Sähköpiiri: Määritelmä, tyypit, komponentit (esimerkkeineen ja kaavioineen)

Kotisi sähköjohdot, jotka pitävät kannettavan tietokoneen, puhelimen laturin ja pienemmät työkalut, kuten jääkaapit ja uunit, koostuvat useista toisiinsa kytketyistä sähköpiireistä. Ne on kytketty mihin tahansa virtalähteeseen, joka toimittaa sähköä kotiisi.

Piirien tarkoituksena on saada sähkö ja sen huomattava energiapotentiaali juuri sinne, missä sen on mentävä, ja hillitä sähkön mahdollisesti haitalliset vaikutukset prosessissa.

Mitä tapahtuu kaikkien näiden johtojen sisällä, jotka itse ovat enimmäkseen poissa näkyvistäsi? Ensinnäkin, vapaat elektronit liikkuvat sähkökentän läsnä ollessa fyysisistä syistä, jotka kuvataan myöhemmin. Jos heille annetaan suljetun silmukan polku, jossa virrata, voidaan luoda sähköpiiri.

Yksinkertainen piiri koostuu vain jännitelähteestä (sähköinen potentiaaliero); väliaine, jonka läpi elektronit voivat virrata, yleensä lanka; ja jokin sähköisen vastuksen lähde piirissä. Suurin osa reaalimaailman esimerkeistä on kuitenkin paljon monimutkaisempia, ja olemassa on useita erityyppisiä sähköpiirejä, jotka kaikki ovat välttämättömiä sähkön tehokkaalle virtaukselle.

Periaatekäsitteelliset elementit sähkömaailmassa ovat virta, jännite ja vastus. Ennen näiden tutkimista on välttämätöntä tarkastella hieman syvemmälle, takaisin vapaiden elektronien ajatukseen. Elektronilla on sopimuksella negatiivinen varaus, jonka suuruus on 1,60 × 10^-19 coulombs tai C. Koska elektronien virtaus määrää virran, lataukset piirissä virtaavat poispäin negatiivisesta napasta ja positiivisen navan suuntaan.

Fysiikan "yksikkövaraus" on standardoitu positiiviseksi ja sillä on sama suuruus kuin varauksellaeelektronilla. Positiivisen latauksen läheisyyteen sijoitettu positiivinen varaus kokee "työnnön" ja "haluaa" siirtyä pois päätelaitteesta, sitä voimakkaammin, kun etäisyys sulkeutuu nollaan. Tässä tilassa varauksella on suurempi sähköpotentiaali kuin sillä jonkin matkan päässä kauempana.

Siten "varaus" (oletetaan "positiiviseksi", ellei toisin mainita) virtaa korkeamman jännitteen alueilta pienemmän jännitteen alueille. Tämä on fysiikassa mainittu potentiaaliero tai jännite, ja sen suuruus määrittelee osittain virran virtauksen piirissä. Sähkövirta tulee vaihtovirraksi ("värisevä", vaiheellinen virtaus) ja tasavirraksi (tasainen virtaus); jälkimmäinen on nykyaikainen standardi, jota käytetään sähköverkoissa.

• Virta mitataan käyttämällä laitetta nimeltäampeerimittari. Samaa laitetta voidaan yleensä käyttää avoltimittaripotentiaalisen eron mittaamiseksi.

Edellisen osan voi tiivistää suurelta osin yksinkertaisella matemaattisella lailla nimeltä Ohmin laki:

missäMinäon nykyinenampeeria(C / s), V on jännite tai potentiaaliero, involttia(joulea / C tai J / C; huomaa energian termi nimittäjään) jaRon vastus sisäänohmia​ (Ω).

Sarjapiirissä yksilön vastuksetvastuksetlasketaan yhteen piirin kokonaisvastuksen laskemiseksi. Rinnakkaispiireissä, joista luet pian, sääntö on:

missäR₁, R₂ja niin edelleen ovatnvastukset rinnakkaispiirissä.

Piiri on suljettu silmukka, jonka läpi sähkövaraus virtaa käyttöjännitteen seurauksena. Virta on virtausnopeus, mitattuna varauksen määränä, joka kulkee tietyn piirin kohdan aikayksikköä kohti.

