Сопротивление и выключатель 

Электрическая цепь, рассмотренная нами на предыдущем уроке, не имеет практического применения. Более того, она очень опасна для сборки (прямое соединение полюсов источника напряжения цельным куском провода). Причина этой опасности состоит в том, что величина тока короткого замыкания очень большая, и соответственно высвобождается очень много энергии (обычно в форме высокой температуры). Электрические цепи для практического применения строятся таким образом, чтобы энергия в них высвобождалась наиболее безопасным способом.

Одним из практических и наиболее популярных вариантов использования электрического тока является электрическое освещение. Самая простая электрическая лампа представляет собой очень тонкую металлическую "нить", помещенную в прозрачную стеклянную колбу. Если через эту нить проходит достаточный электрический ток, то она начинает светиться (накаляется) и выделять тепловую энергию. Как и у батареи, у электрической ламы имеется два контакта (для входа и выхода электронов).    

При подключении лампочки к источнику напряжения, электрическая цепь выглядит примерно так:

Когда электроны проходят через тонкую металлическую нить лампы, они сталкиваются с большим количеством препятствий для движения, чем при прохождении через толстый провод. Это противодействие электрическому току зависит от типа материала, площади его поперечного сечения и температуры. Технически всё это называется сопротивлением. (Можно сказать, что у проводников низкое сопротивление, а у диэлектриков - высокое) Сопротивление служит для ограничения количества тока, подаваемого напряжением батареи, в цепи.

При движении электронов по участку цепи имеющему сопротивление, возникает процесс "трения". Это трение, так же как и механическое трение, проявляется в виде выделения тепла. Сопротивление нити лампы приводит к выделению относительно большого количества тепловой энергии. Этой энергии достаточно, чтобы раскалить нить добела и произвести свет. В то же самое время провода, соединяющие лампу с батареей (сопротивление которых значительно меньше сопротивления нити лампы), вряд ли даже нагреются, проводя такое же количество тока.

В нашей новой цепи, как и в короткозамкнутой цепи из предыдущего урока, обрыв в любой её точке остановит поток электронов во всей цепи. Это означает что лампочка перестанет светиться:

Как и в разорванной цепи из предыдущего урока, в нашей цепи, при отсутствии потока электронов, весь потенциал (напряжение) батареи проявляется на концах обрыва, ожидая момента соединения этих концов и возобновления потока электронов. Такая цепь называется разомкнутой. Если мы свяжем концы проводов в месте обрыва, то непрерывность цепи будет восстановлена. Такая цепь называется замкнутой.

Постоянно разрывать и скручивать провода, чтобы выключить или включить лампочку, неудобно. Поэтому, для преднамеренного разрыва цепи было разработано специальное устройство, названное выключателем. Установив такой выключатель в любом удобном месте, мы дистанционно можем управлять потоком электронов в цепи:

Реальным примером данной схемы может послужить установленный на стене дома выключатель, который может управлять смонтированной в конце коридора или даже в другой комнате лампой. Выключатель состоит из пары проводящих контактов (сделанных, как правило из какого-либо металла), и замыкающего (размыкающего) их рычага или кнопки, приводимых в движение механическим способом. Когда контакты замкнуты, электроны могут течь через выключатель, непрерывность цепи восстанавливается. При разомкнутых контактах, воздушный зазор между ними мешает потоку электронов двигаться, и цепь разрывается.

На рисунке ниже представлен наиболее наглядный вид выключателя - рубильник:

Рубильник представляет собой подвижный ножевой контакт, который входит в физический контакт с одним или несколькими стационарными контактами. Показанный на фотографии выше рубильник имеет фарфоровое основание (отличный изоляционный материал) и медные контакты (отличный проводник). Ручка его изготавливается из пластмассы, для предохранения оператора от поражения электрическим током при пользовании данным прибором.

Рубильник с двумя стационарными контактами: 

Этот рубильник имеет один ножевой контакт и два стационарных, а значит, он может разорвать более чем одну цепь. Но пока нам это не очень важно, просто вы должны иметь базовые понятия о выключателе, и принципе его работы.

Рубильники идеально подходят для  демонстрации принципов работы выключателей и переключателей, но при использовании их в мощных электрических цепях можно столкнуться с рядом проблем безопасности. Токоведущие части в рубильнике открыты, поэтому любые искрения, которые возникают между ножевым и стационарным контактами, могут вызвать воспламенение горючих материалов. Для снижения этого риска, у большинства современных выключателей и переключателей подвижные и стационарные контакты заключены в изоляционный корпус. На фотографии показано несколько типов современных переключателей:

В соответствии с терминами "замкнутая цепь" и "разомкнутая цепь", выключатель, контакты которого находятся в соприкосновении друг с другом (например: рубильник, ножевой контакт которого соприкасается со стационарным контактом), обеспечивая тем самым непрерывный поток электронов через него, называется замкнутым выключателем. И наоборот, выключатель, контакты которого не соприкасаются друг с другом (например: рубильник, ножевой контакт которого не соприкасается со стационарным), тем самым не давая возможности электронам проходить через него, называется разомкнутым выключателем.

Краткий обзор:

• Сопротивление - это мера противодействия электрическому току.
• Короткое замыкание электрической сети практически не оказывает сопротивления потоку электронов. Короткое замыкание очень опасно при использовании высоковольтных источников питания, потому что возникающий при нем большой ток приводит к высвобождению большого количества  тепловой энергии.
• Разомкнутая цепь - это такая цепь, в которой непрерывный путь для потока электронов нарушен обрывом.
• Замкнутая цепь - это цепь, которая не имеет обрывов, то есть непрерывная цепь.
• Устройство, предназначенное для контролируемого замыкания и размыкания цепи, называется выключателем.