Jūsų namuose esančią elektros laidą, saugančią nešiojamąjį kompiuterį, telefono įkroviklį ir mažesnius įrankius, pvz., Šaldytuvus ir virykles, sudaro keletas sujungtų elektros grandinių. Jie yra prijungti prie bet kurio energijos šaltinio, kuris tiekia elektrą jūsų namams.
Grandinių tikslas yra gauti elektrą ir jos didelį energijos potencialą tiksliai ten, kur reikia, ir sustabdyti galimą žalingą elektros poveikį šiame procese.
Kas vyksta visų tų laidų viduje, kurių patys dažniausiai nematote? Norėdami pradėti nuo pagrindų, laisvi elektronai judės esant elektriniam laukui dėl fizinių priežasčių, kurios bus aprašytos vėliau. Jei jiems suteiktas uždaro ciklo kelias, kuriuo tekėti, galima sukurti elektros grandinę.
Paprastą grandinę sudaro tik įtampos šaltinis (elektrinio potencialo skirtumas); terpė, per kurią gali tekėti elektronai, dažniausiai viela; ir tam tikras elektrinės varžos šaltinis grandinėje. Daugelis realių pavyzdžių yra daug sudėtingesni, tačiau egzistuoja kelių tipų elektros grandinės, kurios visos yra gyvybiškai svarbios efektyviam elektros energijos srautui.
Elektrinis įkrovimas ir srovė
Pagrindiniai konceptualūs elementai elektros pasaulyje yra srovė, įtampa ir varža. Prieš tyrinėjant šiuos dalykus, būtina šiek tiek giliau pažvelgti į laisvųjų elektronų idėją. Elektronas pagal susitarimą turi neigiamą krūvį, kurio dydis yra 1,60 × 10-19 kulonkos arba C. Kadangi būtent elektronų srautas lemia srovę, grandinės krūviai teka toliau nuo neigiamo gnybto ir teigiamo gnybto kryptimi.
„Vieneto įkrova“ fizikoje yra standartizuota kaip teigiama ir turi tą patį dydį kaip ir krūviseelektrone. Teigiamas krūvis, pastatytas šalia teigiamo terminalo, patirs „atstūmimą“ ir „norą“ nutolti nuo terminalo, tuo labiau, kad atstumas sumažės iki nulio. Esant tokiai būsenai, krūvis turi didesnį elektrinį potencialą nei tam tikru atstumu.
Taigi „krūvis“ (teigiamas „teigiamas“, jei nenurodyta kitaip) teka iš aukštesnės įtampos sričių į mažesnės įtampos sritis. Tai yra fizikoje nurodytas potencialų skirtumas arba įtampa, o jo dydis iš dalies lemia srovės srautą grandinėje. Elektros srovė yra kintamosios srovės („nervingo“, fazinio srauto) ir nuolatinės srovės (vienodo srauto) formos; pastarasis yra šiuolaikinis elektros energijos tinkluose naudojamas standartas.
- Srovės srautas matuojamas naudojant prietaisą, vadinamą anampermetras. Tas pats prietaisas paprastai gali būti naudojamas kaipvoltmetrasįvertinti potencialų skirtumą.
Ohmo įstatymas
Ankstesnį skyrių galima apibendrinti paprastu matematiniu dėsniu, vadinamu Ohmo dėsniu:
I = \ frac {V} {R}
kurAšyra dabartinisamperų(C / s), V yra įtampa arba potencialų skirtumas, involtai(džauliai per C arba J / C; energijos vardą atkreipkite į vardiklį) irRyra pasipriešinimasomai (Ω).
Nuoseklioje grandinėje individo varžosrezistoriaisudedami, kad būtų galima apskaičiuoti visos grandinės varžą. Lygiagrečiose grandinėse, apie kurias netrukus perskaitysite, galioja tokia taisyklė:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
kurR1, R2ir taip toliau yra atskiros vertybėsnrezistoriai lygiagrečioje grandinėje.
Grandinės apibrėžimas
Kontūras yra uždara kilpa, per kurią dėl varomosios įtampos teka elektros krūvis. Srovė yra srauto greitis, matuojamas kaip krūvio kiekis, praeinantis tam tikrą grandinės tašką per laiko vienetą.
Kartais naudinga galvoti apie laidų grandinės srovę, analogišką vamzdžiams tekančiam vandeniui. Vanduo tekės iš didelio potencialo energijos regionų į mažesnio potencialo regionus. Kai kuriam šaltiniui reikėtų panaudoti energiją, kad vanduo pakiltų aukštyn, kad jis tekėtų žemyn. Kad vanduo tekėtų nepertraukiamai, vandeniui pasiekus dugną, jį reikia pakelti atgal į viršų.Šis vandens pakėlimo atgal į viršų veiksmas iš esmės yra tai, ką baterija ar maitinimo šaltinis veikia elektros grandinėje.
