המעגלים החשמליים המשמשים אלקטרוניקה ומכשירים יומיומיים עשויים להיראות מבלבלים. אך הבנת העקרונות הבסיסיים של חשמל ומגנטיות הגורמים להם לעבוד יכולה לאפשר לך להבין כיצד מעגלים שונים זה מזה.
מקביל לעומת מעגלי סדרה
כדי להתחיל להסביר את ההבדל בין חיבורי סדרה ומקבילה במעגלים, ראשית עליך להבין כיצד מעגלים מקבילים וסדרות נבדלים זה מזה.מעגלים מקביליםהשתמש בענפים שיש בהם אלמנטים מעגלים שונים, בין אם הם נגדים, משרנים, קבלים או אלמנטים חשמליים אחרים, ביניהם.
מעגלי סדרהלעומת זאת, סדר את כל האלמנטים שלהם בלולאה אחת וסגורה. זה אומר שנוֹכְחִי, זרימת המטען במעגל, ומתח, הכוח האלקטרו-מניע שגורם לזרם זרם, מדידות בין מעגלים מקבילים לסדרות שונות גם כן.
מעגלים מקבילים משמשים בדרך כלל בתרחישים שבהם מספר מכשירים תלויים במקור כוח יחיד. זה מבטיח שהם יכולים להתנהג באופן עצמאי זה לזה, אם אם אחד היה מפסיק לעבוד, האחרים ימשיכו לעבוד. נורות המשתמשות בנורות רבות יכולות להשתמש בכל נורה במקביל זו לזו, כך שכל אחת מהן יכולה להאיר עצמאית זו מזו. שקעי חשמל במשקי בית משתמשים בדרך כלל במעגל יחיד לטיפול במכשירים שונים.
למרות שמעגלים מקבילים וסדרות שונים זה מזה, ניתן להשתמש באותם עקרונות חשמל לבחינת הזרם, המתח והמתח שלהם
עבור דוגמאות של מעגלים מקבילים וסדרות, תוכל לעקוב אחריהםשני הכללים של קירכהוף. הראשון הוא, שגם בסדרה וגם במעגל מקביל, אתה יכול להגדיר את סכום טיפות המתח על פני כל האלמנטים בלולאה סגורה השווה לאפס. הכלל השני הוא שאתה יכול גם לקחת כל צומת או נקודה במעגל ולהגדיר את סכומי הזרם הנכנס לאותה נקודה שווים לסכום הזרם שעוזב אותה נקודה.
שיטות סדרה ומעגלים מקבילים
במעגלים סדרתיים, הזרם קבוע לאורך הלולאה, כך שתוכל למדוד את זרם הרכיב היחיד במעגל סדרתי כדי לקבוע את הזרם של כל רכיבי המעגל. במעגלים מקבילים, ירידות המתח על פני כל ענף קבועות.
בשני המקרים אתה משתמשחוק אוהם V = IRלמתחו(בוולט), זרםאני(במגברים או אמפר) והתנגדותר(באום) לכל רכיב או לכל המעגל עצמו. אם ידעת, למשל, את הזרם במעגל סדרתי, תוכל לחשב את המתח על ידי סיכום ההתנגדויות והכפלת הזרם בהתנגדות הכוללת.
סיכום התנגדויותמשתנה בין דוגמאות למעגל מקבילי. אם יש לך מעגל סדרתי עם נגדים שונים, אתה יכול לסכם את ההתנגדויות על ידי הוספת כל ערך נגד כדי לקבל אתהתנגדות מוחלטת, הניתן על ידי המשוואה
R_ {total} = R_1 + R_2 + R_3 + ...
לכל נגד.
במעגלים מקבילים, ההתנגדות בכל ענף מסתכמת בהפוך מההתנגדות הכוללתעל ידי הוספת ההפכים שלהם. במילים אחרות, ההתנגדות למעגל מקביל ניתנת על ידי
\ frac {1} {R_ {total}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} + \ frac {1} {R_3} + ...
עבור כל נגן במקביל לייצג את ההבדל בין סדרה לשילוב נגדים מקביל.
הסבר למעגלים סדרתיים ומקבילים
הבדלים אלה בסיכום ההתנגדות תלויים בתכונות הפנימיות של ההתנגדות. ההתנגדות מייצגת את ההתנגדות של אלמנט המעגל לזרימת המטען. אם המטען היה זורם בלולאה סגורה של מעגל סדרתי, יש רק כיוון אחד לזרימת זרם, וזרימה זו אינה מפוצלת או מסוכמת על ידי שינויים בנתיבים לזרם הזרם.
