XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электрические цепи
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Сегодня слово «электричество» известно всем людям. Электрический ток используют не только во всех отраслях экономики, но и в повседневности – в быту. Что из себя представляет ток? Для того, чтобы ответить на этот вопрос нужно ознакомиться с явлениями, которые называются электрические. Это явления, которые возникают при движении, взаимодействии электрических зарядов. Взаимодействие зарядов может возникнуть как в естественных условиях – в природе (например, молния), так и искусственно созданных – в быту (например, работа утюга) или в производстве (например, работа станков с микросхемами).
Меня очень заинтересовал вопрос возникновения электрического тока и то, как могут с его использованием работать различные электрические приборы, которые меня окружают: телевизор, чайник, настольные лампы. Откуда в батарейке электрический ток? Почему она может зажечь фонарь? Родители, увидев мою заинтересованность, приобрели для меня электронный конструктор «Знаток». Именно с помощью этого конструктора я узнаю о возможностях электричества.
Цель: моделирование электрических (последовательные (или простые) и параллельные) цепей по схемам и применение их в повседневной жизни.
Задачи:
1. Изучить необходимую литературу по теме «Электричество»;
2. Уметь называть основные элементы электрической цепи;
3. Уметь составлять простую электрическую цепь по схеме с известными элементами;
4. Уметь составлять параллельную электрическую цепь по схеме с известными элементами;
5. Проанализировать полученные знания и навыки.
6. Найти применение разных электрических соединений в бытовой повседневной жизни.
Материалы и оборудование: схемы, технологические карты и элементы (сигнальный круг, батареи, проводники, лампочка, выключатель, резисторы, замыкающие устройства) электрической цепи электронного конструктора «Знаток».
Объект исследования: работа электрической цепи.
Предмет исследования: работа электроприборов в электрических цепях.
Гипотеза: с помощью электронного конструктора «Знаток» смоделируем электрические цепи (прямую (или последовательную) и параллельную) аналогичные тем, что используются человеком в повседневной жизни.
1. Основная часть
1.1. Электрический ток и электрические цепи.
1.1.1. Природа электричества и электрического тока
В древней Греции греками было замечено: если янтарь потереть о шерсть, он начнёт притягивать к себе лёгкие предметы, находящиеся поблизости. Силу, притягивающую к себе предметы, греки стали называть электричеством. Янтарь по-древнегречески называется электроном. От «электрона» – янтаря образовали слово электричество. Это первое знакомство людей с электричеством.
Сейчас ученые доказали: «Все, что нас окружает, состоит изэлементарных частиц: протонов и электронов, у которых есть удивительное свойство, они имеют электрический заряд».
Протоны – это положительно заряженные частицы.
Электроны - отрицательно заряженные частицы.
Электроны и протоны притягиваются друг к другу и образуют конструкцию под названием атом. Протоны находятся в ядре (в центре) атома, вокруг протонов вращаются электроны. (Приложение 1. Рисунок 1., Рисунок 2)
Притяжение между протонами и электронами можно показать на простом примере. Возьмём в руку нитку с закреплённым на конце мячиком. Начнём вращать нитку с мячиком в руке. Кулак, в котором мы держим нитку – это протон, мячик на конце нитки – электрон, а сама нитка, которая движется достаточно хаотично, но не улетает от протона (ядра атома) моделирует силу притяжения электрона к протону, не дает ему улететь в любом направлении – это и есть электричество.
В атоме электроны уравновешены протонами. Сам по себе атом не проявляет никаких электрических свойств. Но как только в следствие каких-либо факторов атом теряет один из электронов, ему необходимо восполнить этот электрон, и он начинает притягивать электроны к себе. Люди научились управлять процессом движения электронов, т.е. вырабатывать и использовать электрический ток.
Итак, электрический ток — это поток частиц (электронов), который течёт по проводам. Или упорядоченное движение заряженных частиц.
1.1.2. Электрическая цепь и её составные части. Последовательное и параллельное соединение проводников.
Электрическая цепь — это совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока.
Самая простая электрическая цепь состоит из источника тока, приемника (потребителя) и системы передачи (провода). Для того чтобы эти элементы стали полноценной цепью, они должны быть правильно соединены между собой.
Источник тока — это устройство, в котором различные виды энергии преобразуются в электрическую:
Существуют различные виды источников тока:
-
Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.
-
Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.
-
Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию.
-
Химический источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую в результате протекающих химических реакций.
Потребитель (приёмник) — это устройство, в котором электрическая энергия превращается в другие виды энергии (лампа, нагреватель, электродвигатель и др.).
Электрическую энергию нужно доставить к приёмнику. Для этого приёмник соединяют с источником электрической энергии проводами. В нашей работе мы называем их проводниками.
Аппараты включения/выключения — рубильники, кнопки, включатели, то есть замыкающие и размыкающие устройства.
Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой. т. е. состоять только из проводников электричества. Если в каком-нибудь месте провод оборвется, то ток в цепи прекратится. (На этом и основано действие выключателей.)
Чертежи, на которых изображены способы соединения электрических приборов в цепь, называют схемами. Приборы на схемах обозначают условными знаками (Приложение 1. Рисунок 3)
1.2. Соединение проводников в электрической цепи
Элементы электрической цепи могут быть соединены последовательно и параллельно.
При последовательном соединении элементы соединены последовательно друг за другом, то есть конец одного элемента соединяется с началом другого. Все элементы принадлежат одному проводу, на котором нет разветвлений. Это приводит к тому, что через любой из элементов эклектической цепи протекает один и тот же ток. На рисунке изображена схема последовательного соединения двух ламп. (Приложение 1. Рисунок 4). Если выключить одну лампу, то цепь разомкнётся, и другая лампа погаснет
Главная особенность последовательного соединения заключается в том, что через все элементы протекает одинаковый ток.
-
Если через один элемент электрической цепи протекает ток, то он протекает и через все остальные.
-
Если хотя бы на одном элементе отсутствует ток, то он обязательно отсутствует и на всех остальных.
Например, электрический звонок включается последовательно с кнопкой, поэтому звонок звенит только тогда, когда кнопка нажата. Выключатель, батарейка и лампочка в карманном фонарике соединены последовательно, поэтому лампочка горит только тогда, когда выключатель замыкает цепь. Электрический выключатель всегда включается последовательно с тем прибором, который он должен включать и выключать. Именно по этой причине лампочки в простой елочной гирлянде включаются последовательно друг с другом.
Последовательное соединение нельзя использовать в тех случаях, когда в электрическую цепь необходимо включить несколько приборов независимо друг от друга, например для освещения комнат в квартире, так как часто нет необходимости, чтобы одновременно светили все лампы. При последовательном их соединении, отключая одну лампу, мы отключаем и все остальные.
При параллельном соединении элементы соединены параллельно друг другу, то есть одни концы всех элементов соединены в одну точку, а другие концы в другую точку. Это приводит к тому, что на элементах электрической цепи одинаковые напряжения, однако каждый элемент принадлежит своему проводу, поэтому через каждый из них протекает свой ток. Приложение 1. Рисунок 5)
Во всех случаях, когда нужно независимое включение и выключение электрических приборов в цепи, используют параллельное соединение электрических устройств. Именно параллельным образом устанавливают розетки в квартирах, электропроводка в автомобилях. Такое подключение позволяет включать различные приборы в сеть совершенно независимо друг от друга, и при выходе их строя одного из них это не влияет на работу остальных.
Основные особенности параллельного соединения:
-
Включение и/или выключение одной нагрузки не мешает работе остальных.
-
Все нагрузки работают при одном напряжении.
Итак, для построения цепи используют электрические схемы, где соединение всех элементов (проводников) может быть последовательным и параллельным.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Конструирование простой (последовательной) электрической цепи.
Играя с электронным конструктором, «Знаток», у меня появился опыт составления электрических цепей (простых и параллельных) по инструкции, по схемам. Теперь предстоит выяснить, будет ли работать простая (последовательная) электрическая цепь и будут ли одинаково обеспечены током электропотребители в зависимости от их количества в электрической цепи
Опыт 1. Соберем простую (или последовательную) электрическую цепь с двумя электропотребителями – лампочкой и вентилятором. Для этого берём аккумуляторы (в данном случае будут использованы пальчиковые гальванические элементы), проводник, выключатель, приборы электропотребления – лампочка и вентилятор. Соединяем проводником аккумуляторы. Согласно заданной схеме, соединяем один аккумулятор с выключателем, а другой – с лампочкой. Замыкаем цепь выключателем. Включаем электроприборы и видим, что электропотребители – лампочка и вентилятор – работают только одновременно. (Приложение 1. Рисунок 6).
Проведя этот опыт, выяснилось – в простой (или последовательной) электрической сцепи лампочка и вентилятор работают одинаково и только одновременно.
Пример применения простой (последовательной) электрической цепи в повседневной жизни (быту) – это устройство фонарика или простой ёлочной гирлянды.
2.2. Конструирование параллельной электрической цепи.
Опыт 2. Обратимся к параллельным электрическим цепям и выясним на примере их работы - будут ли одинаково обеспечены электричеством элементы в электрической цепи. Для этого берём аккумулятор (две пальчиковые батареи), проводники, 2 выключателя, сирена, звуковой преобразователь. По разные стороны от аккумулятора при помощи проводника подключаем сирену и выключатель. Выключатель соединяем со звуковым преобразователем, от сирены ведем проводник к звуковому преобразователю и замыкаем схему вторым выключателем, который соединяет собой проводник и звуковой преобразователь. При включении первого выключателя (который ближе к аккумулятору) работает сирена. При нажатии второго выключателя работает звуковой преобразователь – звук сирены изменяется. Теперь включим все тоже самое, но в обратной последовательности: сначала включаем звуковой преобразователь – работает автономно от сирены. Теперь добавляем сирену – получаем измененный звук сирены. (Приложение 1. Рисунок 7)
На данном опыте мы убедились, автономно могут работать сирена от звукового преобразователя и звуковой преобразователь от звуковой сирены. А также эти электропотребители могут работать одновременно.
