Cablurile electrice din casa dvs. care vă păstrează laptopul, încărcătorul de telefon și uneltele mai mici, cum ar fi frigiderele și sobele care fredonează, constă dintr-o serie de circuite electrice interconectate. Acestea sunt conectate la orice sursă de alimentare care furnizează energie electrică casei dumneavoastră.
Scopul circuitelor este de a obține electricitatea și potențialul său energetic considerabil exact acolo unde trebuie să meargă și de a conține efectele potențial dăunătoare ale electricității în proces.
Ce se întâmplă în interiorul tuturor acestor fire, care în sine sunt în mare parte în afara vederii tale? Pentru a începe cu elementele de bază, electronii liberi se vor mișca în prezența unui câmp electric, din motive fizice care vor fi descrise mai târziu. Dacă li se oferă o cale în buclă închisă în care să curgă, se poate crea un circuit electric.
Un circuit simplu constă doar dintr-o sursă de tensiune (diferența de potențial electric); un mediu prin care pot curge electroni, de obicei un fir; și o sursă de rezistență electrică în circuit. Majoritatea exemplelor din lumea reală sunt însă mult mai complexe, însă există mai multe tipuri de circuite electrice, toate acestea fiind vitale pentru fluxul eficient de electricitate.
Încărcare electrică și curent
Elementele conceptuale de bază din lumea electricității sunt curentul, tensiunea și rezistența. Înainte de a le explora, este necesar să privim puțin mai adânc, înapoi la ideea de electroni liberi. Un electron, prin convenție, poartă o sarcină negativă cu o magnitudine de 1,60 × 10-19 culombi sau C. Deoarece fluxul de electroni este cel care determină curentul, sarcinile într-un circuit curg departe de borna negativă și în direcția bornei pozitive.
„Încărcarea unitară” în fizică este standardizată ca pozitivă și are aceeași magnitudine cu încărcareaepe un electron. O încărcătură pozitivă plasată lângă un terminal pozitiv va avea „respingere” și „doresc” să se îndepărteze de terminal, cu atât mai puternic cu cât distanța se închide la zero. În această stare, sarcina are un potențial electric mai mare decât la o anumită distanță mai departe.
Astfel, o „încărcare” („pozitivă” fiind implicată, cu excepția cazului în care se specifică altfel) curge din zone cu tensiune mai mare în zone cu tensiune mai mică. Aceasta este diferența de potențial sau tensiunea menționată în fizică, iar magnitudinea sa determină parțial fluxul de curent într-un circuit. Curentul electric vine în curent alternativ (un flux nervos, fazic) și curent continuu (flux uniform); acesta din urmă este standardul modern utilizat în rețelele electrice.
- Debitul de curent este măsurat utilizând un dispozitiv numitampermetru. Același dispozitiv poate fi folosit de obicei ca unvoltmetrupentru a măsura diferența de potențial.
Legea lui Ohm
Secțiunea anterioară poate fi rezumată în mare măsură printr-o lege matematică simplă numită legea lui Ohm:
I = \ frac {V} {R}
UndeEueste actual înamperi(C / s), V este tensiune sau diferență de potențial, învolți(jouli pe C sau J / C; se notează termenul energetic din numitor) șiReste rezistența înohmi (Ω).
Într-un circuit de serie, rezistențele individualerezistențesunt adunate împreună pentru a calcula rezistența circuitului în ansamblu. În circuitele paralele, despre care veți citi în curând, regula este:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
UndeR1, R2și așa mai departe sunt valorile individuale alenrezistențe în circuitul paralel.
Definiția unui circuit
Un circuit este o buclă închisă prin care curge sarcina electrică ca urmare a unei tensiuni de acționare. Curentul este debitul, măsurat ca cantitatea de încărcare care trece un punct dat în circuit pe unitate de timp.
Uneori este util să ne gândim la curentul dintr-un circuit de sârmă ca fiind analog cu apa care curge prin conducte. Apa va curge din regiunile cu energie potențială ridicată în regiunile cu energie potențială mai mică. O sursă ar trebui să folosească apoi energia pentru a ridica apa, astfel încât să curgă în jos. Pentru a avea un flux continuu de apă, odată ce apa ajunge în fund, trebuie ridicată înapoi până sus.Această acțiune de ridicare a apei înapoi până la vârf este în esență ceea ce face o baterie sau o sursă de energie într-un circuit electric.