משמעות הדבר היא כי על פני כל הנגד, זרימת המטען נשארת קבועה והמתח, כמה פוטנציאל של המטען זמין בכל נקודה, שונה מכיוון שכל נגיד מוסיף יותר ויותר התנגדות לנתיב זה של נוֹכְחִי.
מצד שני, אם לזרם ממקור מתח כמו סוללה היו מספר מסלולים לקחת, הוא היה מתפצל כפי שקורה במעגל מקביל. אך, כאמור בעבר, כמות הזרם הנכנסת לנקודה נתונה חייבת להיות שווה לכמות הזרם שעוזב.
בהתאם לכלל זה, אם הזרם היה מסתעף בנתיבים שונים מנקודה קבועה, הוא צריך להיות שווה לזרם שנכנס מחדש לנקודה אחת בסוף כל ענף. אם ההתנגדות בכל ענף נבדלת, ההתנגדות לכל כמות זרם שונה, וזה יוביל להבדלים בירידות המתח על פני ענפי המעגל המקביל.
לבסוף, בחלק מהמעגלים יש אלמנטים שהם במקביל וגם בסדרה. בעת ניתוח אלההיברידיות מקבילות סדרותעליכם להתייחס למעגל כאל סדרה או במקביל, תלוי באופן חיבורם. זה מאפשר לך לצייר מחדש את המעגל הכולל באמצעות מעגלים מקבילים, אחד הרכיבים בסדרה והשני של אותם במקביל. ואז השתמש בכללים של קירכהוף הן בסדרה והן במעגל המקביל.
באמצעות הכללים של קירכהוף ואופי המעגלים החשמליים, תוכלו להמציא שיטה כללית להתקרב לכל המעגלים ללא קשר לשאלה אם הם בסדרה או במקביל. ראשית, תייג כל נקודה בתרשים המעגלים באותיות A, B, C,... כדי להקל על המצב לציון כל נקודה.
אתר את הצמתים, שבהם התחברו שלושה חוטים או יותר, ותייג אותם באמצעות הזרמים הזורמים פנימה והחוצה מהם. קבעו את הלולאות במעגלים וכתבו משוואות המתארות כיצד המתחים מסתכמים באפס בכל לולאה סגורה.
מעגלי AC
דוגמאות למעגלים מקבילים וסדרות שונות גם באלמנטים חשמליים אחרים. בנוסף לזרם, מתח והתנגדות, ישנם קבלים, משרנים ואלמנטים אחרים המשתנים תלוי אם הם במקביל או בסדרה. ההבדלים בין סוגי המעגלים תלויים גם אם מקור המתח משתמש בזרם ישר (DC) או זרם חילופין (AC).
מעגלי DC מאפשרים לזרם לזרום בכיוון יחיד ואילו מעגלי AC מתחלפים זרם בין כיוון קדימה לאחור במרווחי זמן קבועים ומופיעים בצורת גל סינוס. הדוגמאות עד כה היו מעגלי DC, אך סעיף זה מתמקד במתגי AC.
במעגלי זרם חילופין מדענים ומהנדסים מתייחסים להתנגדות המשתנה כ-עַכָּבָּה, וזה יכול להסבירקבלים, אלמנטים מעגל המאחסנים מטען לאורך זמן, ומשרנים, אלמנטים מעגליים המייצרים שדה מגנטי בתגובה לזרם במעגל. במעגלי זרם חילופין עכבה משתנה לאורך זמן על פי קלט הכוח AC ואילו ההתנגדות הכוללת היא סך כל אלמנטים הנגדים, שנשאר קבוע לאורך זמן. זה הופך את ההתנגדות והעכבה לכמויות שונות.
מעגלי זרם חילופין מתארים גם אם כיוון הזרם נמצא בשלב בין אלמנטים במעגל. אם שני אלמנטים הםבשלבואז גל הזרמים של האלמנטים מסונכרנים זה עם זה. צורות גל אלה מאפשרות לך לחשבאֹרֶך גַלהמרחק של מחזור גל מלא,תדירות, מספר הגלים העוברים על נקודה נתונה בכל שנייה, ואמפליטודה, גובה הגל, למעגלי זרם חילופין.
