Okablowanie elektryczne w twoim domu, w którym pracuje laptop, ładowarka do telefonu i pomniejsze narzędzia, takie jak lodówki i kuchenki, składa się z wielu połączonych obwodów elektrycznych. Są one podłączone do dowolnego źródła zasilania, które dostarcza energię elektryczną do Twojego domu.
Zadaniem obwodów jest doprowadzenie elektryczności i jej znacznego potencjału energetycznego dokładnie tam, gdzie jest ona potrzebna, oraz powstrzymanie potencjalnie szkodliwych skutków elektryczności w procesie.
Co się dzieje w tych wszystkich drutach, które same w sobie są w większości poza zasięgiem wzroku? Zacznijmy od podstaw, swobodne elektrony będą poruszać się w obecności pola elektrycznego, z powodów fizycznych, które zostaną opisane później. Jeśli dostaną ścieżkę w pętli zamkniętej, w której mają płynąć, można utworzyć obwód elektryczny.
Prosty obwód składa się tylko ze źródła napięcia (różnica potencjałów elektrycznych); ośrodek, przez który mogą przepływać elektrony, zwykle drut; i jakieś źródło oporu elektrycznego w obwodzie. Większość przykładów w świecie rzeczywistym jest jednak znacznie bardziej złożona i istnieje wiele rodzajów obwodów elektrycznych, z których wszystkie są niezbędne do wydajnego przepływu energii elektrycznej.
Ładunek elektryczny i prąd
Podstawowymi elementami pojęciowymi w świecie elektryczności są prąd, napięcie i rezystancja. Przed ich zbadaniem konieczne jest przyjrzenie się nieco głębiej, wracając do idei swobodnych elektronów. Elektron umownie niesie ładunek ujemny o wielkości 1,60 × 10-19 kulomby lub C. Ponieważ to przepływ elektronów determinuje prąd, ładunki w obwodzie odpływają od bieguna ujemnego w kierunku bieguna dodatniego.
„Ładunek jednostkowy” w fizyce jest standaryzowany jako dodatni i ma taką samą wielkość jak ładunekmina elektron. Dodatni ładunek umieszczony w pobliżu dodatniego zacisku będzie odczuwał „odpychanie” i „chce” oddalić się od zacisku, tym silniej, gdy odległość zbliża się do zera. W tym stanie ładunek ma wyższy potencjał elektryczny niż w pewnej odległości.
W ten sposób „ładunek” (domyślnie oznacza „dodatni”, o ile nie podano inaczej) przepływa z obszarów o wyższym napięciu do obszarów o niższym napięciu. Jest to różnica potencjałów lub napięcie, o którym mowa w fizyce, a jej wielkość po części określa przepływ prądu w obwodzie. Prąd elektryczny występuje w postaci prądu przemiennego („roztrzęsienie”, przepływ fazowy) i prądu stałego (jednostajny przepływ); ten ostatni jest nowoczesnym standardem stosowanym w sieciach elektroenergetycznych.
- Przepływ prądu jest mierzony za pomocą urządzenia o nazwie anamperomierz. To samo urządzenie może być zwykle używane jakowoltomierzdo pomiaru różnicy potencjałów.
Prawo Ohma
Poprzedni rozdział można w dużej mierze podsumować prostym prawem matematycznym zwanym prawem Ohma:
I=\frac{V}{R}
gdziejajest obecny wampery(C/s), V to napięcie lub różnica potencjałów, inwolty(dżule na C lub J/C; zanotuj termin energii w mianowniku) iRczy opór jest wohm (Ω).
W obwodzie szeregowym rezystancje indywidualnerezystorysą sumowane, aby obliczyć rezystancję obwodu jako całości. W obwodach równoległych, o których wkrótce przeczytasz, zasada jest taka:
\frac{1}{R_{tot}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+...+\frac{1}{R_n}
gdzieR1, R2i tak dalej są indywidualne wartościnierezystory w obwodzie równoległym.
Definicja obwodu
Obwód jest zamkniętą pętlą, przez którą przepływa ładunek elektryczny w wyniku napięcia zasilającego. Prąd to natężenie przepływu, mierzone jako ilość ładunku przechodzącego przez dany punkt w obwodzie w jednostce czasu.
