Учебно-исследовательский проект на тему "Квартирный вопрос"

Введение

Мало кто будет спорить, что электричество — одна из главных движущих прогресс сил. Без электричества у нас бы не было компьютера, телевизора, музыкальных колонок, да и вообще — даже лампочки вечером.

Слова «электричество» и «электрический ток» знакомы сейчас каждому человеку. Электрический ток используется на транспорте, в наших домах, в сельском хозяйстве. Когда говорят об использовании электрической энергии в быту, на производстве, на транспорте, то имеют в виду работу электрического тока. Электрический ток подводят к потребителям от электростанции по проводам. Поэтому, когда в домах неожиданно гаснут  электрические лампы или прекращается движение электропоездов, троллейбусов, говорят, что в проводах исчез ток. На сегодняшний день без электричества встанет все и это будет катастрофой, так привык человек к использованию тока. Но ведь были и другие времена…

Как же люди раньше жили и обходились без электричества? Они использовали другие источники энергии, которые были очень громоздки и малоэффективны по сравнению с электричеством.

 Главная цель моей работы: рассмотреть, как устроена проводка в квартире?

Задачи исследовательского проекта:

1. Рассмотреть историю развития учения об электричестве.
2. Изучить законы соединения проводников.
3. Как устроена проводка в квартире?
4. Создать действующую модель квартирной проводки, которую можно было бы использовать для демонстрации на уроках физики.

Глава 1

1. История развития учения об электричестве

Некоторые электрические явления были открыты еще в глубокой древности. Древнегреческий ученый Фалес (VII – VI вв. до н.э.) заметил, что натертый шерстью янтарь начинает притягивать к себе легкие кусочки других материалов (соломинки, шерстинки и т.д.). Через две тысячи лет английский физик У.Гильберт (1544-1603) обнаружил, что аналогичной способностью обладает не только натертый янтарь, но и алмаз, стекло и некоторые другие материалы. Все эти вещества он назвал электрическими, т.е. подобными янтарю (поскольку греческое слово «электрон» означает янтарь).

Впоследствии про тело, которое после натирания приобретало свойство притягивать к себе другие тела, стали говорить, что оно наэлектризовано, или что ему сообщен электрический заряд. А процесс сообщения телу электрического заряда стали называть электризацией. За это время человек так далеко шагнул в изучении электрических законов и явлений, что трудно представить – когда-то было по-другому.

Первую теорию электричества создает американец Б. Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид («Опыты и наблюдения над электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний. Изучение электричества переходит в категорию точной науки после открытия в 1785 году Закона Кулона.

Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 году изобретает первый источник постоянного тока — гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделенных смоченной в подсоленной воде бумагой. В 1802 г. Василий Петров обнаружил вольтову дугу.

В 1820 году датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Работы Джоуля, Ленца, Ома расширяют понимание электричества. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля (1830).

Все эти учёные сделали выдающиеся открытия в области электричества, которые положили основу для последующего изучения этого вопроса. С тех пор электричество перестало быть чем-то загадочным, но, несмотря на большие достижения в этом вопросе, загадок и неясностей оставалось ещё очень много.
Самым главным вопросов, как и всегда, был: как же использовать все эти достижения на благо человечества? Потому что, несмотря на значительные успехи в области изучения природы электричества, до внедрения его в жизнь было ещё далеко. Оно всё ещё казалось чем-то загадочным и недостижимым.
Это можно сравнить с тем, как сейчас учёные всего мира изучают космос и ближайшую планету Марс. Уже получено множество сведений, установлено, что до него можно долететь и даже высадиться на поверхность и прочее, но до реального достижения подобных целей пока ещё очень много работы.

Широкое практическое использование электрических явлений началось лишь во второй половине 19 в., после создания Дж. К. Максвеллом классической электродинамики. Изобретение радио А. С. Поповым и Г. Маркони — одно из важнейших применений принципов новой теории. Впервые в истории человечества научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории теплоты (термодинамики), то сконструировать электродвигатель или осуществить радиосвязь оказалось возможным только после открытия и изучения законов электродинамики.

Широкое применение электричества связано с тем, что электрическую энергию легко передавать по проводам на большие расстояния и, главное, преобразовывать с помощью сравнительно несложных устройств в другие виды энергии: механическую, тепловую, энергию излучения и т. д.

 Законы электродинамики лежат в основе всей электротехники и радиотехники, включая телевидение, видеозапись и почти все средства связи. Теория электричества составляет фундамент таких актуальных направлений современной науки, как физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, лазерная оптика, магнитная гидродинамика, астрофизика, конструирование вычислительных машин, ускорителей элементарных частиц и др.

Бесчисленные практические применения электромагнитных явлений преобразовали жизнь людей на земном шаре. Человечество создало вокруг себя «электрическую среду» — с повсеместной электрической лампочкой и штепсельной розеткой почти на каждой стене.

2. Законы соединения проводников

Последовательное и параллельное соединения в электротехнике — два основных способа соединения элементов электрической цепи.

