De elektriske ledningene i hjemmet som holder den bærbare datamaskinen, telefonladeren og mindre verktøy som kjøleskap og komfyr nynne, består av en rekke sammenkoblede elektriske kretser. Disse er koblet til hvilken strømkilde som leverer strøm til hjemmet ditt.
Hensikten med kretser er å få strøm og dets betydelige energipotensiale akkurat der den trenger å gå, og å inneholde potensielt skadelige effekter av elektrisitet i prosessen.
Hva skjer inne i alle ledningene, som i seg selv stort sett er utenfor synet ditt? Til å begynne med det grunnleggende vil frie elektroner bevege seg i nærvær av et elektrisk felt, av fysiske årsaker som vil bli beskrevet senere. Hvis de får en lukket bane der de kan strømme, kan det opprettes en elektrisk krets.
En enkel krets består bare av en spenningskilde (elektrisk potensialforskjell); et medium som elektroner kan strømme gjennom, vanligvis en ledning; og noen kilde til elektrisk motstand i kretsen. De fleste eksempler fra den virkelige verden er imidlertid langt mer komplekse, og det finnes flere typer elektriske kretser, som alle er avgjørende for effektiv strøm av strøm.
Elektrisk lading og strøm
De grunnleggende konseptuelle elementene i strømens verden er strøm, spenning og motstand. Før du utforsker disse, er det nødvendig å se litt dypere tilbake til ideen om frie elektroner. Et elektron bærer ved konvensjon en negativ ladning med en styrke på 1,60 × 10-19 coulombs, eller C. Siden det er strømmen av elektroner som bestemmer strømmen, strømmer ladninger i en krets bort fra den negative terminalen og i retning av den positive terminalen.
"Enhetsladningen" i fysikk er standardisert som positiv og har samme størrelse som ladningenepå et elektron. En positiv ladning plassert nær en positiv terminal vil oppleve "frastøting" og "vil" bevege seg bort fra terminalen, desto sterkere når avstanden stenger til null. I denne tilstanden har ladningen et høyere elektrisk potensial enn det har en avstand lenger unna.
Dermed strømmer en "ladning" ("positiv" med mindre annet er angitt) fra områder med høyere spenning til områder med lavere spenning. Dette er potensialforskjellen eller spenningen det er referert til i fysikk, og størrelsen bestemmer delvis strømstrømmen i en krets. Elektrisk strøm kommer i vekselstrøm (en "jittery", fasestrøm) og likestrøm (jevn strømning); sistnevnte er den moderne standarden i bruk i elektriske nett.
- Strømmen måles ved hjelp av en enhet som kalles enamperemeter. Den samme enheten kan vanligvis brukes som envoltmeterfor å måle potensiell forskjell.
Ohms lov
Den forrige delen kan i stor grad oppsummeres av en enkel matematisk lov kalt Ohms lov:
I = \ frac {V} {R}
hvorJeger aktuell iampere(C / s), V er spenning, eller potensialforskjell, ivolt(joule per C, eller J / C; merk energibegrepet i nevneren) ogRer motstanden iohm (Ω).
I en seriekrets, motstandene til individetmotstanderblir lagt sammen for å beregne motstanden til kretsen som helhet. I parallelle kretsløp, som du snart vil lese om, er regelen:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
hvorR1, R2og så videre er de individuelle verdiene tilnmotstander i parallellkretsen.
Definisjon av en krets
En krets er en lukket sløyfe som elektrisk ladning strømmer gjennom som et resultat av en kjørespenning. Strøm er strømningshastigheten, målt som ladningsmengden som passerer et gitt punkt i kretsen per tidsenhet.
Noen ganger er det nyttig å tenke på strøm i en ledningskrets som analog med vann som strømmer gjennom rør. Vann vil strømme fra regioner med høy potensiell energi til regioner med lavere potensiell energi. Noen kilder vil da måtte bruke energi for å heve vannet opp slik at det vil strømme nedover. For å ha en kontinuerlig strøm av vann, når vannet når bunnen, må det løftes opp igjen til toppen.Denne handlingen med å løfte vannet tilbake til toppen er egentlig hva et batteri eller en strømkilde gjør i en elektrisk krets.
Målet med en krets er å gjøre noe nyttig med denne ladningen. Alle kretser inkluderer et slags resistivt element som reduserer ladningen, akkurat som en demning reduserer strømmen av vann fra et reservoar. Hvis en lyspære tilsettes for eksempel en krets, reduserer den strømmen og transformerer den tilhørende energien til lys.
Kretsdiagrammer og kretselementer
Ofte er det nyttig å tegne et diagram over en krets hvis du får en kombinasjon avV, jegogRog bedt om å løse for den ukjente mengden. For å gjøre det, bruk et sett med symboler for å forenkle skissen.
•••Dana Chen | Vitenskap
Disse symbolene kobles deretter med rette linjer for å lage et kretsskjema.
•••Dana Chen | Vitenskap
Typer kretser
ENseriekretshar elementer koblet i serie, eller etter hverandre uten ledningsforgrening. Strømmen som strømmer gjennom alle elementene som er koblet i serie, er den samme, uansett hvor mange motstander du opplever underveis.
ENparallell kretshar elementer som er koblet parallelt - det vil si ett punkt i kretsgrenene, med ledninger som går til to forskjellige elementer, og deretter blir grenene igjen.Spenningen over hvert element som er koblet parallelt er den samme.
Anåpen kretser en der ingen strøm kan strømme fordi sløyfen er ødelagt på et tidspunkt. ENlukket kretser en der den komplette sløyfen dannes og strømmen kan strømme. Det er klart at sistnevnte har en tendens til å være mer interessant å studere.
ENkortslutninger en der de resistive elementene blir omgått og strømmen er veldig høy. Disse er generelt uønskede, og enheter som kalles strømbrytere er installert i kretser for å "bryte" (åpne) krets og stopp strømmen for å beskytte mot skade på kretsen og elektriske apparater, og for å beskytte mot branner.
Eksempler på elektriske kretser
1. En seriekrets inneholder en 9-V strømkilde (et batteri, i dette tilfellet) og fire motstander med motstandsverdier på 1,5, 4,5, 2 og 1 Ω. Hva er strømmen?
Beregn først den totale motstanden. Når vi husker regelen gitt i forrige avsnitt, er dette ganske enkelt 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Dermed er strømmen
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ tekst {A}
2. Tenk deg den samme spenningen og fire motstander, men med 1,5-Ω og 4,5-Ω motstandene plassert parallelt og de andre ordnet det samme som før. Hva er strømmen?
Denne gangen beregner du motstanden i den parallelle delen av kretsen. Dette er gitt av 1 /R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Ikke glem å ta gjensidige av dette nummeret for å fåR!Dette er gitt av 1 / 0,89 = 1,13 Ω.
Du kan nå behandle denne delen av kretsen som et enkelt resistivt element med en motstand på 0,89 Ω, og hele problemet er løst som med en seriekrets: Rtil T = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Dette lar deg løse for strøm igjen:V / Rtil T= 9 V / 4,13 Ω =2.18 A..
3. Til slutt bygger du på oppsettet i forrige eksempel, og kombiner 2-Ω og 1-Ω motstandene i en parallell krets, og gir to sett med parallelle kretser som er ordnet i serie. Hva er strømmen nå?
Løs motstanden til den nye parallelle kretsen: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Den totale motstanden er altså 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Strømmen i den nyoppussede kretsen er altså 9 V / 1,79 Ω =5,03 A..
Disse eksemplene illustrerer at distribusjon av motstand over parallelle motstander øker strømmen ved å senke total motstand, siden spenningen ikke endres.