Опыт 3. А теперь усложним эту схему, добавив еще один электропотребитель – лампочку. При помощи проводников выключателя и лампочки продолжаем соединение от существующей схемы в противоположную сторону относительно аккумулятора. Пробуем включить каждый элемент по отдельности: включаем лампочку – работает - выключаем; включаем сирену – работает – выключаем; включаем звуковой преобразователь – работает – выключаем. Включаем несколько электроприборов одновременно, например, сирену и лампочку – работают. Добавляем звуковой преобразователь – все электропотребители работают одновременно. (Приложение 1. Рисунок 8)
В ходе наблюдения, выяснилось – в параллельной электрической цепи на эффективность ее работы дополнительные источники электропотребления не повлияли. Кроме того, в параллельной электрической цепи каждый элемент – сирена, звуковой преобразователь и лампочка - могут работать все одновременно, а могут каждый по отдельности. То есть для эффективного использования электричества и удобства в профессиональной (фабрики, заводы предприятия и т.д.) и бытовой (освещение в домах и офисах) жизни применяются параллельные электрические цепи.
Опыт 4. В ходе работы мною были собраны собственные примеры работы вентилятора и лампочки в параллельной электрической цепи, в ней усилен источник электропотребления – использованы две аккумуляторные батареи, что также не повлияло на работу электропотребителей. (Приложение 1. Рисунок 9)
На примере четырёх опытов нам удалось продемонстрировать особенности работы электрических цепей в последовательном и параллельном соединениях.
Заключение
В результате изучения темы «Электрические цепи», я понял, что электричеством можно управлять.
Гипотеза о возможности смоделировать последовательную и параллельную электрические цепи на примере электронного конструктора «Знаток» подтвердилась.
В процессе работы я:
-
Изучил тему электричество, используя дополнительные источники литературы.
-
Запомнил основные термины, употребляемые при составлении электрических схем.
-
Запомнил условные обозначения в электрической цепи.
-
Научился понимать разницу между работой последовательной (простой) и параллельной электрическими цепями.
-
Разобрался, где применяют те или иные электрические схемы в повседневной (бытовой) жизни и на производстве.
-
Узнал, что работа с электричеством требует соблюдения правил безопасности. (Приложение 2)
Практическая значимость моей работы заключается в том, что я научился понимать принцип работы простых электрических приборов, причины поломок некоторых приборов. Теперь я могу помогать папе и дедушке в починке электроприборов, проведении электричества в помещениях.
Приложение 1.
Рисунок 1. Модель атома 1
Рисунок 2. Модель атома 2
Рисунок 3.Условные обозначения и цифровые коды, используемые в электрических схемах
Рисунок 4. Схема последовательного соединения двух электрических ламп.
Рисунок 5. Схема параллельного соединения двух электрических ламп.
Рисунок 6. Работа лампочки и вентилятора в простой (последовательной цепи)
Рисунок 7. Работа сирены и преобразователя звука в параллельной электрической цепи.
Рисунок 8. Работа сирены и преобразователя звука и лампочки в параллельной электрической цепи.
Рисунок 9. Собственная разработка параллельного соединения электрической цепи.
Приложение 2.
ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С ЭЛЕКТРОПРИБОРАМИ
-
Работать сухими руками.
-
При работе с электрическими приборами, соблюдать схемы электрических цепей.
-
Соблюдать полярность (“+”, “-”).
-
Не оставлять включенные электроприборы без присмотра.
-
Не использовать сломанные детали и элементы с разрушенной изоляцией.
Список литературы
-
Гуревич А.Е. Физика и химия. 5-6 классы: Пробный учебник для общеобразовательных учреждений, 1994.
-
Перышкин А.В. Физика. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. – М.: Дрофа, 2003
-
https://foxford.ru/wiki/fizika/posledovatelnoe-i-parallelnoe-soedinenie-provodnikov?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F
-
https://wika.tutoronline.ru/fizika/class/8/vidy-elektricheskih-czepej--osnovnye-sostavlyayushhie-elementy
-
https://school-journal.ru/static/2020/1/47/pdf/ArticleFile-2020-1-47.pdf
-
https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2021/01/15/issledovatelskiy-proekt-elektricheskie-tsepi
-
https://school-science.ru/12/11/47970
-
https://files.school-science.ru/pdf/12/6089475bd905b.pdf