De elektrische bedrading in uw huis die uw laptop, telefoonoplader en minder gereedschap zoals koelkasten en fornuizen aan het neuriën houdt, bestaat uit een aantal onderling verbonden elektrische circuits. Deze zijn aangesloten op de stroombron die uw huis van stroom voorziet.
Het doel van circuits is om elektriciteit en haar aanzienlijke energiepotentieel precies daar te krijgen waar het heen moet, en om de mogelijk schadelijke effecten van elektriciteit in het proces te beperken.
Wat gebeurt er in al die draden, die zelf meestal uit je zicht zijn? Om met de basis te beginnen, zullen vrije elektronen bewegen in aanwezigheid van een elektrisch veld, om fysieke redenen die later zullen worden beschreven. Als ze een gesloten circuit krijgen waarin ze kunnen stromen, kan een elektrisch circuit worden gecreëerd.
Een eenvoudige schakeling bestaat alleen uit een spanningsbron (elektrisch potentiaalverschil); een medium waardoor elektronen kunnen stromen, meestal een draad; en een bron van elektrische weerstand in het circuit. De meeste voorbeelden uit de praktijk zijn echter veel complexer en er bestaan meerdere soorten elektrische circuits, die allemaal van vitaal belang zijn voor de efficiënte stroom van elektriciteit.
Elektrische lading en stroom
De conceptuele basiselementen in de wereld van elektriciteit zijn stroom, spanning en weerstand. Voordat we deze onderzoeken, moeten we wat dieper kijken, terug naar het idee van vrije elektronen. Een elektron draagt volgens afspraak een negatieve lading met een magnitude van 1,60 × 10-19 coulombs of C. Omdat het de stroom van elektronen is die de stroom bepaalt, stromen ladingen in een circuit weg van de negatieve pool en in de richting van de positieve pool.
De "eenheidslading" in de natuurkunde is gestandaardiseerd als positief en heeft dezelfde grootte als de ladingeop een elektron. Een positieve lading die in de buurt van een positieve pool wordt geplaatst, zal "afstoting" ervaren en "willen" weggaan van de terminal, des te sterker naarmate de afstand nul nadert. In deze toestand heeft de lading een hoger elektrisch potentieel dan op enige afstand verder weg.
Dus een "lading" ("positief" wordt geïmpliceerd tenzij anders vermeld) stroomt van gebieden met een hogere spanning naar gebieden met een lagere spanning. Dit is het potentiaalverschil of de spanning waarnaar in de natuurkunde wordt verwezen, en de grootte ervan bepaalt gedeeltelijk de stroomsterkte in een circuit. Elektrische stroom komt in wisselstroom (een "schokkende", fasische stroom) en gelijkstroom (uniforme stroom) vormen; de laatste is de moderne standaard in gebruik in elektriciteitsnetten.
- De stroom wordt gemeten met behulp van een apparaat genaamd anampèremeter. Hetzelfde apparaat kan meestal worden gebruikt als eenvoltmeterpotentiaalverschil te meten.
De wet van Ohm
De vorige sectie kan grotendeels worden samengevat door een eenvoudige wiskundige wet die de wet van Ohm wordt genoemd:
I=\frac{V}{R}
waarikis actueelampère(C/s), V is spanning, of potentiaalverschil, involt(joule per C, of J/C; let op de energieterm in de noemer) enRis de weerstand inohm (Ω).
In een serieschakeling zijn de weerstanden van individueleweerstandenworden bij elkaar opgeteld om de weerstand van het circuit als geheel te berekenen. In parallelle circuits, waarover je binnenkort zult lezen, is de regel:
\frac{1}{R_{tot}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+...+\frac{1}{R_n}
waarR1, R2enzovoort zijn de individuele waarden van deneeweerstanden in de parallelschakeling.
Definitie van een circuit
Een circuit is een gesloten lus waardoor elektrische lading stroomt als gevolg van een stuurspanning. Stroom is de stroomsnelheid, gemeten als de hoeveelheid lading die per tijdseenheid een bepaald punt in het circuit passeert.
Soms is het handig om de stroom in een draadcircuit te beschouwen als analoog aan water dat door leidingen stroomt. Water zal stromen van gebieden met een hoge potentiële energie naar gebieden met een lagere potentiële energie. Een bron zou dan energie moeten gebruiken om het water omhoog te brengen zodat het bergafwaarts zal stromen. Om een continue waterstroom te hebben, moet het water zodra het de bodem bereikt, weer naar boven worden getild.Deze actie om het water weer naar boven te tillen, is in wezen wat een batterij of stroombron doet in een elektrisch circuit.
