ≈ 40 кОм). Внутреннее сопротивление батарейки учтено (AA ≈ 0,15 Ом, «Крона» ≈ 1,7 Ом).

Знаете ли вы?

Первый карманный фонарик запатентовал в 1899 году в США изобретатель Дэвид Мизелл: сухие батарейки, лампочка и бумажная трубка. Батарейки быстро садились, поэтому он давал лишь короткие «вспышки» — отсюда английское название «flashlight».
Вольфрамовая нить в лампочке при горении раскаляется больше чем до 2000 °C — это выше температуры, при которой плавится сталь (≈ 1500 °C). Вольфрам выбрали потому, что у него самая высокая температура плавления среди металлов — 3422 °C.

Что внутри эксперимента

Настоящая плата в рисованной изометрии: вы поворачиваете её, ставите детали, собираете цепь, пишете и загружаете код — ток и напряжение считаются сразу, а при ошибке деталь сгорает. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия.

Другие эксперименты раздела

Макетная плата: ряды — 5–6 классы
Светодиод и резистор: закон Ома — 7 класс
Резисторы: цветовая маркировка — 7 класс
Делитель напряжения и потенциометр — 7 класс