Jūsu mājas elektroinstalācija, kas notur jūsu klēpjdatoru, tālruņa lādētāju un mazākus instrumentus, piemēram, ledusskapjus un krāsnis, sastāv no vairākām savstarpēji savienotām elektriskām ķēdēm. Tie ir savienoti ar jebkuru enerģijas avotu, kas piegādā elektrību jūsu mājām.
Ķēžu mērķis ir iegūt elektroenerģiju un tās ievērojamo enerģijas potenciālu tieši tur, kur tai jāiet, un procesā jāierobežo elektrības potenciāli kaitīgā ietekme.
Kas notiek visu šo vadu iekšpusē, kuri paši lielākoties ir ārpus jūsu redzesloka? Lai sāktu ar pamatiem, brīvie elektroni pārvietosies elektriskā lauka klātbūtnē fizisku iemeslu dēļ, kas tiks aprakstīti vēlāk. Ja viņiem tiek dots slēgta cikla ceļš, kurā plūst, var izveidot elektrisko ķēdi.
Vienkārša shēma sastāv tikai no sprieguma avota (elektriskā potenciāla starpība); vide, caur kuru var plūst elektroni, parasti vads; un kāds elektriskās pretestības avots ķēdē. Lielākā daļa reālās pasaules piemēru tomēr ir daudz sarežģītāki, un pastāv vairāki elektrisko ķēžu veidi, kas visi ir vitāli svarīgi efektīvai elektroenerģijas plūsmai.
Elektriskā uzlāde un strāva
Galvenie konceptuālie elementi elektrības pasaulē ir strāva, spriegums un pretestība. Pirms to izpētīšanas ir nepieciešams mazliet dziļāk ieskatīties, domājot par brīvo elektronu ideju. Elektrons pēc vienošanās nes negatīvu lādiņu ar lielumu 1,60 × 10-19 kulonas vai C. Tā kā strāvu nosaka elektronu plūsma, lādiņi ķēdē plūst prom no negatīvā spailes un pozitīvā spailes virzienā.
"Vienības lādiņš" fizikā ir standartizēts kā pozitīvs, un tam ir tāds pats lielums kā lādiņameuz elektrona. Pozitīvs lādiņš, kas novietots pozitīva termināļa tuvumā, piedzīvos "atgrūšanos" un "vēlēšanos" attālināties no termināla, vēl jo vairāk, kad attālums tuvojas nullei. Šajā stāvoklī lādiņam ir lielāks elektriskais potenciāls nekā zināmā attālumā tālāk.
Tādējādi "lādiņš" (tiek domāts par "pozitīvu", ja vien nav norādīts citādi) plūst no apgabaliem ar augstāku spriegumu uz apgabaliem ar zemāku spriegumu. Šī ir fizikā minētā potenciālo starpību vai spriegumu, un tās lielums daļēji nosaka strāvas plūsmu ķēdē. Elektriskā strāva nāk maiņstrāvas ("nervozējoša", fāzes plūsma) un līdzstrāvas (vienmērīgas plūsmas) formā; pēdējais ir mūsdienu standarts, ko izmanto elektrotīklos.
- Strāvas plūsmu mēra, izmantojot ierīci, ko sauc parampermetrs. To pašu ierīci parasti var izmantot kā avoltmetrslai izmērītu potenciālu starpību.
Ohma likums
Iepriekšējo sadaļu lielā mērā var apkopot ar vienkāršu matemātisku likumu, ko sauc par Ohma likumu:
I = \ frac {V} {R}
kurEsir pašreizējaisampēri(C / s), V ir spriegums vai potenciālu starpība, involti(džouli uz C vai J / C; atzīmējiet enerģijas apzīmētāju saucējā) unRir pretestībaomi (Ω).
Sērijveida ķēdē indivīda pretestībasrezistoritiek saskaitīti kopā, lai aprēķinātu ķēdes pretestību kopumā. Paralēlās ķēdēs, par kurām jūs drīz lasīsit, ir šāds noteikums:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
kurR1, R2un tā tālāk ir individuālās vērtībasnrezistori paralēlajā ķēdē.
Kontūras definīcija
Ķēde ir slēgta cilpa, caur kuru elektriskā lādiņa plūsma notiek sprieguma rezultātā. Strāva ir plūsmas ātrums, ko mēra kā lādiņa daudzumu, kas laika vienībā šķērso noteiktu ķēdes punktu.
Dažreiz ir lietderīgi domāt par strāvu vadu ķēdē kā par analogu ūdenim, kas plūst caur caurulēm. Ūdens plūdīs no reģioniem ar lielu potenciālu enerģiju uz reģioniem ar zemāku potenciālu enerģiju. Kādam avotam pēc tam vajadzēs izmantot enerģiju, lai ūdens paceltos augšup, lai tas tecētu lejup. Lai ūdens plūsma būtu nepārtraukta, tiklīdz ūdens sasniedz dibenu, tas atkal jāpaceļ augšā.Šī ūdens pacelšanas darbība atpakaļ augšā būtībā ir tas, ko akumulators vai strāvas avots dara elektriskajā ķēdē.
