Elektrický obvod: definice, typy, komponenty (s příklady a schématy)

Elektrické vedení v domácnosti, které udržuje váš notebook, nabíječku telefonu a menší nástroje, jako jsou ledničky a kamna, bzučí, se skládá z řady vzájemně propojených elektrických obvodů. Jsou připojeny k jakémukoli zdroji energie, který dodává elektřinu do vašeho domova.

Účelem obvodů je dostat elektřinu a její značný energetický potenciál přesně tam, kam potřebuje, a omezit potenciálně škodlivé účinky elektřiny v procesu.

Co se děje uvnitř všech těch drátů, které jsou samy většinou mimo váš dohled? Pro začátek základů se volné elektrony budou pohybovat v přítomnosti elektrického pole, a to z fyzikálních důvodů, které budou popsány později. Pokud dostanou uzavřenou smyčku, kterou protékají, může být vytvořen elektrický obvod.

Jednoduchý obvod se skládá pouze ze zdroje napětí (rozdíl elektrického potenciálu); médium, kterým mohou protékat elektrony, obvykle drát; a nějaký zdroj elektrického odporu v obvodu. Většina příkladů v reálném světě je však mnohem složitější a existuje několik typů elektrických obvodů, které jsou všechny důležité pro efektivní tok elektřiny.

Základní koncepční prvky ve světě elektřiny jsou proud, napětí a odpor. Před jejich prozkoumáním je nutné se podívat trochu hlouběji, zpět k myšlence volných elektronů. Elektron podle konvence nese záporný náboj o velikosti 1,60 × 10^-19 coulombs nebo C. Protože proud určuje elektrony, náboje v obvodu proudí od záporné svorky a ve směru kladné svorky.

„Jednotkový náboj“ ve fyzice je standardizován jako kladný a má stejnou velikost jako nábojEna elektronu. Kladný náboj umístěný v blízkosti kladného terminálu bude mít „odpor“ a „bude se chtít“ vzdalovat od terminálu, o to silněji, jak se vzdálenost bude blížit nule. V tomto stavu má náboj vyšší elektrický potenciál než v určité vzdálenosti.

Takže „náboj“ („pokud je kladný“, pokud není uvedeno jinak) proudí z oblastí s vyšším napětím do oblastí s nižším napětím. Toto je potenciální rozdíl nebo napětí uvedené ve fyzice a jeho velikost částečně určuje tok proudu v obvodu. Elektrický proud přichází ve střídavém proudu („jittery“, fázový tok) a stejnosměrný proud (rovnoměrný tok); druhý je moderní standard používaný v elektrických rozvodných sítích.

• Tok proudu se měří pomocí zařízení zvaného anampérmetr. Stejné zařízení lze obvykle použít jako avoltmetrměřit potenciální rozdíl.

Předchozí část lze do značné míry shrnout jednoduchým matematickým zákonem zvaným Ohmův zákon:

kdeJáje aktuální vampéry(C / s), V je napětí nebo potenciální rozdíl, vvoltů(jouly na C nebo J / C; všimněte si energetického výrazu ve jmenovateli) aRje odpor vohm​ (Ω).

V sériovém obvodu jsou odpory jednotlivcerezistoryse sečtou k výpočtu odporu obvodu jako celku. V paralelních obvodech, o kterých se brzy dočtete, platí pravidlo:

kdeR₁, R.₂a tak dále jsou jednotlivé hodnotynrezistory v paralelním obvodu.

Obvod je uzavřená smyčka, kterou prochází elektrický náboj v důsledku napájecího napětí. Proud je rychlost toku, měřená jako množství náboje procházejícího daným bodem v obvodu za jednotku času.