Scopul unui circuit este de a face ceva util cu acest flux de încărcare. Toate circuitele includ un fel de element rezistiv care încetinește fluxul de sarcină, la fel cum un baraj încetinește fluxul de apă dintr-un rezervor. Dacă un bec este adăugat unui circuit, de exemplu, acesta încetinește fluxul de încărcare și transformă energia asociată în lumină.
Diagrame de circuit și elemente de circuit
Adesea, este util să schițați o diagramă a unui circuit dacă vi se oferă o combinație deV, eușiRși a cerut să rezolve cantitatea necunoscută. Pentru a face acest lucru, utilizați un set de simboluri pentru a simplifica schița.
•••Dana Chen | Știința
Aceste simboluri sunt apoi conectate cu linii drepte pentru a crea o diagramă de circuit.
•••Dana Chen | Știința
Tipuri de circuite
Acircuit în serieare elemente conectate în serie sau unul după altul fără ramificarea firului. Curentul care curge prin toate elementele conectate în serie este același, indiferent de câte rezistențe sunt întâlnite pe parcurs.
Acircuit paralelare elemente conectate în paralel - adică un punct în ramurile circuitului, cu fire care merg către două elemente diferite, iar apoi ramurile se reunesc din nou.Tensiunea pe fiecare element conectat în paralel este aceeași.
Uncircuit deschiseste unul în care nu poate curge curent deoarece bucla este întreruptă la un moment dat. Acircuit inchiseste una în care se formează bucla completă și curentul poate curge. În mod clar, acesta din urmă tinde să fie mai interesant de studiat.
Ascurt circuiteste unul în care elementele rezistive sunt ocolite și fluxul de curent este foarte mare. Acestea sunt în general nedorite, iar dispozitivele numite întrerupătoare de circuit sunt instalate în circuite pentru a „sparge” (deschide) circuitul și opriți curentul de curent pentru a vă proteja împotriva deteriorării circuitului și a aparatelor electrice și pentru a vă proteja împotriva incendii.
Exemple de circuite electrice
1. Un circuit de serie include o sursă de alimentare de 9 V (o baterie, în acest caz) și patru rezistențe cu valori de rezistență de 1,5, 4,5, 2 și 1 Ω. Care este fluxul curent?
Mai întâi, calculați rezistența totală. Reamintind regula dată într-o secțiune anterioară, aceasta este pur și simplu 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Astfel fluxul de curent este
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ text {A}
2. Acum imaginați-vă aceeași tensiune și patru rezistențe, dar cu rezistențele de 1,5 Ω și 4,5 Ω plasate în paralel și celelalte aranjate la fel ca înainte. Care este fluxul curent?
De data aceasta, calculați rezistența în partea paralelă a circuitului. Aceasta este dată de 1 /R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Nu uitați să luați reciprocitatea acestui număr pentru a obțineR!Aceasta este dată de 1 / 0,89 = 1,13 Ω.
Acum puteți trata această porțiune a circuitului ca un singur element rezistiv cu o rezistență de 0,89 Ω și întreaga problemă este rezolvată ca și în cazul unui circuit de serie: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Acest lucru vă permite să rezolvați curentul încă o dată:V / Rtot= 9 V / 4.13 Ω =2,18 A.
3. În cele din urmă, bazându-ne pe configurarea din exemplul anterior, combinați rezistențele de 2 Ω și 1 Ω într-un circuit paralel, obținând două seturi de circuite paralele care sunt ele însele aranjate în serie. Care este fluxul curent acum?
Rezolvați rezistența noului circuit paralel: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Rezistența totală este astfel de 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Curentul din circuitul reînnoit este astfel de 9 V / 1,79 Ω =5,03 A.
Aceste exemple ilustrează faptul că distribuirea rezistenței între rezistențele paralele crește cantitatea de curent care curge prin scăderea rezistenței totale, deoarece tensiunea nu se modifică.