Elektrisk kredsløb: definition, typer, komponenter (med eksempler og diagrammer)

De elektriske ledninger i dit hjem, der holder din bærbare computer, telefonoplader og mindre værktøjer såsom køleskabe og komfurer, brummende, består af et antal sammenkoblede elektriske kredsløb. Disse er forbundet til den strømkilde, der leverer elektricitet til dit hjem.

Formålet med kredsløb er at få elektricitet og dets betydelige energipotentiale nøjagtigt, hvor det skal hen, og at indeholde de potentielt skadelige virkninger af elektricitet i processen.

Hvad sker der inde i alle de ledninger, som i sig selv for det meste er uden for dit syn? Til at begynde med det grundlæggende bevæger frie elektroner sig i nærværelse af et elektrisk felt af fysiske årsager, som vil blive beskrevet senere. Hvis de får en sti med lukket sløjfe, som de kan strømme i, kan der oprettes et elektrisk kredsløb.

Et simpelt kredsløb består kun af en spændingskilde (elektrisk potentialforskel); et medium, gennem hvilket elektroner kan strømme, normalt en ledning; og en eller anden kilde til elektrisk modstand i kredsløbet. De fleste eksempler fra den virkelige verden er dog langt mere komplekse, og der findes flere typer elektriske kredsløb, som alle er vigtige for en effektiv strøm af elektricitet.

De grundlæggende konceptuelle elementer i en verden af ​​elektricitet er strøm, spænding og modstand. Før du udforsker disse, er det nødvendigt at se lidt dybere tilbage til ideen om frie elektroner. En elektron bærer ved konvention en negativ ladning med en styrke på 1,60 × 10^-19 coulombs eller C. Da det er strømmen af ​​elektroner, der bestemmer strømmen, oplades et kredsløb væk fra den negative terminal og i retning af den positive terminal.

"Enhedsladningen" i fysik er standardiseret som positiv og har samme størrelse som ladningenepå en elektron. En positiv ladning placeret nær en positiv terminal vil opleve "frastødning" og "ønsker" at bevæge sig væk fra terminalen, desto stærkere, når afstanden lukkes til nul. I denne tilstand har opladningen et højere elektrisk potentiale end det gør i en afstand længere væk.

Således strømmer en "ladning" ("positiv", medmindre andet er angivet) fra områder med højere spænding til områder med lavere spænding. Dette er den potentielle forskel eller spænding, der henvises til i fysik, og dens størrelse bestemmer delvist strømstrømmen i et kredsløb. Elektrisk strøm kommer i vekselstrøm (en "jittery", fasestrøm) og jævnstrøm (ensartet strømning); sidstnævnte er den moderne standard, der anvendes i elektriske elnet.

• Strømmen måles ved hjælp af en enhed kaldet enamperemeter. Den samme enhed kan normalt bruges som envoltmeterat måle potentiel forskel.

Det forrige afsnit kan i vid udstrækning opsummeres af en simpel matematisk lov kaldet Ohms lov:

hvorjeger aktuelt iampere(C / s), V er spænding eller potentialforskel ivolt(joule pr. C eller J / C; bemærk energibegrebet i nævneren) ogRer modstanden iohm​ (Ω).

I et seriekredsløb er modstandene for individuellemodstandetilføjes sammen for at beregne kredsløbets modstand som helhed. I parallelle kredsløb, som du snart vil læse om, er reglen:

hvorR₁, R₂og så videre er de individuelle værdier fornmodstande i det parallelle kredsløb.

Et kredsløb er en lukket sløjfe, gennem hvilken elektrisk ladning strømmer som et resultat af en kørselsspænding. Strøm er strømningshastigheden målt som mængden af ​​ladning, der passerer et givet punkt i kredsløbet pr. Tidsenhed.

