Ηλεκτρικό κύκλωμα: Ορισμός, τύποι, συστατικά (με παραδείγματα και διαγράμματα)

Η ηλεκτρική καλωδίωση στο σπίτι σας που διατηρεί το φορητό υπολογιστή σας, το φορτιστή τηλεφώνου και λιγότερα εργαλεία, όπως ψυγεία και σόμπες που βουρτσίζουν μαζί αποτελείται από μια σειρά διασυνδεδεμένων ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Αυτά συνδέονται με οποιαδήποτε πηγή τροφοδοσίας ηλεκτρικής ενέργειας στο σπίτι σας.

Ο σκοπός των κυκλωμάτων είναι να πάρει ηλεκτρισμό και το σημαντικό ενεργειακό δυναμικό του ακριβώς εκεί που πρέπει να πάει και να περιορίσει τις δυνητικά επιβλαβείς επιπτώσεις του ηλεκτρισμού στη διαδικασία.

Τι συμβαίνει μέσα σε όλα αυτά τα καλώδια, τα οποία από μόνα τους είναι από τα μάτια σας; Για να ξεκινήσετε με τα βασικά, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα κινηθούν παρουσία ενός ηλεκτρικού πεδίου, για φυσικούς λόγους που θα περιγραφούν αργότερα. Εάν τους δοθεί μια διαδρομή κλειστού βρόχου για να ρέει, μπορεί να δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.

Ένα απλό κύκλωμα αποτελείται μόνο από μια πηγή τάσης (διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού). ένα μέσο μέσω του οποίου μπορούν να ρέουν ηλεκτρόνια, συνήθως ένα σύρμα. και κάποια πηγή ηλεκτρικής αντίστασης στο κύκλωμα. Ωστόσο, τα περισσότερα παραδείγματα του πραγματικού κόσμου είναι πολύ πιο περίπλοκα και υπάρχουν πολλοί τύποι ηλεκτρικών κυκλωμάτων, τα οποία είναι ζωτικής σημασίας για την αποτελεσματική ροή ηλεκτρικής ενέργειας.

Τα βασικά εννοιολογικά στοιχεία στον κόσμο της ηλεκτρικής ενέργειας είναι ρεύμα, τάση και αντίσταση. Πριν εξερευνήσετε αυτά, είναι απαραίτητο να κοιτάξετε λίγο βαθύτερα, πίσω στην ιδέα των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Ένα ηλεκτρονικό συμβατικό φέρει αρνητικό φορτίο μεγέθους 1,60 × 10^-19 coulombs, ή C. Δεδομένου ότι είναι η ροή ηλεκτρονίων που καθορίζει το ρεύμα, τα φορτία σε ένα κύκλωμα ρέουν μακριά από τον αρνητικό ακροδέκτη και προς την κατεύθυνση του θετικού τερματικού.

Το "μοναδιαίο φορτίο" στη φυσική τυποποιείται ως θετικό και έχει το ίδιο μέγεθος με το φορτίομισε ένα ηλεκτρόνιο. Ένα θετικό φορτίο τοποθετημένο κοντά σε ένα θετικό τερματικό θα αντιμετωπίσει "απωθητικό" και "θέλει" να απομακρυνθεί από το τερματικό, ακόμη πιο έντονα καθώς η απόσταση κλείνει στο μηδέν. Σε αυτήν την κατάσταση, το φορτίο έχει υψηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό από ό, τι σε κάποια απόσταση πιο μακριά.

Έτσι, ένα «φορτίο» («θετικό» που υπονοείται εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά) ρέει από περιοχές υψηλότερης τάσης σε περιοχές χαμηλότερης τάσης. Αυτή είναι η διαφορά δυναμικού ή η τάση που αναφέρεται στη φυσική και το μέγεθός της καθορίζει εν μέρει τη ροή ρεύματος σε ένα κύκλωμα. Το ηλεκτρικό ρεύμα έρχεται σε μορφές εναλλασσόμενου ρεύματος ("νευρικότητα", φάση ροής) και συνεχούς ρεύματος (ομοιόμορφη ροή) Το τελευταίο είναι το σύγχρονο πρότυπο που χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικά δίκτυα.