מאפייני מעגלי AC
אתה מודד את העכבה של מעגל זרם חילופין באמצעות
Z = \ sqrt {R ^ 2 + (X_L-X_C) ^ 2}
בשביל העכבת קבלים איקסגועכבת משרן איקסל מכיוון שהעכבות, המטופלות כמו התנגדויות, מסוכמות באופן ליניארי כפי שקורה במעגלי DC.
הסיבה שבגללה אתה משתמש בהבדל בין העכבות של המשרן והקבל במקום הסכום שלה היא בגלל שאלו שני אלמנטים מעגליים משתנים בכמות הזרם והמתח שיש להם לאורך זמן עקב תנודות המתח AC מָקוֹר.
המעגלים האלה הםמעגלי RLCאם הם מכילים נגד (R), משרן (L) וקבל (C). מעגלי RLC מקבילים מסכמים את ההתנגדות כ-
\ frac {1} {Z} = \ sqrt {\ frac {1} {R ^ 2} + (\ frac {1} {X_L} - \ frac {1} {X_C}) ^ 2}
באותו אופן מסוכמים נגדים במקביל באמצעות ההפכים שלהם, וערך זה1 / Zידוע גם בשםקבלהשל מעגל.
בשני המקרים ניתן למדוד את העכבות כ-איקסג = 1 / ωCואיקסל = ωLלתדר זוויתי "אומגה" ω, קיבולג(בפרדות) והשראותל(בהנריס).
קיבוליותגיכול להיות קשור למתח כמוC = Q / VאוֹV = Q / C.לטעינה על קבליםש(בקולומבים) ומתח הקבלו(בוולט). השראות מתייחסים למתח כV = LdI / dtלשינוי הנוכחי לאורך זמןdI / dt, מתח משרןווהשראותל. השתמש במשוואות אלה כדי לפתור זרם, מתח ותכונות אחרות של מעגלי RLC.
דוגמאות למעגלים מקבילים וסדרות
למרות שניתן לסכם את המתחים סביב לולאה סגורה כשווה לאפס במעגל מקביל, סיכום הזרמים מורכב יותר. במקום לקבוע את סכום הערכים הנוכחיים עצמם הנכנסים לצומת השווה לסכום הערכים הנוכחיים העוזבים את הצומת, עליך להשתמש בריבועים של כל זרם.
עבור מעגל RLC במקביל, הזרם על פני הקבל והמשרן כ
I_S = I_R + (I_L-I_C) ^ 2
עבור זרם האספקהאניס, זרם נגדאניר, זרם משרןאנילזרם קבליםאניג תוך שימוש באותם עקרונות לסיכום ערכי העכבה.
במעגלי RLC, אתה יכול לחשב את זווית הפאזה, עד כמה אלמנט מעגל אחד מחוץ לשלב זה מהשני, באמצעות המשוואה לזווית פאזה "phi"Φכפי שΦ = שזוף-1((איקסל -איקסג) / R)בולְהִשְׁתַזֵף-1 ()מייצג את פונקציית המשיק ההפוכה שלוקחת פרופורציה כקלט ומחזירה את הזווית המתאימה.
במעגלים סדרתיים, קבלים מסוכמים באמצעות ההפכים שלהם כ-
\ frac {1} {C_ {total}} = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1} {C_3} + ...
ואילו המשרנים מסוכמים באופן ליניארי כ-
L_ {total} = L_1 + L_2 + L_3 + ...
לכל משרן. במקביל, החישובים הפוכים. עבור מעגל מקביל, הקבלים מסוכמים באופן ליניארי
C_ {total} = C_1 + C_2 + C_3 + ...
ומשרנים מסוכמים באמצעות ההפכים שלהם
\ frac {1} {L_ {total}} = \ frac {1} {L_1} + \ frac {1} {L_2} + \ frac {1} {L_3} + ...
לכל משרן.
קבלים עובדים על ידי מדידת ההבדל במטען בין שתי לוחות המופרדים על ידי חומר דיאלקטרי ביניהם אשר מקטין את המתח תוך הגדלת הקיבול. מדענים ומהנדסים מודדים גם את הקיבולגכפי שC = ε0εרמוֹדָעָהעם "אפסילון אפס" ε0 כערך המתירויות לאוויר שהוא 8.84 x 10-12 F / m.εרהוא היתירות של המדיום הדיאלקטרי המשמש בין שתי הלוחות של הקבל. המשוואה תלויה גם באזור הלוחותאב מ2 והמרחק בין הלוחותדב מ.