Het doel van een circuit is om iets nuttigs te doen met deze ladingsstroom. Alle circuits bevatten een soort weerstandselement dat de stroom van lading vertraagt, net zoals een dam de stroom van water uit een reservoir vertraagt. Als er bijvoorbeeld een gloeilamp aan een circuit wordt toegevoegd, vertraagt het de stroom van lading en zet het de bijbehorende energie om in licht.
Schakelschema's en circuitelementen
Vaak is het handig om een schema van een circuit te schetsen als je een combinatie krijgt van:V, ikenRen vroeg om de onbekende hoeveelheid op te lossen. Gebruik hiervoor een reeks symbolen om de schets te vereenvoudigen.
•••Dana Chen | Wetenschap
Deze symbolen worden vervolgens verbonden met rechte lijnen om een schakelschema te creëren.
•••Dana Chen | Wetenschap
Soorten circuits
EENserieschakelingheeft elementen die in serie zijn geschakeld, of de een na de ander zonder dat de draad vertakt. De stroom die door alle in serie geschakelde elementen vloeit, is hetzelfde, ongeacht hoeveel weerstanden je onderweg tegenkomt.
EENparallelschakelingheeft elementen die parallel zijn geschakeld - dat wil zeggen, één punt in de circuitvertakkingen, met draden die naar twee verschillende elementen gaan, en dan komen de takken weer bij elkaar.De spanning over elk parallel geschakeld element is hetzelfde.
Eenopen Circuitis er een waarin geen stroom kan vloeien omdat de lus op een gegeven moment wordt verbroken. EENgesloten circuitis er een waarin de volledige lus wordt gevormd en stroom kan vloeien. Het is duidelijk dat dit laatste interessanter is om te bestuderen.
EENkortsluitingis er een waarin de weerstandselementen worden omzeild en de stroomsterkte erg hoog is. Deze zijn over het algemeen ongewenst, en apparaten die stroomonderbrekers worden genoemd, worden in circuits geïnstalleerd om de stroom te "breken" (openen). circuit en stop de stroom om te beschermen tegen schade aan het circuit en elektrische apparaten, en om te beschermen tegen: branden.
Voorbeelden van elektrische schakelingen
1. Een serieschakeling omvat een stroombron van 9 V (in dit geval een batterij) en vier weerstanden met weerstandswaarden van 1,5, 4,5, 2 en 1. Wat is de huidige stroom?
Bereken eerst de totale weerstand. Herinnerend aan de regel die in een vorige sectie is gegeven, is dit gewoon 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Dus de huidige stroom is
I=\frac{V}{R_{tot}}=\frac{9}{9}=1\text{ A}
2. Stel je nu dezelfde spanning en vier weerstanden voor, maar met de 1,5-Ω en 4,5-Ω weerstanden parallel geplaatst en de andere op dezelfde manier gerangschikt als voorheen. Wat is de huidige stroom?
Bereken deze keer de weerstand in het parallelle deel van het circuit. Dit wordt gegeven door 1/R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Vergeet niet het omgekeerde van dit nummer te nemen om te krijgenR!Dit wordt gegeven door 1/0,89 = 1,13 Ω.
Je kunt dit deel van het circuit nu behandelen als een enkel weerstandselement met een weerstand van 0,89 Ω, en het hele probleem is opgelost zoals bij een serieschakeling: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Hiermee kun je nog een keer voor stroom oplossen:V/Rtot= 9 V/4.13 Ω =2.18 A.
3. Tot slot, voortbouwend op de opstelling in het vorige voorbeeld, combineer de 2-Ω- en 1-Ω-weerstanden in een parallelle schakeling, wat twee sets parallelle circuits oplevert die zelf in serie zijn gerangschikt. Wat is nu de stroom?
Los de weerstand van het nieuwe parallelle circuit op: 1/R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. De totale weerstand is dus 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. De stroom in de opnieuw vernieuwde schakeling is dus 9 V/1,79 Ω =5,03 A.
Deze voorbeelden illustreren dat het verdelen van weerstand over parallelle weerstanden de hoeveelheid stroom die vloeit verhoogt door de totale weerstand te verlagen, aangezien de spanning niet verandert.