Il cablaggio elettrico della tua casa che mantiene il tuo laptop, caricatore del telefono e strumenti minori come frigoriferi e stufe che ronzano è costituito da una serie di circuiti elettrici interconnessi. Questi sono collegati a qualsiasi fonte di alimentazione fornisca elettricità alla tua casa.
Lo scopo dei circuiti è di portare l'elettricità e il suo considerevole potenziale energetico esattamente dove deve andare, e di contenere gli effetti potenzialmente dannosi dell'elettricità nel processo.
Cosa sta succedendo all'interno di tutti quei fili, che sono per lo più fuori dalla tua vista? Per cominciare dalle basi, gli elettroni liberi si muoveranno in presenza di un campo elettrico, per ragioni fisiche che verranno descritte in seguito. Se viene loro fornito un percorso ad anello chiuso in cui fluire, è possibile creare un circuito elettrico.
Un circuito semplice è costituito solo da una sorgente di tensione (differenza di potenziale elettrico); un mezzo attraverso il quale possono fluire gli elettroni, solitamente un filo; e qualche fonte di resistenza elettrica nel circuito. La maggior parte degli esempi del mondo reale, tuttavia, è molto più complessa ed esistono diversi tipi di circuiti elettrici, tutti vitali per il flusso efficiente di elettricità.
Carica elettrica e corrente
Gli elementi concettuali di base nel mondo dell'elettricità sono corrente, tensione e resistenza. Prima di esplorarli, è necessario guardare un po' più a fondo, tornando all'idea degli elettroni liberi. Un elettrone per convenzione porta una carica negativa con una grandezza di 1,60 × 10-19 coulomb o C. Poiché è il flusso di elettroni che determina la corrente, le cariche in un circuito fluiscono lontano dal terminale negativo e nella direzione del terminale positivo.
La "carica unitaria" in fisica è standardizzata come positiva e ha la stessa grandezza della caricaesu un elettrone. Una carica positiva posta vicino a un terminale positivo sperimenterà "repulsione" e "voler" allontanarsi dal terminale, tanto più fortemente quanto più la distanza si avvicina allo zero. In questo stato, la carica ha un potenziale elettrico più elevato di quanto non abbia a una certa distanza più lontana.
Quindi una "carica" ("positiva" essendo implicita se non diversamente indicato) fluisce da aree di tensione più alta a zone di tensione più bassa. Questa è la differenza di potenziale o tensione a cui si fa riferimento in fisica e la sua grandezza determina in parte il flusso di corrente in un circuito. La corrente elettrica si presenta sotto forma di corrente alternata (un flusso "nervoso", fasico) e di corrente continua (flusso uniforme); quest'ultimo è il moderno standard in uso nelle reti elettriche.
- Il flusso di corrente viene misurato utilizzando un dispositivo chiamato anamperometro. Lo stesso dispositivo può essere solitamente utilizzato come avoltmetroper misurare la differenza di potenziale.
Legge di Ohm
La sezione precedente può essere ampiamente riassunta da una semplice legge matematica chiamata legge di Ohm:
I=\frac{V}{R}
doveioè corrente inampere(C/s), V è la tensione, o differenza di potenziale, involt(joule per C, o J/C; annotare il termine di energia al denominatore) eRè la resistenza inohm (Ω).
In un circuito in serie, le resistenze dei singoliresistorivengono sommati per calcolare la resistenza del circuito nel suo complesso. Nei circuiti paralleli, di cui leggerai presto, la regola è:
\frac{1}{R_{tot}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+...+\frac{1}{R_n}
doveR1, R2e così via sono i singoli valori dinresistori nel circuito parallelo.
Definizione di un circuito
Un circuito è un circuito chiuso attraverso il quale scorre una carica elettrica a causa di una tensione di pilotaggio. La corrente è la velocità di flusso, misurata come la quantità di carica che passa in un dato punto nel circuito per unità di tempo.
A volte è utile pensare alla corrente in un circuito a filo come analoga all'acqua che scorre attraverso i tubi. L'acqua scorrerà da regioni ad alta energia potenziale a regioni a bassa energia potenziale. Alcune fonti dovrebbero quindi utilizzare l'energia per sollevare l'acqua in modo che scorra verso il basso. Per avere un flusso d'acqua continuo, una volta che l'acqua raggiunge il fondo, deve essere sollevata verso l'alto.Questa azione di sollevare l'acqua verso l'alto è essenzialmente ciò che fa una batteria o una fonte di alimentazione in un circuito elettrico.
