החיווט החשמלי בביתך המחזיק את המחשב הנייד, המטען לטלפון וכלים פחותים כמו מקררים וכיריים מזמזמים מורכב ממספר מעגלי חשמל מקושרים זה לזה. אלה מחוברים לכל מקור כוח שמספק חשמל לביתך.
מטרת המעגלים היא להשיג חשמל ואת פוטנציאל האנרגיה הניכר שלו בדיוק לאן שהוא צריך להגיע, ולהכיל את ההשפעות העלולות להזיק של חשמל בתהליך.
מה קורה בתוך כל אותם חוטים, שבעצמם הם מחוץ לטווח הראייה שלך? כדי להתחיל עם היסודות, אלקטרונים חופשיים ינועו בנוכחות שדה חשמלי, מסיבות פיזיות שיתוארו בהמשך. אם נותנים להם נתיב לולאה סגורה בה ניתן לזרום, ניתן ליצור מעגל חשמלי.
מעגל פשוט מורכב רק ממקור מתח (הפרש פוטנציאל חשמלי); מדיום דרכו יכולים לזרום אלקטרונים, בדרך כלל חוט; ומקור כלשהו להתנגדות חשמלית במעגל. אולם מרבית הדוגמאות בעולם האמיתי מורכבות, וקיימים סוגים רבים של מעגלים חשמליים שכולם חיוניים לזרימה יעילה של חשמל.
מטען חשמלי וזרם
האלמנטים הרעיוניים הבסיסיים בעולם החשמל הם זרם, מתח והתנגדות. לפני שתחקור את אלה, יש צורך להסתכל קצת יותר לעומק, בחזרה לרעיון של אלקטרונים חופשיים. אלקטרון על פי מוסכמות נושא מטען שלילי בעוצמה של 1.60 × 10
-19 coulombs, או C. מכיוון שזרימת האלקטרונים היא זו שקובעת את הזרם, המטענים במעגל זורמים מהמסוף השלילי ובכיוון המסוף החיובי."מטען היחידה" בפיזיקה מתוקנן כחיובי ובעל אותו גודל כמו המטעןהעל אלקטרון. מטען חיובי המוצב ליד טרמינל חיובי יחווה "דחייה" ו"ירצה "להתרחק מהטרמינל, על אחת כמה וכמה ככל שהמרחק נסגר לאפס. במצב זה, למטען יש פוטנציאל חשמלי גבוה יותר מזה שיש לו מרחק כלשהו רחוק יותר.
לפיכך "מטען" ("חיובי" משתמע אלא אם כן צוין אחרת) זורם מאזורים במתח גבוה יותר לאזורים במתח נמוך יותר. זהו ההבדל הפוטנציאלי או המתח המכונה בפיזיקה, וגודלו קובע בחלקו את זרימת הזרם במעגל. זרם חשמלי מגיע בזרם חילופין (זרם "עצבני", זרם ישר (זרם אחיד); האחרון הוא הסטנדרט המודרני לשימוש ברשתות חשמל.
- הזרימה הנוכחית נמדדת באמצעות מכשיר הנקראמַד זֶרֶם. אותו מכשיר יכול בדרך כלל לשמש כ-מד מתחלמדוד הבדל פוטנציאלי.
חוק אוהם
ניתן לסכם את החלק הקודם במידה רבה על ידי חוק מתמטי פשוט הנקרא חוק אוהם:
אני = \ frac {V} {R}
איפהאניהנוכחי באמפר(C / s), V הוא מתח, או הפרש פוטנציאלי, ב-וולט(ג'אול ל C, או J / C; שימו לב למונח האנרגיה במכנה) ורהאם ההתנגדות באוהם (Ω).
במעגל סדרתי, ההתנגדויות של הפרטנגדיםמתווספים יחד כדי לחשב את התנגדות המעגל בכללותו. במעגלים מקבילים, עליהם תקראו בקרוב, הכלל הוא:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
איפהר1, ר2וכן הלאה הם הערכים האישיים שלננגדים במעגל המקביל.
הגדרת מעגל
מעגל הוא לולאה סגורה דרכה זורם מטען חשמלי כתוצאה ממתח נהיגה. זרם הוא קצב הזרימה, הנמדד ככמות המטען העוברת נקודה נתונה במעגל ליחידת זמן.
לפעמים מועיל לחשוב על זרם במעגל תיל כאל אנלוגי למים הזורמים דרך הצינורות. מים יזרמו מאזורים בעלי אנרגיה פוטנציאלית גבוהה לאזורים בעלי אנרגיה פוטנציאלית נמוכה יותר. מקור כלשהו יצטרך להשתמש באנרגיה כדי להעלות את המים כך שיזרמו במורד. על מנת לקבל זרימה רציפה של מים, ברגע שהמים מגיעים לקרקעית, יש להרים אותם חזרה למעלה.פעולה זו של הרמת המים חזרה למעלה היא בעצם מה שסוללה או מקור כוח עושים במעגל חשמלי.