• Η τρέχουσα ροή μετριέται χρησιμοποιώντας μια συσκευή που ονομάζεταιαμπεριόμετρο. Η ίδια συσκευή μπορεί συνήθως να χρησιμοποιηθεί ωςβολτόμετρογια τη μέτρηση πιθανής διαφοράς.

Η προηγούμενη ενότητα μπορεί να συνοψιστεί σε μεγάλο βαθμό από έναν απλό μαθηματικό νόμο που ονομάζεται νόμος του Ohm:

όπουΕγώείναι τρέχουσα στοαμπέρ(C / s), το V είναι τάση ή διαφορά δυναμικού, σεβολτ(joules ανά C, ή J / C, σημειώστε τον ενεργειακό όρο στον παρονομαστή) καιΡείναι η αντίσταση στοωμ​ (Ω).

Σε ένα κύκλωμα σειράς, οι αντιστάσεις του ατόμουαντιστάσειςπροστίθενται μαζί για τον υπολογισμό της αντίστασης του κυκλώματος στο σύνολό του. Σε παράλληλα κυκλώματα, για τα οποία θα διαβάσετε σύντομα, ο κανόνας είναι:

όπουΡ₁, Ρ₂και ούτω καθεξής είναι οι μεμονωμένες τιμές τουναντιστάσεις στο παράλληλο κύκλωμα.

Ένα κύκλωμα είναι ένας κλειστός βρόχος μέσω του οποίου ρέει ηλεκτρικό φορτίο ως αποτέλεσμα της τάσης οδήγησης. Το ρεύμα είναι ο ρυθμός ροής, μετρούμενος ως το ποσό φόρτισης που περνά ένα δεδομένο σημείο στο κύκλωμα ανά μονάδα χρόνου.

Μερικές φορές είναι χρήσιμο να θεωρούμε ότι το ρεύμα σε ένα κύκλωμα καλωδίου είναι ανάλογο με το νερό που ρέει μέσω σωλήνων. Το νερό θα ρέει από περιοχές υψηλής δυναμικής ενέργειας σε περιοχές χαμηλότερης δυναμικής ενέργειας. Κάποια πηγή θα πρέπει στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει ενέργεια για να ανεβάσει το νερό έτσι ώστε να ρέει προς τα κάτω. Για να υπάρχει συνεχής ροή νερού, όταν το νερό φτάσει στον πυθμένα, πρέπει να σηκωθεί προς τα πάνω.Αυτή η ενέργεια ανύψωσης του νερού στην κορυφή είναι ουσιαστικά αυτό που κάνει μια μπαταρία ή μια πηγή ισχύος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.​

Ο στόχος ενός κυκλώματος είναι να κάνουμε κάτι χρήσιμο με αυτήν τη ροή φόρτισης. Όλα τα κυκλώματα περιλαμβάνουν κάποιο είδος αντιστατικού στοιχείου που επιβραδύνει τη ροή του φορτίου, ακριβώς όπως ένα φράγμα επιβραδύνει τη ροή του νερού από μια δεξαμενή. Εάν ένας λαμπτήρας προστίθεται σε ένα κύκλωμα, για παράδειγμα, επιβραδύνει τη ροή του φορτίου και μετατρέπει τη σχετική ενέργεια σε φως.

Συχνά είναι χρήσιμο να σχεδιάσετε ένα διάγραμμα ενός κυκλώματος εάν σας δοθεί κάποιος συνδυασμόςV, εγώκαιΡκαι ζήτησαν να λύσουν την άγνωστη ποσότητα. Για να το κάνετε αυτό, χρησιμοποιήστε ένα σύνολο συμβόλων για να απλοποιήσετε το σκίτσο.

•••Ντάνα Τσεν | Επιστήμη

Αυτά τα σύμβολα στη συνέχεια συνδέονται με ευθείες γραμμές για να δημιουργήσουν ένα διάγραμμα κυκλώματος.

•••Ντάνα Τσεν | Επιστήμη

ΕΝΑκύκλωμα σειράςέχει στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά, ή το ένα μετά το άλλο χωρίς διακλάδωση σύρματος. Το ρεύμα που διατρέχει όλα τα στοιχεία που συνδέονται σε σειρά είναι το ίδιο, ανεξάρτητα από το πόσες αντιστάσεις συναντώνται στην πορεία.