Ķēdes mērķis ir izdarīt kaut ko noderīgu ar šo lādiņa plūsmu. Visās ķēdēs ir sava veida pretestības elements, kas palēnina lādiņa plūsmu, tāpat kā aizsprosts palēnina ūdens plūsmu no rezervuāra. Ja, piemēram, ķēdei tiek pievienota spuldze, tā palēnina lādiņa plūsmu un pārveido saistīto enerģiju gaismā.
Kontūru shēmas un shēmas elementi
Bieži vien ir lietderīgi ieskicēt shēmas shēmu, ja jums tiek dota kāda kombinācijaV, esunRun lūdza atrisināt nezināmo daudzumu. Lai to izdarītu, izmantojiet simbolu kopu, lai vienkāršotu skici.
•••Dana Čena | Zinātniskā
Pēc tam šie simboli ir savienoti ar taisnām līnijām, lai izveidotu ķēdes shēmu.
•••Dana Čena | Zinātniskā
Kontūru veidi
Asērijas ķēdeelementi ir savienoti virknē vai viens pēc otra bez stieples atzarojuma. Strāva, kas plūst caur visiem sērijveidā savienotajiem elementiem, ir vienāda, neatkarīgi no tā, cik daudz rezistoru ir sastopami pa ceļam.
Aparalēlā ķēdeir elementi, kas savienoti paralēli - tas ir, viens punkts ķēdes atzaros, ar vadiem, kas iet uz diviem dažādiem elementiem, un pēc tam atzari atkal pievienojas.Katram paralēli savienotajam elementam spriegums ir vienāds.
Anatvērta ķēdeir tāda, kurā strāva nevar plūst, jo cilpa kādā brīdī ir salauzta. Aslēgta ķēdeir tāds, kurā tiek izveidota pilnīga cilpa un var plūst strāva. Ir skaidrs, ka pēdējo mēdz būt interesantāk pētīt.
Aīssavienojumsir tāds, kurā tiek apieti rezistīvie elementi un strāvas plūsma ir ļoti liela. Tie parasti ir nevēlami, un ierīces, ko sauc par automātiskajiem slēdžiem, tiek uzstādītas ķēdēs, lai "pārtrauktu" (atvērtu) ķēdes un apturēt strāvas plūsmu, lai pasargātu no ķēdes un elektrisko ierīču bojājumiem un aizsargātu pret ugunsgrēki.
Elektrisko ķēžu piemēri
1. Sērijas ķēdē ietilpst 9 V strāvas avots (šajā gadījumā akumulators) un četri rezistori ar pretestības vērtībām 1,5, 4,5, 2 un 1 Ω. Kāda ir pašreizējā plūsma?
Vispirms aprēķiniet kopējo pretestību. Atgādinot iepriekšējā sadaļā sniegto likumu, tas vienkārši ir 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Tādējādi pašreizējā plūsma ir
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ teksts {A}
2. Tagad iedomājieties to pašu spriegumu un četrus rezistorus, bet 1,5-Ω un 4,5-Ω rezistorus novietojiet paralēli, bet pārējie sakārtoti tāpat kā iepriekš. Kāda ir pašreizējā plūsma?
Šoreiz aprēķiniet pretestību ķēdes paralēlajā daļā. To dod 1 /R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Neaizmirstiet ņemt šī skaitļa abpusējo, lai iegūtuR!To izsaka 1 / 0,89 = 1,13 Ω.
Tagad jūs varat uzskatīt šo ķēdes daļu par vienu pretestības elementu ar pretestību 0,89 Ω, un visa problēma tiek atrisināta tāpat kā ar virknes ķēdi: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Tas ļauj vēlreiz atrisināt strāvu:V / Rtot= 9 V / 4,13 Ω =2.18 A.
3. Visbeidzot, balstoties uz iepriekšējā piemērā uzstādīto, apvienojiet 2-Ω un 1-Ω rezistorus paralēlā ķēdē, iegūstot divus paralēlu ķēžu komplektus, kas paši ir sakārtoti virknē. Kāda ir pašreizējā plūsma tagad?
Atrisiniet jaunās paralēlās ķēdes pretestību: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Tādējādi kopējā pretestība ir 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Tādējādi strāva atkārtoti atjaunotajā ķēdē ir 9 V / 1,79 Ω =5,03 A.
Šie piemēri parāda, ka pretestības sadalīšana paralēlos rezistoros palielina plūstošās strāvas daudzumu, samazinot kopējo pretestību, jo spriegums nemainās.