מטרת המעגל היא לעשות משהו שימושי עם זרימת המטען הזו. כל המעגלים כוללים אלמנט התנגדות כלשהו שמאט את זרימת המטען, כמו שסכר מאט את זרימת המים ממאגר. אם מוסיפים נורה למעגל, למשל, היא מאטה את זרימת המטען והופכת את האנרגיה הנלווית לאור.
דיאגרמות מעגלים ואלמנטים מעגליים
לעתים קרובות כדאי לשרטט תרשים של מעגל אם מקבלים שילוב כלשהו שלV, Iורוביקש לפתור את הכמות הלא ידועה. לשם כך, השתמש במערכת סמלים כדי לפשט את השרטוט.
•••דנה חן | מדע
לאחר מכן מחברים סמלים אלה בקווים ישרים ליצירת תרשים מעגל.
•••דנה חן | מדע
סוגי מעגלים
אמעגל סדרתייש אלמנטים המחוברים בסדרה, או בזה אחר זה ללא הסתעפות החוט. הזרם הזורם בכל האלמנטים המחוברים בסדרה זהה, לא משנה כמה נגדים נתקלים בדרך.
אמעגל מקביליש אלמנטים המחוברים במקביל - כלומר נקודה אחת בענפי המעגל, עם חוטים שעוברים לשני אלמנטים שונים, ואז הענפים חוזרים שוב.המתח על פני כל אלמנט המחובר במקביל זהה.
Anמעגל פתוחהוא זרם בו לא יכול לזרום זרם מכיוון שהלולאה נשברת בשלב כלשהו. אמעגל סגורהוא אחד בו נוצר הלולאה השלמה והזרם יכול לזרום. ברור שהאחרון נוטה להיות מעניין יותר ללמוד.
אקצרהוא אחד בו עוקפים את האלמנטים ההתנגדותיים וזרימת הזרם גבוהה מאוד. אלה בדרך כלל לא רצויים, והתקנים הנקראים מפסקים מותקנים במעגלים כדי "לשבור" (לפתוח) את מעגל ועוצר זרימת זרם כדי להגן מפני נזק למעגל ולמכשירים חשמליים, ולהגן מפני שריפות.
דוגמאות למעגלים חשמליים
1. מעגל סדרתי כולל מקור חשמל של 9 וולט (סוללה, במקרה זה) וארבעה נגדים עם ערכי התנגדות של 1.5, 4.5, 2 ו- 1 Ω. מה הזרימה הנוכחית?
ראשית, חישב את ההתנגדות הכוללת. אם נזכיר את הכלל שניתן בסעיף הקודם, זה פשוט 1.5 + 4.5 + 2 + 1 = 9 Ω. כך הזרימה הנוכחית היא
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ טקסט {A}
2. כעת דמיין את אותו המתח וארבעה נגדים, אך כאשר הנגדים 1.5-Ω ו- 4.5-Ω ממוקמים במקביל והאחרים מסודרים כמו בעבר. מה הזרימה הנוכחית?
הפעם, חישבו את ההתנגדות בחלק המקביל של המעגל. זה ניתן על ידי 1 /ר = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. אל תשכח לקחת את הגומלין של מספר זה כדי לקבלר!זה ניתן על ידי 1 / 0.89 = 1.13 Ω.
כעת אתה יכול להתייחס לחלק זה של המעגל כאלמנט התנגדות יחיד עם התנגדות של 0.89 Ω, וכל הבעיה נפתרת כמו במעגל סדרתי: Rכּוֹסִית = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. זה מאפשר לך לפתור את הזרם פעם נוספת:V / Rכּוֹסִית= 9 V / 4.13 Ω =2.18 א.
3. לבסוף, על בסיס ההתקנה בדוגמה הקודמת, שלב את נגדי 2 Ω ו- 1 Ω במעגל מקביל, והניב שתי קבוצות של מעגלים מקבילים המסודרים בעצמם בסדרה. מה הזרם הנוכחי עכשיו?
לפתור את ההתנגדות של המעגל המקביל החדש: 1 /ר= 1/1 + 1/2 = 1.5; R = 2/3 = 0.67 Ω. ההתנגדות הכוללת היא אם כן 1.13 + 0.67 = 1.79 Ω. הזרם במעגל המחודש מחדש הוא אם כן 9 V / 1.79 Ω =5.03 א.
דוגמאות אלה ממחישות כי הפצת התנגדות על פני נגדים מקבילים מגדילה את כמות הזרם הזורמת על ידי הורדת ההתנגדות הכוללת, מכיוון שהמתח אינו משתנה.