Električna ožičenja u vašem domu koja drže prijenosno računalo, punjač za telefon i manje alate poput hladnjaka i štednjaka, bruje, sastoji se od brojnih međusobno povezanih električnih krugova. Oni su povezani na bilo koji izvor napajanja koji vaš dom napaja električnom energijom.
Svrha je krugova dobivanje električne energije i njenog znatnog energetskog potencijala točno tamo gdje treba ići, te zadržavanje potencijalno štetnih učinaka električne energije u procesu.
Što se događa unutar svih onih žica, koje su i same uglavnom izvan vašeg pogleda? Za početak s osnovama, slobodni elektroni će se kretati u prisutnosti električnog polja, iz fizičkih razloga koji će biti opisani kasnije. Ako im se pruži put zatvorene petlje u kojem će teći, može se stvoriti električni krug.
Jednostavni sklop sastoji se samo od izvora napona (razlika električnog potencijala); medij kroz koji mogu strujati elektroni, obično žica; i neki izvor električnog otpora u krugu. Većina primjera u stvarnosti je daleko složenija, a postoji više vrsta električnih krugova, koji su svi vitalni za učinkovit protok električne energije.
Električni naboj i struja
Osnovni konceptualni elementi u svijetu električne energije su struja, napon i otpor. Prije nego što ih istražite, potrebno je pogledati malo dublje, vratiti se ideji slobodnih elektrona. Elektron po dogovoru nosi negativni naboj veličine 1,60 × 10-19 kuloni ili C. Budući da je protok elektrona taj koji određuje struju, naboji u krugu odmiču od negativnog terminala i u smjeru pozitivnog terminala.
"Jedinica naboja" u fizici standardizirana je kao pozitivna i ima istu veličinu kao i nabojena elektronu. Pozitivan naboj smješten u blizini pozitivnog terminala doživjet će "odbojnost" i "htjeti" se odmaknuti od terminala, utoliko jače što se udaljenost zatvara na nulu. U tom stanju naboj ima veći električni potencijal nego na udaljenoj udaljenosti.
Tako "naboj" (ako se podrazumijeva "pozitivno" teče iz područja višeg napona u područja nižeg napona. To je razlika potencijala ili napon koji se spominje u fizici, a njegova veličina djelomično određuje protok struje u krugu. Električna struja dolazi u izmjeničnoj struji ("nervozan", fazni tok) i istosmjernoj struji (jednoliki tok); potonji je moderni standard koji se koristi u električnim mrežama.
- Protok struje mjeri se pomoću uređaja koji se nazivaampermetar. Isti se uređaj obično može koristiti kaovoltmetarza mjerenje potencijalne razlike.
Ohmov zakon
Prethodni odjeljak može se u velikoj mjeri sažeti jednostavnim matematičkim zakonom nazvanim Ohmov zakon:
I = \ frac {V} {R}
gdjeJaje trenutno uamperima(C / s), V je napon ili potencijalna razlika uvolti(džula po C ili J / C; zabilježite energetski pojam u nazivniku) iRje otpor uoma (Ω).
U serijskom krugu, otpori pojedincaotpornicizbrajaju se kako bi se izračunao otpor sklopa u cjelini. U paralelnim krugovima, o kojima ćete uskoro čitati, vrijedi pravilo:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
gdjeR1, R2i tako dalje su pojedinačne vrijednostinotpornici u paralelnom krugu.
Definicija kruga
Krug je zatvorena petlja kroz koju prolazi električni naboj kao rezultat pogonskog napona. Struja je brzina protoka, mjerena kao količina naboja koji prolazi jedinicu u krugu po jedinici vremena.
Ponekad je korisno razmišljati o struji u žičanom krugu analognoj vodi koja teče kroz cijevi. Voda će teći iz područja s visokim potencijalom energije u područja s manjim potencijalom. Neki bi izvor tada trebao koristiti energiju za podizanje vode tako da će teći nizbrdo. Da bi kontinuirano tekao voda, kad voda dosegne dno, mora se podići natrag do vrha.Ova akcija podizanja vode natrag do vrha zapravo je ono što baterija ili izvor napajanja rade u električnom krugu.
