Az otthoni elektromos vezetékek, amelyek a laptopot, a telefon töltőt és a kisebb eszközöket, például hűtőszekrényeket és kályhákat zümmögik, számos összekapcsolt elektromos áramkörből állnak. Ezek csatlakoztatva vannak bármilyen áramforráshoz, amely áramot szolgáltat az otthonához.
Az áramkörök célja az, hogy villamos energiát és jelentős energiapotenciálját pontosan oda kerítsék, ahová el kell menniük, és a folyamat során visszatartják a villamos energia potenciálisan káros hatásait.
Mi történik mindazon vezetékek belsejében, amelyek többnyire nincsenek a szemed előtt? Az alapoktól kezdve a szabad elektronok elektromos tér jelenlétében mozognak, fizikai okokból, amelyeket később leírunk. Ha kapnak egy zárt hurkú utat, ahol áramolniuk kell, akkor elektromos áramkör hozható létre.
Egy egyszerű áramkör csak feszültségforrásból áll (elektromos potenciálkülönbség); közeg, amelyen keresztül elektronok áramolhatnak, általában vezeték; és valamilyen elektromos ellenállás forrása az áramkörben. A legtöbb valós példa azonban sokkal összetettebb, és többféle áramkör létezik, amelyek mindegyike létfontosságú a villamos energia hatékony áramlásához.
Elektromos töltés és áram
Az alapvető fogalmi elemek a villamos energia világában az áram, a feszültség és az ellenállás. Ezek feltárása előtt egy kicsit mélyebbre kell tekinteni, visszatérve a szabad elektronok gondolatához. Az elektron egy megállapodás szerint negatív töltést hordoz, amelynek nagysága 1,60 × 10-19 coulombs, vagy C. Mivel az elektronok áramlása határozza meg az áramot, az áramkörben a negatív termináltól távol eső áramlás és a pozitív terminál irányában töltődik fel.
A fizika "egységnyi töltése" pozitívként standardizált és ugyanolyan nagyságú, mint a töltéseegy elektronon. A pozitív terminál közelében elhelyezett pozitív töltés "taszítást" tapasztal, és "akar" távolodni a termináltól, annál erősebben, amikor a távolság nullára záródik. Ebben az állapotban a töltés nagyobb elektromos potenciállal rendelkezik, mint valamilyen távolabbi távolságra.
Így a "töltés" (feltételezve "pozitív", hacsak másként nem jelezzük) áramlik a magasabb feszültségű területekről az alacsonyabb feszültségű területekre. Ez a fizikában említett potenciálkülönbség vagy feszültség, amelynek nagysága részben meghatározza az áram áramlását egy áramkörben. Az elektromos áram váltakozó áramú ("jittery", fázisos áramlás) és egyenáram (egyenletes áramlás) formában jön létre; ez utóbbi az elektromos hálózatokban alkalmazott modern szabvány.
- Az áramáramot egy úgynevezett eszköz segítségével mérikárammérő. Ugyanaz az eszköz általában használható a-kéntvoltmérőa potenciális különbség mérésére.
Ohm törvénye
Az előző szakaszt nagyrészt összefoglalhatja egy Ohm-törvénynek nevezett egyszerű matematikai törvény:
I = \ frac {V} {R}
holénaktuálisamperes(C / s), V feszültség vagy potenciálkülönbség, involt(joule per C, vagy J / C; jegyezzük fel a nevezőben az energia kifejezést) ésRaz ellenállásohm (Ω).
Soros áramkörben az egyén ellenállásaellenállásokösszeadjuk az áramkör egészének ellenállásának kiszámításához. Párhuzamos áramkörökben, amelyekről hamarosan olvasni fog, a szabály a következő:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
holR1, R2és így tovább anellenállások a párhuzamos áramkörben.
Az áramkör meghatározása
Az áramkör egy zárt hurok, amelyen keresztül a vezetési feszültség eredményeként elektromos töltés áramlik. Az áram az áramlási sebesség, amelyet az áramkör adott pontján áthaladó töltés mennyiségeként mérünk egységnyi idő alatt.
Néha hasznos, ha a vezetékes áramban lévő áramot a csöveken átfolyó vízhez hasonlónak gondoljuk. A víz nagy potenciállal rendelkező régiókból alacsonyabb potenciállal rendelkező régiókba áramlik. Valamely forrásnak energiát kell használnia a víz felemeléséhez, hogy az lefelé folyjon. A víz folyamatos áramlásához, ha a víz eléri az alját, vissza kell emelni a tetejére.Ez a víz visszavezetése a tetejére lényegében az, amit az akkumulátor vagy az áramforrás egy elektromos áramkörben végez.