ΕΝΑπαράλληλο κύκλωμαέχει στοιχεία συνδεδεμένα παράλληλα - δηλαδή, ένα σημείο στους κλάδους του κυκλώματος, με καλώδια να πηγαίνουν σε δύο διαφορετικά στοιχεία και στη συνέχεια τα κλαδιά επανέρχονται ξανά.Η τάση σε κάθε στοιχείο που συνδέεται παράλληλα είναι η ίδια.​

Εναανοικτό κύκλωμαείναι ένα ρεύμα στο οποίο δεν μπορεί να ρέει ρεύμα επειδή ο βρόχος έχει σπάσει σε κάποιο σημείο. ΕΝΑκλειστό κύκλωμαείναι ένα στο οποίο σχηματίζεται ο πλήρης βρόχος και μπορεί να ρέει ρεύμα. Είναι σαφές ότι το τελευταίο τείνει να είναι πιο ενδιαφέρον για μελέτη.

ΕΝΑβραχυκύκλωμαείναι ένα στο οποίο τα αντιστατικά στοιχεία παρακάμπτονται και η ροή ρεύματος είναι πολύ υψηλή. Αυτά είναι γενικά ανεπιθύμητα, και οι συσκευές που ονομάζονται διακόπτες είναι εγκατεστημένες σε κυκλώματα για να «σπάσουν» (ανοίξτε) το κύκλωμα και διακοπή της ροής ρεύματος για προστασία από ζημιές στο κύκλωμα και ηλεκτρικές συσκευές και για προστασία από πυρκαγιές.

1. Ένα κύκλωμα σειράς περιλαμβάνει μια πηγή ισχύος 9-V (μια μπαταρία, σε αυτήν την περίπτωση) και τέσσερις αντιστάσεις με τιμές αντίστασης 1,5, 4,5, 2 και 1 Ω. Ποια είναι η τρέχουσα ροή;

Πρώτα, υπολογίστε τη συνολική αντίσταση. Υπενθυμίζοντας τον κανόνα που δόθηκε σε μια προηγούμενη ενότητα, αυτό είναι απλά 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Έτσι, η τρέχουσα ροή είναι

2. Τώρα φανταστείτε την ίδια τάση και τέσσερις αντιστάσεις, αλλά με τις αντιστάσεις 1,5-Ω και 4,5-Ω τοποθετημένες παράλληλα και οι άλλες τακτοποιημένες όπως και πριν. Ποια είναι η τρέχουσα ροή;

Αυτή τη φορά, υπολογίστε την αντίσταση στο παράλληλο τμήμα του κυκλώματος. Αυτό δίνεται από 1 /Ρ​ = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. ​Μην ξεχάσετε να πάρετε το αντίστροφο αυτού του αριθμού για να λάβετεΡ​!Αυτό δίνεται από 1 / 0,89 = 1,13 Ω.

Τώρα μπορείτε να χειριστείτε αυτό το τμήμα του κυκλώματος ως ένα μόνο στοιχείο αντίστασης με αντίσταση 0,89 Ω και ολόκληρο το πρόβλημα επιλύεται όπως και με ένα κύκλωμα σειράς: R_{μικρό παιδί} = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Αυτό σας επιτρέπει να λύσετε για το τρέχον για άλλη μια φορά:V / R_{μικρό παιδί}= 9 V / 4,13 Ω =2.18 Α​.

3. Τέλος, με βάση τη ρύθμιση στο προηγούμενο παράδειγμα, συνδυάστε τις αντιστάσεις 2-Ω και 1-Ω σε ένα παράλληλο κύκλωμα, αποδίδοντας δύο σύνολα παράλληλων κυκλωμάτων τα οποία είναι ίδια τακτοποιημένα σε σειρά. Ποια είναι η τρέχουσα ροή τώρα;

Λύστε για την αντίσταση του νέου παράλληλου κυκλώματος: 1 /Ρ= 1/1 + 1/2 = 1.5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Η συνολική αντίσταση είναι επομένως 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Το ρεύμα στο κύκλωμα που έχει ανανεωθεί ξανά είναι 9 V / 1,79 Ω =5.03 Α​.

Αυτά τα παραδείγματα δείχνουν ότι η κατανομή της αντίστασης σε παράλληλες αντιστάσεις αυξάνει το ρεύμα που ρέει μειώνοντας τη συνολική αντίσταση, καθώς η τάση δεν αλλάζει.