Как приятно украшать новогоднюю елку! В доме сразу ощущается этот чудесный праздник – Новый год. А когда елка загорается разноцветными огоньками елочной гирлянды, и вовсе хочется верить в чудеса. Но вдруг лампочки гаснут! В чем дело? Мы пытаемся найти неисправность и перебираем всю гирлянду, переходя от одной лампочки к другой. И вот наконец лампочка-виновница найдена. Мы заменяем ее, и елка снова сияет великолепными разноцветными огоньками.

Отыскивая неисправность, мы последовательно переходили от конца проводника, идущего от первой лампочки, ко второй лампочке и т.д. Такой вид проводников называется последовательным (конец одного проводника соединяется с началом другого и т.п.). При последовательном соединении все элементы связаны друг с другом так, что включающий их участок цепи не имеет ни одного узла.

Свойства последовательного соединения:

1. Сила тока во всех участках цепи остается постоянной: I =const.
2. Напряжение на каждом из элементов цепи различно, его значение зависит от электрического сопротивления и определяется по закону Ома для участка цепи. Для данной цепи:

U1 = I R1 ; U2  = I R2 ;  U3 = I R3.

Напряжение между точками А и В ( UAB)   равно сумме напряжений на каждом из участков цепи:

UAB = U1 +  U2 + U3

3. Общее сопротивление на участке цепи АВ равно сумме сопротивлений всех элементов:

Rобщ = R1 + R2 + R3

Если последовательно соединено  n элементов, имеющих одинаковое сопротивление, то общее сопротивление всей последовательной цепи будет вычисляться по формуле   Rобщ =  n R, где  n – число последовательно соединенных элементов цепи.

4. Отношение напряжений на элементах цепи прямо пропорционально отношению сопротивлений

 = .

Последовательное соединение проводников имеет как достоинства, так и недостатки. При повреждении одного из элементов цепи вся цепь прекращает свою работу. Кроме того, достаточно трудно найти поврежденный элемент (пример с елочной гирляндой). Но этот недостаток может обернуться и достоинством. Это используется, когда необходимо защитить цепь от недопустимо больших токов (перегрузки). В этом случае электрическая цепь должна автоматически отключиться. Для защиты приборов от перегрузки в квартире ставят специальные предохранители, соединенные последовательно со всеми потребителями. При  перегрузки предохранители выходят из строя, отключая всю цепь (все приборы); приборы предохраняются от порчи.

При параллельном соединении все входящие в цепь элементы объединены двумя узлами и не имеют связей с другими узлами, если это не противоречит условию.

Свойства параллельного соединения:

1. При параллельном соединении падение напряжения между двумя узлами, объединяющими элементы цепи, одинаково для всех элементов: U= const.
2. Ток, протекающий в отдельных резисторах, сливается в один общий ток:  Iобщ =  I1 + I2
3. Общее сопротивление такой цепи уменьшается, оно меньше самого меньшего сопротивления, входящего в параллельную электрическую цепь прибора.

Уменьшение сопротивления легко объяснить. Известно, что сопротивление R обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника   R ~ , а при параллельном соединении общая площадь сечения как бы увеличивается ( при параллельном соединении двух проводников  Sобщ = S1 + S2), следовательно, Rобщ  уменьшится. Формула для подсчета общего сопротивления двух параллельных проводников:

 =  +  ;  Rобщ = .

Если параллельно соединены проводников с разными сопротивлениями, то:

 =  + 1/(R2 )

В случае параллельного соединения  одинаковых проводников с сопротивлением общее сопротивление определяется так:

Rобщ =

Где  n – число параллельно соединенных проводников.

4. Отношение сил токов в двух параллельных проводниках обратно пропорционально отношению сопротивлений (это свойство следует из постоянства напряжений на параллельных проводниках):

 =

(по правилу пропорций  I1∙ R1 = I 2 ∙ R2, то есть U1 =U2)

Смешанное соединение

Последовательное и параллельное соединения в электротехнике — два основных способа соединения элементов электрической цепи.

Если взять, например, три прибора, то возможны два варианта смешанного соединения. В одном случае соединяются два прибора параллельно, а к ним последовательно подключается третий.

Такая цепь имеет два последовательно включенных участка, один из которых представляет собой параллельное соединение. По другой схеме соединены последовательно два прибора, а параллельно к ним подключен третий. Эту цепь следует рассматривать как параллельное соединение, в котором одна ветвь сама является последовательным соединением.

При большем количестве приборов могут быть различные, более сложные схемы смешанного соединения. Иногда встречаются более сложные цепи, содержащие несколько источников ЭДС.

3. Квартирная проводка

К нашей квартире подведено напряжение 220 В, и, предположим, она потребляет ток 10А. Тогда, согласно закону Ома для участка цепи, сопротивление квартиры можно определить следующим образом:

R= U/I = 220 В/10А = 22 Ом.

Но при этом сопротивление только одной электрической лампочки, которых у нас наберется штук 7 – 10, целых 300 Ом! Кроме того, чем больше будет одновременно включено приборов, тем меньше будет сопротивление всей квартиры. Такая ситуация наблюдается при параллельном соединении проводников ( в данном случае при параллельном соединении приемников электроэнергии в квартире).