Nogle gange er det nyttigt at tænke på strøm i et ledningskredsløb som analogt med vand, der strømmer gennem rør. Vand vil strømme fra regioner med høj potentiel energi til regioner med lavere potentiel energi. En eller anden kilde skal derefter bruge energi til at hæve vandet op, så det strømmer ned ad bakke. For at have en kontinuerlig strøm af vand, når vandet når bunden, skal det løftes op igen til toppen.Denne handling for at løfte vandet op igen er i det væsentlige hvad et batteri eller en strømkilde gør i et elektrisk kredsløb.​

Målet med et kredsløb er at gøre noget nyttigt med denne strøm af ladning. Alle kredsløb inkluderer en slags resistivt element, der nedsætter strømmen af ​​ladning, ligesom en dæmning nedsætter strømmen af ​​vand fra et reservoir. Hvis f.eks. En pære føjes til et kredsløb, nedsætter den strømmen af ​​ladning og omdanner den tilknyttede energi til lys.

Ofte er det nyttigt at tegne et diagram over et kredsløb, hvis du får en kombination afV, jegogRog bedt om at løse den ukendte mængde. For at gøre det skal du bruge et sæt symboler til at forenkle skitsen.

•••Dana Chen | Videnskabelig

Disse symboler forbindes derefter med lige linjer for at oprette et kredsløbsdiagram.

•••Dana Chen | Videnskabelig

ENseriekredsløbhar elementer forbundet i serie eller den ene efter den anden uden ledningsforgrening. Strømmen, der strømmer gennem alle elementforbundne elementer er den samme, uanset hvor mange modstande der er stødt på undervejs.

ENparallel kredsløbhar elementer forbundet parallelt - det vil sige et punkt i kredsløbets grene, med ledninger, der går til to forskellige elementer, og derefter slutter grenene sig igen.Spændingen over hvert element, der er forbundet parallelt, er den samme.​

Enåbent kredsløber en, hvor ingen strøm kan strømme, fordi sløjfen er ødelagt på et eller andet tidspunkt. ENlukket kredsløber en, hvor den komplette sløjfe dannes, og strømmen kan strømme. Det er klart, at sidstnævnte har tendens til at være mere interessant at studere.

ENkortslutninger en, hvor de resistive elementer omgåes, og strømmen er meget høj. Disse er generelt uønskede, og enheder kaldet afbrydere er installeret i kredsløb for at "bryde" (åbne) kredsløb og standse strømmen for at beskytte mod skader på kredsløbet og elektriske apparater og for at beskytte mod brande.

1. Et seriekredsløb inkluderer en 9-V strømkilde (et batteri, i dette tilfælde) og fire modstande med modstandsværdier på 1,5, 4,5, 2 og 1 Ω. Hvad er det aktuelle flow?

Beregn først den samlede modstand. Når man husker reglen i et foregående afsnit, er dette simpelthen 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Den nuværende strøm er således

2. Forestil dig nu den samme spænding og fire modstande, men med 1,5-Ω og 4,5-Ω modstande placeret parallelt og de andre arrangeret det samme som før. Hvad er det aktuelle flow?

Denne gang beregner du modstanden i kredsløbets parallelle del. Dette er givet af 1 /R​ = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. ​Glem ikke at tage det gensidige af dette nummer for at fåR​!Dette er givet ved 1 / 0,89 = 1,13 Ω.

Du kan nu behandle denne del af kredsløbet som et enkelt resistivt element med en modstand på 0,89 Ω, og hele problemet løses som med et seriekredsløb: R_tot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Dette giver dig mulighed for at løse for strøm igen:V / R_tot= 9 V / 4,13 Ω =2.18 A​.

3. Endelig bygger du på opsætningen i det foregående eksempel og kombinerer 2-Ω og 1-Ω modstandene i et parallel kredsløb, hvilket giver to sæt parallelle kredsløb, der selv er ordnet i serie. Hvad er den nuværende strøm nu?

Løs modstanden i det nye parallelle kredsløb: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Den samlede modstand er således 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Strømmen i det igen fornyede kredsløb er således 9 V / 1,79 Ω =5,03 A.​.

Disse eksempler illustrerer, at distribuering af modstand over parallelle modstande øger strømmen ved at sænke den samlede modstand, da spændingen ikke ændres.