Joskus on hyödyllistä ajatella lankapiirin virta analogiseksi putkien läpi virtaavan veden kanssa. Vesi virtaa alueilta, joilla on paljon potentiaalista energiaa, alueille, joilla on vähän potentiaalista energiaa. Jonkin lähteen olisi sitten käytettävä energiaa veden nostamiseen niin, että se virtaa alamäkeen. Jotta vesi olisi jatkuvaa, se on nostettava takaisin ylöspäin, kun vesi saavuttaa pohjan.Tämä veden nostamisen takaisin ylöspäin toiminta on olennaisesti se, mitä akku tai virtalähde tekee sähköpiirissä.​

Piirin tavoitteena on tehdä jotain hyödyllistä tällä varausvirralla. Kaikissa piireissä on jonkinlainen resistiivinen elementti, joka hidastaa varauksen virtausta, samoin kuin pato hidastaa veden virtausta säiliöstä. Jos esimerkiksi hehkulamppu lisätään piiriin, se hidastaa varauksen virtausta ja muuttaa siihen liittyvän energian valoksi.

Usein on hyödyllistä piirtää piirikaavio, jos sinulle annetaan jokin yhdistelmäV, minäjaRja pyysi ratkaisemaan tuntemattoman määrän. Voit tehdä tämän yksinkertaistamalla luonnosta symbolisarjalla.

•••Dana Chen | Tutkiminen

Nämä symbolit yhdistetään sitten suorilla viivoilla piirikaavion luomiseksi.

•••Dana Chen | Tutkiminen

Asarjapiirion elementtejä kytketty sarjaan tai peräkkäin ilman johtimen haarautumista. Kaikkien sarjaan kytkettyjen elementtien läpi kulkeva virta on sama, riippumatta siitä, kuinka monta vastusta matkan varrella esiintyy.

Arinnakkaispiirion elementtejä kytketty rinnakkain - toisin sanoen yksi piiripiirin piste, jossa johdot menevät kahteen eri elementtiin, ja sitten haarat yhdistyvät uudelleen.Jokaisen rinnakkain liitetyn elementin jännite on sama.​

Anavoin rataon sellainen, jossa virta ei voi virrata, koska silmukka on rikkoutunut jossain vaiheessa. Asuljettu virtapiirion sellainen, jossa muodostuu täydellinen silmukka ja virta voi virrata. On selvää, että jälkimmäinen on yleensä mielenkiintoisempi tutkia.

Aoikosulkuon sellainen, jossa resistiiviset elementit ohitetaan ja virran virtaus on erittäin suuri. Nämä ovat yleensä ei-toivottuja, ja katkaisimiksi kutsuttuja laitteita asennetaan piireihin "katkaisemaan" (avaamaan) piiri ja pysäytä virtavirta suojaamaan piirin ja sähkölaitteiden vaurioitumiselta ja suojaukselta tulipalot.

1. Sarjapiiri sisältää 9 V: n virtalähteen (tässä tapauksessa paristo) ja neljä vastusta, joiden vastusarvot ovat 1,5, 4,5, 2 ja 1 Ω. Mikä on nykyinen virtaus?

Laske ensin kokonaisresistanssi. Palauttamalla edellisessä osassa annettu sääntö on yksinkertaisesti 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Siten nykyinen virtaus on

2. Kuvittele nyt sama jännite ja neljä vastusta, mutta 1,5-Ω- ja 4,5-Ω-vastukset sijoitetaan rinnakkain ja muut järjestetään samalla tavalla kuin aiemmin. Mikä on nykyinen virtaus?

Laske tällä kertaa piirin rinnakkaisen osan vastus. Tämän antaa 1 /R​ = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. ​Älä unohda ottaa tämän numeron vastavuoroista saadaksesiR​!Tämän antaa 1 / 0,89 = 1,13 Ω.

Voit nyt käsitellä tätä piirin osaa yhtenä resistiivisenä elementtinä, jonka vastus on 0,89 Ω, ja koko ongelma ratkaistaan ​​kuten sarjapiirissä: R_tot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Tämän avulla voit ratkaista virran vielä kerran:V / R_tot= 9 V / 4,13 Ω =2.18 A​.

3. Lopuksi edellisen esimerkin kokoonpanon pohjalta yhdistetään 2-Ω- ja 1-Ω-vastukset rinnakkaispiiriin, jolloin saadaan kaksi sarjaa rinnakkaisia ​​piirejä, jotka ovat itse järjestetty sarjaan. Mikä on nykyinen virtaus nyt?

Ratkaise uuden rinnakkaispiirin vastus: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Kokonaisvastus on siis 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Uudelleen uudistetun piirin virta on siis 9 V / 1,79 Ω =5,03 A​.

Nämä esimerkit havainnollistavat, että vastuksen jakaminen rinnakkaisille vastuksille lisää virtaavan virran määrää alentamalla kokonaisvastusta, koska jännite ei muutu.