Czasami warto pomyśleć o prądzie w obwodzie przewodowym jako analogicznym do wody przepływającej przez rury. Woda będzie płynąć z regionów o wysokiej energii potencjalnej do regionów o niższej energii potencjalnej. Niektóre źródła musiałyby następnie użyć energii do podniesienia wody, aby spłynęła w dół. Aby mieć ciągły przepływ wody, gdy woda dotrze do dna, musi zostać podniesiona z powrotem do góry.To działanie polegające na podnoszeniu wody z powrotem do góry jest zasadniczo tym, co robi bateria lub źródło zasilania w obwodzie elektrycznym.
Celem obwodu jest zrobienie czegoś użytecznego z tym przepływem ładunku. Wszystkie obwody zawierają jakiś element oporowy, który spowalnia przepływ ładunku, tak jak tama spowalnia przepływ wody ze zbiornika. Jeśli na przykład żarówka zostanie dodana do obwodu, spowalnia przepływ ładunku i przekształca związaną z nim energię w światło.
Schematy obwodów i elementy obwodów
Często warto naszkicować schemat obwodu, jeśli podano kombinacjęV, jaiRi poprosił o znalezienie nieznanej ilości. Aby to zrobić, użyj zestawu symboli, aby uprościć szkic.
•••Dana Chen | Nauka
Symbole te są następnie łączone liniami prostymi w celu utworzenia schematu obwodu.
•••Dana Chen | Nauka
Rodzaje obwodów
ZAobwód szeregowyma elementy połączone szeregowo lub jeden po drugim bez rozgałęzienia drutu. Prąd płynący przez wszystkie elementy połączone szeregowo jest taki sam, bez względu na to, ile rezystorów napotkamy po drodze.
ZAobwód równoległyma elementy połączone równolegle – to znaczy jeden punkt w obwodzie rozgałęzia się, z przewodami biegnącymi do dwóch różnych elementów, a następnie rozgałęzienia ponownie się łączą.Napięcie na każdym elemencie połączonym równolegle jest takie samo.
Naotwarty obwódto taki, w którym prąd nie może płynąć, ponieważ pętla jest w pewnym momencie przerwana. ZAzamknięty obwódto taka, w której tworzy się pełna pętla i prąd może płynąć. Najwyraźniej ta ostatnia wydaje się być bardziej interesująca do studiowania.
ZAzwarcieto taki, w którym elementy rezystancyjne są omijane, a przepływ prądu jest bardzo wysoki. Są to na ogół niepożądane, a urządzenia zwane wyłącznikami są instalowane w obwodach w celu „przerwania” (otwarcia) Obwód i zatrzymanie przepływu prądu w celu ochrony przed uszkodzeniem obwodu i urządzeń elektrycznych oraz w celu ochrony przed pożary.
Przykłady obwodów elektrycznych
1. Układ szeregowy zawiera źródło zasilania 9 V (w tym przypadku bateria) i cztery oporniki o wartościach rezystancji 1,5, 4,5, 2 i 1 Ω. Jaki jest obecny przepływ?
Najpierw oblicz całkowity opór. Przypominając regułę podaną w poprzednim punkcie, jest to po prostu 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Zatem przepływ prądu jest
I=\frac{V}{R_{tot}}=\frac{9}{9}=1\text{ A}
2. Teraz wyobraźmy sobie to samo napięcie i cztery oporniki, ale z opornikami 1,5 Ω i 4,5 Ω ustawionymi równolegle, a pozostałe ułożone tak samo jak poprzednio. Jaki jest obecny przepływ?
Tym razem oblicz opór w równoległej części obwodu. Daje to 1/R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Nie zapomnij wziąć odwrotności tej liczby, aby uzyskaćR!Daje to 1/0,89 = 1,13 Ω.
Możesz teraz potraktować tę część obwodu jako pojedynczy element rezystancyjny o rezystancji 0,89 Ω, a cały problem rozwiązany jak w przypadku obwodu szeregowego: Rbrzdąc = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Pozwala to na ponowne rozwiązanie dla prądu:V/Rbrzdąc= 9 V/4,13 Ω =2,18.
3. Na koniec, opierając się na konfiguracji z poprzedniego przykładu, połącz rezystory 2 Ω i 1 Ω w obwód równoległy, uzyskując dwa zestawy obwodów równoległych, które same są ustawione szeregowo. Jaki jest obecny przepływ?
Oblicz rezystancję nowego obwodu równoległego: 1/R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Całkowity opór wynosi zatem 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Prąd w ponownie przebudowanym obwodzie wynosi zatem 9 V/1,79 Ω =5.03 A.
Te przykłady ilustrują, że rozłożenie rezystancji przez równoległe rezystory zwiększa ilość płynącego prądu poprzez obniżenie całkowitej rezystancji, ponieważ napięcie się nie zmienia.