Cilj sklopa je učiniti nešto korisno s ovim protokom naboja. Svi krugovi uključuju neku vrstu otpornog elementa koji usporava protok naboja, baš kao što brana usporava protok vode iz rezervoara. Ako se krugu, na primjer, doda žarulja, ona usporava protok naboja i pretvara povezanu energiju u svjetlost.
Kružni dijagrami i elementi kruga
Često je korisno skicirati dijagram kruga ako vam je dana neka kombinacijaV, IiRi zatražio da riješi nepoznatu količinu. Da biste to učinili, upotrijebite skup simbola kako biste pojednostavili skicu.
•••Dana Chen | Znanstveno
Ti su simboli zatim povezani ravnim linijama kako bi se stvorio dijagram spojeva.
•••Dana Chen | Znanstveno
Vrste krugova
Aserijski krugima elemente povezane u seriju ili jedan za drugim, a da se žica ne razgrana. Struja koja teče kroz sve serijski povezane elemente je jednaka, bez obzira na to koliko se otpora susreće na putu.
Aparalelni krugima paralelno povezane elemente - to jest jednu točku u granama kruga, sa žicama koje idu na dva različita elementa, a zatim se grane ponovno spajaju.Napon na svakom paralelno spojenom elementu je jednak.
Anotvoreni krugje onaj u kojem ne može teći struja jer je petlja u nekom trenutku prekinuta. AZatvoreni krugje onaj u kojem se formira kompletna petlja i struja može teći. Jasno je da je potonje obično zanimljivije za proučavanje.
Akratki spojje onaj u kojem se zaobilaze otporni elementi i protok struje je vrlo velik. To su općenito nepoželjni, a uređaji zvani prekidači ugrađeni su u krugove kako bi "prekinuli" (otvorili) krug i zaustaviti protok struje za zaštitu od oštećenja kruga i električnih uređaja i za zaštitu od vatre.
Primjeri električnih krugova
1. Serijski krug uključuje izvor napajanja od 9 V (u ovom slučaju baterija) i četiri otpora s vrijednostima otpora 1,5, 4,5, 2 i 1 Ω. Koliki je trenutni protok?
Prvo izračunajte ukupni otpor. Podsjećajući na pravilo dano u prethodnom odjeljku, ovo je jednostavno 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Tako je protok struje
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ text {A}
2. Zamislite sada isti napon i četiri otpora, ali s paralelno postavljenim otporima od 1,5 Ω i 4,5 Ω, a ostali su raspoređeni isto kao i prije. Koliki je trenutni protok?
Ovaj put izračunajte otpor u paralelnom dijelu kruga. To daje 1 /R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Ne zaboravite uzeti povratni broj ovog brojaR!To se dobiva sa 1 / 0,89 = 1,13 Ω.
Sada ovaj dio sklopa možete tretirati kao jedan otporni element otpora 0,89 Ω, a cijeli problem je riješen kao kod serijskog kruga: Rmališan = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. To vam omogućuje da još jednom riješite trenutni problem:V / Rmališan= 9 V / 4,13 Ω =2.18 A.
3. Konačno, nadovezujući se na postavke u prethodnom primjeru, kombinirajte otpornike 2-Ω i 1-Ω u paralelnom krugu, dajući dva seta paralelnih krugova koji su i sami poredani u nizu. Koji je trenutni protok sada?
Riješiti otpor novog paralelnog kruga: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Ukupni otpor je tako 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Tako je struja u ponovno preuređenom krugu 9 V / 1,79 Ω =5,03 A.
Ovi primjeri ilustriraju da raspodjela otpora kroz paralelne otpore povećava količinu struje koja pada smanjenjem ukupnog otpora, jer se napon ne mijenja.