Někdy je užitečné považovat proud v drátovém obvodu za analogický s vodou protékající trubkami. Voda bude proudit z oblastí s vysokou potenciální energií do oblastí s nízkou potenciální energií. Nějaký zdroj by pak musel použít energii ke zvednutí vody tak, aby tekla z kopce. Abyste dosáhli nepřetržitého toku vody, jakmile voda dosáhne dna, je třeba ji zvednout zpět nahoru.Tato akce zvedání vody zpět nahoru je v podstatě to, co dělá baterie nebo zdroj energie v elektrickém obvodu.​

Cílem obvodu je udělat něco užitečného s tímto tokem náboje. Všechny okruhy obsahují jakýsi odporový prvek, který zpomaluje tok náboje, stejně jako přehrada zpomaluje tok vody z nádrže. Pokud je do obvodu přidána například žárovka, zpomaluje tok náboje a transformuje související energii na světlo.

Často je užitečné načrtnout schéma obvodu, pokud máte nějakou kombinaciV, jáaRa požádal o řešení neznámého množství. K tomu použijte sadu symbolů ke zjednodušení náčrtu.

•••Dana Chen | Vědění

Tyto symboly jsou pak spojeny přímkami, aby se vytvořilo schéma zapojení.

•••Dana Chen | Vědění

Asériový obvodmá prvky zapojené do série nebo jeden za druhým bez větvení drátu. Proud protékající všemi prvky zapojenými do série je stejný, bez ohledu na to, kolik rezistorů se po cestě setká.

Aparalelní obvodmá prvky připojené paralelně - to znamená jeden bod ve větvích obvodu, přičemž vodiče vedou ke dvěma různým prvkům, a pak se větve znovu připojí.Napětí na každém paralelně zapojeném prvku je stejné.​

Anotevřený obvodje takový, ve kterém nemůže proudit žádný proud, protože smyčka je v určitém okamžiku přerušena. Auzavřený obvodje ten, ve kterém je vytvořena kompletní smyčka a může proudit proud. Je zřejmé, že to druhé má tendenci být zajímavější studovat.

Azkratje takový, ve kterém jsou odporové prvky přemostěny a proud je velmi vysoký. To je obecně nežádoucí a zařízení zvaná jističe jsou instalována v obvodech, aby „rozbila“ (otevřela) obvodu a zastavení toku proudu k ochraně před poškozením obvodu a elektrických spotřebičů a k ochraně před požáry.

1. Sériový obvod obsahuje 9V zdroj energie (v tomto případě baterii) a čtyři rezistory s hodnotami odporu 1,5, 4,5, 2 a 1 Ω. Jaký je aktuální tok?

Nejprve spočítejte celkový odpor. Připomeneme-li pravidlo uvedené v předchozí části, je to jednoduše 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Tok proudu je tedy

2. Nyní si představte stejné napětí a čtyři rezistory, ale s rezistory 1,5 Ω a 4,5 Ω umístěnými paralelně a ostatní jsou uspořádány stejně jako dříve. Jaký je aktuální tok?

Tentokrát vypočítejte odpor v paralelní části obvodu. To je dáno 1 /R​ = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. ​Nezapomeňte použít převrácenou částku tohoto číslaR​!To je dáno 1 / 0,89 = 1,13 Ω.

S touto částí obvodu můžete nyní zacházet jako s jedním odporovým prvkem s odporem 0,89 Ω a celý problém je vyřešen jako u sériového obvodu: R_tot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. To vám umožní vyřešit aktuální ještě jednou:V / R._tot= 9 V / 4,13 Ω =2,18 A​.

3. Nakonec, v návaznosti na nastavení v předchozím příkladu, kombinujte 2-Ω a 1-Ω rezistory v paralelním obvodu, čímž získáte dvě sady paralelních obvodů, které jsou samy uspořádány do série. Jaký je aktuální tok nyní?

Řešení odporu nového paralelního obvodu: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Celkový odpor je tedy 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Proud v opětovně přepracovaném obvodu je tedy 9 V / 1,79 Ω =5,03 A​.

Tyto příklady ilustrují, že distribuce odporu na paralelní odpory zvyšuje množství proudu protékajícího snížením celkového odporu, protože napětí se nemění.