Teie kodu elektrijuhtmestik, mis hoiab sülearvutit, telefonilaadijat ja väiksemaid tööriistu, nagu külmikud ja pliidid, sumisevad, koosneb mitmest omavahel ühendatud elektriskeemist. Need on ühendatud mis tahes toiteallikaga, mis teie koju elektrit annab.
Vooluringide eesmärk on saada elektrit ja selle märkimisväärset energiapotentsiaali täpselt sinna, kuhu vaja, ning piirata protsessi käigus elektrienergia potentsiaalselt kahjulikke mõjusid.
Mis toimub kõigi nende juhtmete sees, mis ise on enamasti teie silmist väljas? Alustuseks alustest liiguvad vabad elektronid elektrivälja juuresolekul füüsikalistel põhjustel, mida kirjeldatakse hiljem. Kui neile antakse voolamiseks suletud ahelaga rada, saab luua elektriskeemi.
Lihtne vooluring koosneb ainult pingeallikast (elektriline potentsiaalide erinevus); keskkond, mille kaudu elektronid võivad voolata, tavaliselt traat; ja mingi elektritakistuse allikas vooluahelas. Enamik reaalsetest näidetest on siiski palju keerukamad ja eksisteerib mitut tüüpi elektriskeeme, mis on kõik olulised elektrienergia tõhusaks liikumiseks.
Elektriline laadimine ja vool
Põhilised kontseptuaalsed elemendid elektrimaailmas on vool, pinge ja takistus. Enne nende uurimist on vaja vaadata veidi sügavamalt, tagasi vabade elektronide idee juurde. Elektroon kannab kokkuleppeliselt negatiivset laengut suurusjärgus 1,60 × 10-19 kulonki või C. Kuna voolu määrab elektronide voog, voolavad vooluahelas laengud negatiivsest terminalist eemale ja positiivse terminali suunas.
Füüsikas on "ühiklaeng" standardiseeritud positiivsena ja selle suurus on sama suur kui laengeelektronil. Positiivse terminali lähedale paigutatud positiivne laeng kogeb "tõrjumist" ja "tahab" terminalist eemale liikuda, seda tugevamalt, kui vahemaa sulgub nulli. Selles olekus on laengul suurem elektriline potentsiaal kui mõnel kaugemal.
Seega voolab kõrgema pingega aladelt madalama pingega aladelt "positiivne" (kui eeldada, et pole teisiti öeldud). See on füüsikas viidatud potentsiaalne erinevus või pinge ja selle suurus määrab osaliselt voolu voolu ahelas. Elektrivool on saadaval vahelduvvoolus ("närviline", faasiline voog) ja alalisvoolus (ühtlane vool); viimane on kaasaegne standard, mida kasutatakse elektrivõrkudes.
- Vooluhulka mõõdetakse seadme abil, mida nimetatakseampermeeter. Sama seadet saab tavaliselt kasutada ka avoltmeeterpotentsiaalse erinevuse mõõtmiseks.
Ohmi seadus
Eelmise osa võib suures osas kokku võtta lihtsa matemaatilise seadusega, mida nimetatakse Ohmi seaduseks:
I = \ frac {V} {R}
kusMinaon praeguneamprit(C / s), V on pinge või potentsiaalide erinevus involti(džaulid C kohta või J / C; märkige nimetaja energiamõiste) jaRon takistusoomi (Ω).
Seeriaahelas indiviidi takistusedtakistidühendatakse kogu vooluahela takistuse arvutamiseks. Paralleelsetes vooluringides, millest saate varsti lugeda, kehtib reegel:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
kusR1, R2ja nii edasi on väärtuse individuaalsed väärtusedntakistid paralleelses ahelas.
Vooluringi määratlus
Vooluring on suletud ahel, mille kaudu elektriline laeng voolab sõidupinge tagajärjel. Vool on voolukiirus, mõõdetuna vooluahela teatud punkti läbiva laengu ajaühikus.
