Мордехай Тульчинский - Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

И к розеткам, и к люстрам в вашем доме могут подходить две (в старых домах) или три жилы. Если их две, то это «фаза» L (от английского Line) и «ноль» N (от английского Neutral). Если есть третья жила, то это «земля» PE (от английского Protective Earth). И «ноль», и «земля» заземляются, то есть соединяются с землей (здесь это уже не название одной из жил, а земля в прямом смысле слова), однако делается это с разной целью и в разных местах.

Заземление приводит к тому, что в нормальной ситуации между «нулем», «землей» и землей нет напряжения. А вот между «фазой» и «нулем» напряжение есть, и именно это напряжение заставляет ток течь через электроприборы, благодаря чему приборы работают. В розетке к двум круглым гнездам подходят L и N, а боковые контакты в розетке (если они есть) – это PE. Тем самым прибор, вилку которого воткнули в розетку, подключается к L и N, и именно через эти линии течет рабочий ток. Напряжение между L и N постоянно меняет знак, поэтому постоянно меняет направление рабочий ток. Линия PE играет защитную роль (подробнее см. в задаче 173). Лампочка в люстре тоже в конечном итоге подключается к L и N и горит именно за счет напряжения между этими линиями.

На первый взгляд кажется, что выключатель может разрывать любую из линий – в обоих случаях размыкание контакта погасит лампу (рис. 87).

Рис. 87

Однако если выключатель стоит в разрыве «фазы», то при его выключении на контактах лампы нет напряжения, поскольку как минимум один из них соединен с землей, и случайное прикосновение к ним обойдется без последствий. Если же разрывается «ноль», то при разомкнутом выключателе один или оба контакта на патроне лампы будут под напряжением! Если вы случайно (скажем, пока меняете лампочку) прикоснетесь одной рукой к какому-то из этих контактов, а второй заденете что-либо контактирующее с землей (например, водопроводную трубу или батарею отопления), то станете проводником между «фазой» и землей – а между ними есть напряжение (рис. 88).

Рис. 88

(У настольной лампы, шнур которой втыкается в розетку, выключатель может размыкать любую из линий, поскольку вилка и розетка совершенно симметричны, так что мы не знаем, на какой из контактов приходит «фаза», а какой подключен к «нулю» – это зависит от того, как вилку включили в розетку. По этой причине при любых ремонтных работах с настольной лампой (даже при замене перегоревшей лампочки) недостаточно щелкнуть выключателем – лампу необходимо полностью отключить, выдернув вилку из розетки.)

173. Сердитые электроприборы

Есть две основные причины для такого неподобающего поведения домашней бытовой техники. Одна – безобидная и простая: возможно, вы накопили статический заряд, и теперь между вашим телом и корпусом машины проскочила искра. Вторая причина гораздо серьезнее. Возможно, где-то внутри машины испортилась изоляция – и фазовый провод оказался соединен с корпусом машины. Это означает, что корпус машины находится под напряжением, и вы, касаясь корпуса, становитесь проводником, соединяющим «фазу» с землей. Это очень опасная ситуация!

Бытовая техника конструируется так, чтобы корпус соединялся с линией PE (тот самый третий, боковой контакт в вилке и розетке), то есть был заземлен. В этом случае напряжения на корпусе по отношению к земле возникнуть не может.

Если электрическая проводка в вашем жилище выполнена грамотно, то в электрическом щитке есть не только автоматические выключатели («автоматы»), но и устройства защитного отключения (УЗО), задача которых – моментально обесточивать всю линию, если где-то в ней возник контакт между «фазой» и «землей».

174. Два выключателя для одной люстры

Первая идея, которая приходит в голову, – просто подключить два выключателя последовательно (рис. 89).

Рис. 89

Если они оба включены, то размыкание любого из них разрывает цепь и выключает люстру – вроде бы это в точности то, что нужно. Однако когда один выключатель разомкнут, действия со вторым никак не влияют на состояние люстры: она все равно остается выключенной, и включить ее из этого места комнаты невозможно.

Нужная схема выглядит так, как показано на рис. 90.

Рис. 90

У каждого выключателя здесь есть два положения – условно назовем их «верхним» и «нижним», в зависимости от того, с какой из двух промежуточных линий он соединен. Если левый выключатель находится в «верхнем» положении, то правый будет включать люстру в «верхнем» положении и выключать в «нижнем». Если левый выключатель находится в «нижнем» положении, то правый будет действовать наоборот: включать люстру в «нижнем» положении и выключать в «верхнем». Точно так же при любом положении правого выключателя левый будет в одном положении включать люстру, замыкая цепь, а в другом – выключать, размыкая цепь.

Конечно, обычные выключатели для такой схемы не подойдут, потому что каждый выключатель в ней должен не просто разрывать цепь, а производить переключение. Такие выключатели называются проходными и выпускаются серийно.

Сможете ли вы предложить схему, в которой каждый из трех одинаковых «супервыключателей», расположенных в разных частях комнаты, мог бы включать и выключать одну и ту же люстру? Как должен быть устроен такой «супервыключатель»?

175. Капризная лампочка

Внимательно глядя на цель, мы видим, что в нее включен конденсатор. В цепи постоянного тока конденсатор представляет собой разрыв цепи, поскольку через него ток не течет. Поэтому мы можем предположить, что второе наблюдение из описанных в условии задачи было выполнено тогда, когда цепь подключили к источнику постоянного напряжения. Однако там есть один загадочный момент: сказано, что лампочка мигнула и погасла, то есть в течение очень короткого промежутка времени ток через лампочку все же шел. Почему?

Утверждение, гласящее, что конденсатор – это разрыв в цепи постоянного тока, относится к ситуации, когда ток в цепи уже установился. Но в первые мгновения после замыкания ключа в цепи происходят не совсем обычные события. На «плюсовом» разъеме источника питания наблюдается недостаток электронов, а на «минусовом» – избыток. По сути дела, «плюсовая» клемма напоминает «тело, заряженное положительно», а «минусовая» – «тело, заряженное отрицательно». Войдя в контакт с нейтральными проводниками, эти «тела» начнут «делиться» своим зарядом: электроны двинутся по цепи к «плюсовой» клемме и от «минусовой», поскольку заряд стремится распределиться по проводнику. Это значит, что обкладку конденсатора со стороны «плюсовой» клеммы электроны будут покидать, а на обкладке со стороны «минусовой» – накапливаться. Начнется процесс зарядки конденсатора. По мере роста заряда на обкладках между обкладками возникнет электрическое поле, которое остановит перетекание зарядов. Ток в цепи исчезнет. Однако в течение того короткого времени, пока заряжался конденсатор, ток по цепи проходил – и лампочка горела.