L'obiettivo di un circuito è fare qualcosa di utile con questo flusso di carica. Tutti i circuiti includono una sorta di elemento resistivo che rallenta il flusso di carica, proprio come una diga rallenta il flusso d'acqua da un serbatoio. Se una lampadina viene aggiunta a un circuito, ad esempio, rallenta il flusso di carica e trasforma l'energia associata in luce.
Schemi circuitali ed elementi circuitali
Spesso è utile disegnare un diagramma di un circuito se ti viene data una combinazione di combinationV, ioeRe ha chiesto di risolvere per l'incognita. Per fare ciò, usa una serie di simboli per semplificare lo schizzo.
•••Dana Chen | scienze
Questi simboli vengono quindi collegati con linee rette per creare uno schema elettrico.
•••Dana Chen | scienze
Tipi di circuiti
UNcircuiti in serieha elementi collegati in serie, o uno dopo l'altro senza la diramazione del filo. La corrente che scorre attraverso tutti gli elementi collegati in serie è la stessa, indipendentemente dal numero di resistori incontrati lungo il percorso.
UNcircuito paralleloha elementi collegati in parallelo, ovvero un punto nei rami del circuito, con fili che vanno a due elementi diversi, e quindi i rami si ricongiungono di nuovo.La tensione ai capi di ciascun elemento collegato in parallelo è la stessa.
Uncircuito apertoè uno in cui nessuna corrente può fluire perché il ciclo è interrotto ad un certo punto. UNcircuito chiusoè quella in cui si forma il ciclo completo e la corrente può fluire. Chiaramente, quest'ultimo tende ad essere più interessante da studiare.
UNcorto circuitoè quella in cui gli elementi resistivi sono bypassati e il flusso di corrente è molto elevato. Questi sono generalmente indesiderabili e i dispositivi chiamati interruttori automatici sono installati nei circuiti per "interrompere" (aprire) il circuito e arrestare il flusso di corrente per proteggere da danni al circuito e agli apparecchi elettrici e per proteggere da incendi.
Esempi di circuiti elettrici
1. Un circuito in serie include una fonte di alimentazione da 9 V (una batteria, in questo caso) e quattro resistori con valori di resistenza di 1,5, 4,5, 2 e 1. Qual è il flusso di corrente?
Innanzitutto, calcola la resistenza totale. Richiamando la regola data in una sezione precedente, questo è semplicemente 1.5 + 4.5 + 2 + 1 = 9 Ω. Quindi il flusso di corrente è
I=\frac{V}{R_{tot}}=\frac{9}{9}=1\text{ A}
2. Ora immagina la stessa tensione e quattro resistori, ma con i resistori da 1,5 e 4,5 posti in parallelo e gli altri disposti come prima. Qual è il flusso di corrente?
Questa volta, calcola la resistenza nella parte parallela del circuito. Questo è dato da 1/R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Non dimenticare di prendere il reciproco di questo numero per ottenereR!Questo è dato da 1/0,89 = 1,13 .
Ora puoi trattare questa porzione del circuito come un singolo elemento resistivo con una resistenza di 0,89 Ω e l'intero problema viene risolto come con un circuito in serie: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Questo ti permette di risolvere ancora una volta per la corrente:V/Rtot= 9 V/4,13 =2,18 A.
3. Infine, basandosi sulla configurazione dell'esempio precedente, combinare i resistori 2-Ω e 1-Ω in un circuito parallelo, ottenendo due serie di circuiti paralleli che sono a loro volta disposti in serie. Qual è il flusso attuale ora?
Risolvi per la resistenza del nuovo circuito parallelo: 1/R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67. La resistenza totale è quindi 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. La corrente nel circuito rinnovato è quindi 9 V/1,79 =5,03 A.
Questi esempi illustrano che la distribuzione della resistenza tra resistori in parallelo aumenta la quantità di corrente che scorre abbassando la resistenza totale, poiché la tensione non cambia.