Пример электрической схемы: источник, ключ и резистор
Пример электрической схемы с источником, выключателем и резистором. Проследи соединения, рассчитай ток и отдели разомкнутую цепь от отсутствия напряжения.
А
Андрей
Преподаватель, научный редактор
8 мин чтения
В разомкнутой цепи ток равен нулю, но напряжение источника от этого не исчезает. На небольшом контуре это различие видно лучше, чем на сложном листе с десятками деталей. Ниже разберу пример электрической схемы с источником 5 вольт, выключателем и резистором. Проследим соединения и сравним два состояния ключа, сохранив условия одной модели.
Я собрал такой разбор для занятия радиокружка. Сначала попросил объяснить, что меняется при размыкании. В ответе прозвучало: «электричества больше нет». Ответ смешивал две величины. Поэтому оставил на рисунке только три элемента.
Пример электрической схемы с одним выключателем
Здесь E1 — идеальный источник постоянного напряжения 5 вольт. R1 — резистор сопротивлением 200 ом. S1 — идеальный выключатель, включённый последовательно с ним. На текстовом рисунке S1 разомкнут: между его контактами остаётся промежуток.
```text
S1
┌───────o/ o───────────────────[R1]───────────┐
│ │
└────────────────────(+ −)─────────────────────┘
E1 = 5 В
```
Круглый знак с полярностью обозначает источник в нашем эскизе. Прямоугольник R1 — резистор; линии соединяют выводы элементов. Буквенные метки выбраны для этого объяснения. Это условная текстовая схема для чтения связей, а не оформленный по конкретному стандарту комплект чертежей.
разомкнутый S1 полностью разрывает проводящий путь;
других ветвей и утечек в модели нет;
рассматриваем установившееся состояние, а не краткий переходный процесс.
Эти условия определяют ответ. Если в реальном устройстве есть дополнительные соединения, свойства компонентов или накопление энергии, одного такого рисунка недостаточно для вывода о его работе. Я не переношу числа учебной модели на незнакомую аппаратуру.
Подписи значений сохраняю рядом с обозначениями элементов. Метка R1 отвечает на вопрос, какой это элемент; число 200 Ом задаёт его сопротивление в условии. Одна метка без значения не позволяет выполнить тот же численный расчёт. Если на следующем листе R1 обозначает другой резистор, переносить число только по знакомой букве нельзя. Сначала читаю данные именно рассматриваемой схемы.
С общими способами подготовки поясняющего рисунка поможет материал, как сделать схему. Для электрического примера оформление принимается после проверки самих связей: иначе аккуратные линии могут описывать другой контур.
Миф: замкнутый рисунок означает замкнутую цепь
Внешне рисунок похож на прямоугольную рамку. Но верхняя линия прерывается в S1. Нужно идти по проводящему пути через элементы, учитывая состояние выключателя. Форма рамки ничего не замыкает.
Я начинаю от положительного вывода E1. Дальше линия приводит к левому контакту S1. На разомкнутом промежутке путь останавливается. До резистора нет непрерывного проводящего соединения по этому обходу. В нашей модели установившийся ток равен нулю.
Теперь S1 замкнут. Путь через R1 непрерывен. Он приводит к отрицательному выводу источника. Для расчёта тока через резистор используем закон Ома: I = U / R. Получается 5 / 200 = 0,025 ампера, то есть 25 миллиампер. Я проверил перевод единиц: в одном ампере тысяча миллиампер.
Состояние S1 · Проводящий путь через R1 · Ток через R1 · Напряжение на R1 · Напряжение на S1
Разомкнут — Прерван — 0 — 0 В — 5 В
Замкнут — Непрерывен — 25 мА — 5 В — 0 В
Значения в таблице выведены из условий модели. Сначала объясняем путь. Затем записываем число с единицей.
При чтении обозначений проверяю и приставки. Если вместо 200 Ом в другом условии указаны 200 кОм, это уже 200 000 Ом. При тех же 5 вольтах получится 0,000025 ампера, то есть 25 микроампер. Метка R1 могла остаться прежней, а ток изменился в тысячу раз. Поэтому буква элемента помогает проследить связь, но его численное свойство читается отдельно. Ошибка в приставке не исправляется точным делением на калькуляторе.