Mõnikord on kasulik mõelda juhtme voolu voolust analoogseks torude kaudu voolava veega. Vesi voolab suure potentsiaaliga energiapiirkondadest madalama potentsiaaliga energiapiirkondadesse. Mõni allikas peaks seejärel kasutama energiat vee ülespoole tõstmiseks, et see voolaks allamäge. Pideva veevoolu saavutamiseks tuleb vesi pärast põhja jõudmist ülespoole tagasi tõsta.See vee tõstmine ülespoole tõstmiseks on põhimõtteliselt see, mida patarei või toiteallikas elektriahelas teeb.
Vooluringi eesmärk on selle laadimisvooluga midagi kasulikku teha. Kõik vooluringid sisaldavad mingisugust takistavat elementi, mis aeglustab laengu voogu, nii nagu tamm aeglustab veevoolu reservuaarist. Kui vooluringile lisatakse näiteks lambipirn, siis see aeglustab laengu voogu ja muudab sellega seotud energia valguseks.
Vooluringi skeemid ja vooluahela elemendid
Sageli on kasulik skeemi skeem visandada, kui teile antakse mõni kombinatsioonV, minajaRja palus lahendada tundmatu kogus. Selleks kasutage visandi lihtsustamiseks sümbolite komplekti.
•••Dana Chen | Teadmine
Seejärel ühendatakse need sümbolid sirgjoontega, et luua skeem.
•••Dana Chen | Teadmine
Ahelate tüübid
Aseeriaahelon elemendid ühendatud järjestikku või üksteise järel, ilma et traat hargneks. Kõigi järjestikku ühendatud elementide kaudu voolav vool on sama, hoolimata sellest, kui palju takistoreid teel kokku puutub.
Aparalleelahelon paralleelselt ühendatud elemendid - see tähendab üks punkt vooluahelas, juhtmed lähevad kahele erinevale elemendile ja siis ühenduvad harud uuesti.Iga paralleelselt ühendatud elemendi pinge on sama.
Anavatud vooluringon selline, milles vool ei saa voolata, kuna silmus on mingil hetkel katki. Asuletud ahelon selline, milles moodustub täielik silmus ja vool võib voolata. On selge, et viimast kipub huvitavam uurima.
Alühison selline, kus takistuslikest elementidest möödutakse ja vooluhulk on väga suur. Need on üldiselt ebasoovitavad ja vooluahela "lahtihoidmiseks" (avamiseks) on vooluahelatesse paigaldatud seadmed vooluahelat ja peatage voolu vool, et kaitsta vooluahelat ja elektriseadmeid kahjustada ning kaitsta tulekahjud.
Elektriahelate näited
1. Seeriaahel sisaldab 9-V toiteallikat (antud juhul akut) ja nelja takistit, mille takistus on 1,5, 4,5, 2 ja 1 Ω. Mis on praegune voog?
Kõigepealt arvutage kogu takistus. Meenutades eelmises lõigus antud reeglit, on see lihtsalt 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Seega praegune voog on
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ tekst {A}
2. Kujutage nüüd ette sama pinge ja neli takistit, kuid 1,5-Ω ja 4,5-Ω takistid on paigutatud paralleelselt ja teised on paigutatud samamoodi nagu varem. Mis on praegune voog?
Seekord arvutage takistus ahela paralleelses osas. Selle annab 1 /R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Ärge unustage selle numbri saamiseks vastastikkuR!Selle annab 1 / 0,89 = 1,13 Ω.
Nüüd saate seda vooluahela osa käsitleda ühe takistusliku elemendina, mille takistus on 0,89 Ω, ja kogu probleem on lahendatud nagu jadaahelaga: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. See võimaldab teil praeguse voolu jaoks veel kord lahendada:V / Rtot= 9 V / 4,13 Ω =2.18 A.
3. Lõpuks, tuginedes eelmise näite seadistusele, ühendage 2-Ω ja 1-Ω takistid paralleelses ahelas, saades kaks paralleelsete ahelate komplekti, mis ise on järjestikku paigutatud. Milline on praegu vool?
Lahendage uue paralleelahela takistus: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Kogutakistus on seega 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Uuesti uuendatud vooluahela vool on seega 9 V / 1,79 Ω =5,03 A.
Need näited illustreerivad, et takistuse jaotamine paralleelsete takistite vahel suurendab voolutugevust kogu takistuse vähendamise kaudu, kuna pinge ei muutu.