Egy áramkör célja, hogy ezzel a töltésárammal valami hasznosat tegyen. Minden áramkör tartalmaz valamilyen rezisztív elemet, amely lelassítja a töltés áramlását, ahogy a gát is lassítja a víz áramlását a tározóból. Ha például egy villanykörtét adunk egy áramkörhöz, az lassítja a töltés áramlását és a kapcsolódó energiát fénnyé alakítja.
Áramköri ábrák és áramköri elemek
Gyakran hasznos az áramkör diagramjának vázlata, ha valamilyen kombinációt kapV, énésRés kért megoldást az ismeretlen mennyiségre. Ehhez szimbólumkészlettel egyszerűsítse a vázlatot.
•••Dana Chen | Tudományosság
Ezeket a szimbólumokat ezután egyenes vonalakkal kapcsolják össze egy kapcsolási rajz létrehozásához.
•••Dana Chen | Tudományosság
Áramkörök típusai
Asoros áramkörelemei vannak sorba kötve, vagy egymás után, a vezeték elágazása nélkül. Az összes sorba kapcsolt elemen átfolyó áram azonos, függetlenül attól, hogy hány ellenállással találkozunk útközben.
Apárhuzamos áramkörpárhuzamosan összekapcsolt elemei vannak - vagyis az áramköri ágak egy pontja, a vezetékek két különböző elemre mennek, majd az ágak újra csatlakoznak.A párhuzamosan csatlakoztatott elemek feszültsége megegyezik.
Annyitott áramkörolyan, amelyben áram nem folyhat, mert a hurok valamikor megszakad. Azárt áramkörolyan, amelyben a teljes hurok kialakul, és áram áramolhat. Nyilvánvaló, hogy ez utóbbi érdekesebben tanulmányozható.
Arövidzárlatolyan, amelyben az ellenálló elemeket megkerülik, és az áramlás nagyon nagy. Ezek általában nem kívánatosak, és a megszakítóknak nevezett eszközöket az áramkörökbe telepítik, hogy "megszakítsák" (kinyissák) áramkör és az áram áramlásának leállítása az áramkör és az elektromos készülékek károsodásának, valamint az ellen való védelem érdekében tüzek.
Példák elektromos áramkörre
1. Egy soros áramkör tartalmaz egy 9 V-os áramforrást (ebben az esetben egy akkumulátort) és négy ellenállást, 1,5, 4,5, 2 és 1 Ω ellenállási értékekkel. Mi a jelenlegi áramlás?
Először számítsa ki a teljes ellenállást. Felidézve az előző szakaszban megadott szabályt, ez egyszerűen 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Így az áramlás az
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ szöveg {A}
2. Most képzelje el ugyanazt a feszültséget és négy ellenállást, de úgy, hogy az 1,5 Ω és a 4,5 Ω ellenállások párhuzamosan legyenek elhelyezve, és a többiek ugyanúgy legyenek elrendezve, mint korábban. Mi a jelenlegi áramlás?
Ezúttal számítsa ki az ellenállást az áramkör párhuzamos részében. Ezt az 1 /R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Ne felejtse el megkapni ennek a számnak a kölcsönös számátR!Ezt 1 / 0,89 = 1,13 Ω adja meg.
Az áramkör ezen részét egyetlen ellenállóként kezelheti, 0,89 Ω ellenállással, és az egész probléma megoldódik, mint egy soros áramkör esetén: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Ez lehetővé teszi, hogy még egyszer megoldja az áramot:V / Rtot= 9 V / 4,13 Ω =2,18 A.
3. Végül, az előző példa felépítésére építve kombinálja a 2 Ω és 1 Ω ellenállásokat párhuzamos áramkörben, így két párhuzamos áramkör halmazát kapja, amelyek maguk is sorba vannak rendezve. Mi a jelenlegi áramlás?
Oldja meg az új párhuzamos áramkör ellenállását: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. A teljes ellenállás így 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Az újra megújult áramkör árama tehát 9 V / 1,79 Ω =5,03 A.
Ezek a példák szemléltetik, hogy az ellenállás párhuzamos ellenállásokon történő elosztása növeli az áram áramát az összellenállás csökkentésével, mivel a feszültség nem változik.