Миф: резистор получает ток только с одной стороны
На занятии я попробовал другой вопрос: сколько тока выйдет из R1 в замкнутом контуре? Если ответ меньше входящего значения, приходится объяснять, где в установившемся режиме непрерывно накапливается заряд. В нашем одноконтурном случае такого накопления не задавали.
Поэтому ток до и после резистора одинаков. Через замкнутый S1 и R1 проходит один и тот же ток 25 миллиампер. Резистор не уменьшает его по мере продвижения от одного вывода к другому. Он участвует в установлении тока всей цепи при данном напряжении.
Ток не исчезает в R1. При этом преобразование энергии происходит. Напряжение между выводами резистора в замкнутой модели равно 5 вольт. Ток и изменение потенциала описывают разные величины. Если смешать их в одно слово, объяснение легко превратится в историю об «израсходованном токе».
Для проверки зависимости я заменил в условии только сопротивление: вместо 200 ом взял 400. Источник оставил прежним. Тогда 5 / 400 = 0,0125 ампера, или 12,5 миллиампера. Ток уменьшился во всём последовательном контуре. Отдельного меньшего тока «после R1» от этой замены не появляется.
Миф: разрыв выключателя убирает напряжение всюду
Вернёмся к разомкнутому S1. Источник по условию продолжает поддерживать 5 вольт. Через R1 ток не идёт, поэтому в нашей идеальной модели падение на нём равно I × R = 0. Правая сторона S1 соединена с отрицательным выводом источника через резистор без падения напряжения.
Левая сторона S1 связана с положительным выводом. Из этих условий следует, что между разомкнутыми контактами S1 остаётся 5 вольт. Нулевая величина тока не означает нулевую разность потенциалов на любом выбранном участке. Это главный вывод нашего разбора.
При замкнутом идеальном S1 оба контакта соединены без сопротивления, поэтому напряжение между ними равно нулю. Я добавил этот столбец в таблицу рядом с напряжением R1. Видно, на какой из двух участков приходится заданная разность потенциалов в каждом состоянии. Это не напряжение «в одной точке выключателя». В обоих столбцах речь идёт о паре выводов соответствующего элемента, а полярность источника остаётся прежней.
Я просматриваю рисунок 2 раза: сначала ищу непрерывный путь тока, затем называю конкретные точки, между которыми обсуждается напряжение. Напряжение относят к паре точек. Вопрос «сколько здесь напряжения?» без их указания остаётся неопределённым. У разных пар точек ответ может различаться.
Такое рассуждение объясняет учебную модель. Оно не является процедурой проверки отсутствия напряжения на реальном устройстве. У неизвестной аппаратуры состав соединений и состояние источников должны быть установлены отдельно. По одному положению нарисованного выключателя этот вывод не делается.
Миф: рисунок показывает расположение деталей
В эскизе резистор нарисован сверху справа. Это не указание поставить реальную деталь именно в такой угол корпуса. Схема в нашем разборе показывает связи выводов. Расположение в пространстве — другая задача, для которой нужны свои данные.
Если я перенесу знак R1 ближе к источнику, сохранив те же соединения и последовательность с S1, рассматриваемый контур не изменится. Если добавлю проводящий обход разрыва, изменится уже соединение. Похожая картинка может получить другое электрическое поведение из-за одной новой линии.
Поэтому не прошу чат оценить исправность монтажа по красивому внешнему виду учебного эскиза. Он может помочь словами разобрать заданную структуру и расчёт. Подбор реальных компонентов требует сведений об их характеристиках, включая допустимую мощность и условия работы. Этот пример таких назначений не содержит.
Разбери идеальную установившуюся цепь: источник E1 поддерживает 5 В, резистор R1 равен 200 Ом, S1 включён последовательно с ним. Сопротивлением проводов и замкнутого ключа пренебречь, при разомкнутом ключе других путей нет. Объясни ток через R1 в обоих состояниях. Затем рассмотри напряжение между контактами разомкнутого S1. Отдели выводы этой модели от утверждений о реальном устройстве.
После объяснения вернись к рисунку и покажи каждый названный путь. Если ответ говорит об обходе, которого нет в исходных связях, он разбирает уже другую цепь. Исправь описание соединений прежде, чем доверять следующему числу. Для начала достаточно одного контура, который ты можешь объяснить целиком.