Grandinės tikslas yra padaryti kažką naudingo naudojant šį įkrovos srautą. Visose grandinėse yra tam tikras varžos elementas, kuris lėtina įkrovos srautą, taip pat kaip užtvanka lėtina vandens srautą iš rezervuaro. Pavyzdžiui, jei prie grandinės pridedama elektros lemputė, ji sulėtina įkrovos srautą ir paverčia susijusią energiją šviesa.
Grandinių schemos ir grandinių elementai
Dažnai naudinga nubrėžti grandinės schemą, jei jums pateikiamas koks nors jų derinysV, aširRir paprašė išspręsti nežinomą kiekį. Norėdami tai padaryti, naudokite simbolių rinkinį, kad supaprastintumėte eskizą.
•••Dana Chen | Mokslo
Tada šie simboliai sujungiami tiesiomis linijomis, kad būtų sukurta grandinės schema.
•••Dana Chen | Mokslo
Grandinių tipai
Aserijinė grandinėturi elementus, sujungtus nuosekliai, arba vienas po kito be laido išsišakojimo. Srovė, tekanti per visus nuosekliai sujungtus elementus, yra vienoda, nesvarbu, kiek rezistorių kelyje susiduriama.
Alygiagreti grandinėturi lygiagrečiai sujungtus elementus - tai yra vienas grandinės šakų taškas, laidais einant į du skirtingus elementus, o tada šakos vėl prisijungia.Kiekvieno lygiagrečiai sujungto elemento įtampa yra vienoda.
Anatvira grandinėyra tokia, kurioje srovė negali tekėti, nes tam tikru momentu linija yra nutrūkusi. Auždara grandinėyra tas, kuriame susidaro visa kilpa ir gali tekėti srovė. Akivaizdu, kad pastarąjį yra įdomiau studijuoti.
Atrumpas sujungimasyra tas, kuriame apeinami varžiniai elementai, o srovės srautas yra labai didelis. Paprastai tai yra nepageidautina, o prietaisai, vadinami automatiniais jungikliais, yra sumontuoti grandinėse, kad "pertrauktų" (atidarytų) grandinės ir sustabdyti srovės srautą, kad apsaugotumėte nuo grandinės ir elektros prietaisų pažeidimų ir apsaugotumėte nuo gaisrai.
Elektrinių grandinių pavyzdžiai
1. Nuoseklioje grandinėje yra 9 V maitinimo šaltinis (šiuo atveju akumuliatorius) ir keturi rezistoriai, kurių varžos vertės yra 1,5, 4,5, 2 ir 1 Ω. Koks yra dabartinis srautas?
Pirmiausia apskaičiuokite bendrą pasipriešinimą. Prisimenant ankstesniame skyriuje pateiktą taisyklę, tai tiesiog 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Taigi srovės srautas yra
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ tekstas {A}
2. Dabar įsivaizduokite tą pačią įtampą ir keturis rezistorius, bet lygiagrečiai išdėstydami 1,5 Ω ir 4,5 Ω rezistorius, o kiti išdėstyti taip pat, kaip ir anksčiau. Koks yra dabartinis srautas?
Šį kartą apskaičiuokite varžą lygiagrečioje grandinės dalyje. Tai suteikia 1 /R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Nepamirškite gauti abipusio šio skaičiaus, kad gautumėteR!Tai suteikia 1 / 0,89 = 1,13 Ω.
Dabar galite traktuoti šią grandinės dalį kaip vieną varžinį elementą, kurio varža yra 0,89 Ω, ir visa problema išspręsta kaip su nuosekliąja grandine: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Tai leidžia dar kartą išspręsti dabartinę problemą:V / Rtot= 9 V / 4,13 Ω =2.18 A.
3. Galiausiai, remdamiesi ankstesnio pavyzdžio sąranga, 2-Ω ir 1-Ω rezistorius sujunkite lygiagrečioje grandinėje, gaunant du lygiagrečių grandinių rinkinius, kurie patys yra išdėstyti nuosekliai. Koks dabar yra srautas?
Išspręskite naujos lygiagrečios grandinės varžą: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Taigi bendras varža yra 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Taigi srovė vėl atnaujintoje grandinėje yra 9 V / 1,79 Ω =5,03 A.
Šie pavyzdžiai rodo, kad pasipriešinimo pasiskirstymas lygiagrečiuose rezistoriuose padidina tekančios srovės kiekį mažindamas bendrą pasipriešinimą, nes įtampa nesikeičia.