По всей нашей квартире протянуты два провода, от которых в нужных местах сделаны отводы к розеткам и лампочкам. В итоге все приборы оказываются подключенными параллельно, кроме, естественно, плавких предохранителей, защищающих электрическую цепь от перегрузки. В свою очередь, параллельно соединены все квартиры и дома в поселках и городах.

Главное достоинство такого соединения состоит в его удобстве. При отключении или выходе из строя одного прибора остальные продолжают работать. Однако иногда это удобство оборачивается большой опасностью.

Предположим, что вечером, когда вся семья в сборе, вы слушаете магнитофон, папа смотрит телевизор, сестра убирает квартиру при помощи пылесоса, бабушка включила электрокофемолку, а мама гладит белье электроутюгом. И если вы подключите еще хотя бы один прибор, то сопротивление квартиры резко упадет, а значит, по закону Ома для участка цепи, резко возрастет сила тока. Сила тока превысит допустимое значение, и тогда вся квартира  обесточится. Но это еще не самое страшное: при резком увеличении силы тока интенсивно проявляется его тепловое действие. Может расплавиться изоляция проводников, по которым протекает электрический ток, и оголенные проводники замкнутся между собой – произойдет короткое замыкание. Вся надежда в этом случае только на предохранители.

Большинство потребителей электроэнергии – электронагревательные приборы, холодильники, швейные машины, магнитофоны, телевизоры и т.д. – рассчитаны на напряжение сети 220В. Поэтому все они должны включаться в сеть параллельно, ибо только в этом случае они окажутся под одним и тем же напряжением  (220В) и будут продолжать работать при выключении одного их них.

На рисунке приведена схема квартирной электропроводки. Провода сети, между которыми существует напряжение 220В, обозначены буквами Ф и О. Первый из них называют фазным, второй – нулевым. Нулевой провод соединен с землей. Именно с ним соединяют все потребители. И наоборот, все выключатели соединяют с фазным проводом. Такой порядок потребителей и выключателей обеспечивает наибольшую безопасность человека.

Глава 2  Практическая часть

Создание действующей модели квартирной проводки

Смешанное соединение используют в квартирной проводке, и я наглядно сделал макет смешанного соединения в квартире для демонстрации на уроках физики, вот что из этого вышло.

Для этого мною были использованы провода, пробки с предохранителями, лампочка, выключатель, электрический звонок, розетка.

Заключение

Роль электричества в жизни человека огромна, и ее переоценить невозможно. Сейчас практически невозможно представить себе современную жизнь без электроприборов и электричества. Уже несколько поколений удивляются и не понимают – как когда-то люди жили без такого блага цивилизации – электрики?

В квартирах есть свет, вся бытовая техника и все телекоммуникации работают от электрического напряжения. Но для создания такого комфорта многие ученые работали не одно столетие, чтобы в результате получить такое нужное, и в то же время такое опасное изобретение. Ведь электричество несет в себе и смертельную опасность, если не соблюдать элементарных правил безопасности. Это для электриков или электромонтеров все легко и просто, они не один год изучали и осваивали навыки обращения с кабельной продукцией и электричеством, чтобы создавать в домах и промышленных зданиях условия для полноценной жизни и работы. А сколько неприятностей и неудобств приносит нам простое отключение света вследствие какой-то аварии или погодных условий!

Люди уже настолько привыкли к цивилизованным, комфортным условиям, что вряд ли бы согласились отказаться от них. Научные изобретения постоянно удивляют нас и делают нашу жизнь все более беззаботной.

Важной особенностью и главным преимуществом электрической перед другими видами энергии является её распространённость, неограниченность в пространстве. Электричество непрерывно сопровождает человека во всех сферах его жизни, считается примером эволюции и взглядов в будущее, а процесс развития техники непрерывно связан с развитием науки и новыми достижениями.

Это расширяет возможности человека, совершенствует его инструменты и гарантирует ему постоянное развитие и движение вперёд в будущее, а многие задачи со временем уже перестают казаться невыполнимыми.

Литература

1. И.П. Жеребцов. Электрические и магнитные цепи: Основы электротехники. – Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1982. – 216 с.
2. М.А.Галагузов , Д.М. Комский . Первые шаги в электротехнику: Кн. Для учащихся. – 2-е издание,  –  М.: Просвещение, 1988. – 143 с.
3. Т. Фещенко, В. Вожегова. Справочник школьника. Физика: Филологическое общество «Слово» 1995.

Источники

http://electricalschool.info/uploads/posts/2009-12/1260282001_51.gif

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D1%81%D0%BB%D0%B5%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B8_%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D0%BE%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE

http://electricalschool.info/uploads/posts/2009-12/1260281921_53.gif

http://electroandi.ru/toe/vidy-soedineniya-provodnikov.html

http://electricalschool.info/uploads/posts/2014-04/1396357042_1.jpg

http://electricalschool.info/spravochnik/electroteh/1233-smeshannoe-soedinenie-i-slozhnye.html