Электропроводка в вашем доме, которая поддерживает работу вашего ноутбука, зарядного устройства для телефона и других инструментов, таких как холодильники и плиты, состоит из ряда взаимосвязанных электрических цепей. Они подключены к любому источнику питания, подающему электричество в ваш дом.
Целью цепей является получение электричества и его значительного энергетического потенциала именно там, где оно необходимо, и сдерживание потенциально вредных эффектов электричества в процессе.
Что происходит внутри всех этих проводов, которые, по большей части, находятся вне поля вашего зрения? Начнем с основ: свободные электроны будут двигаться в присутствии электрического поля по физическим причинам, которые будут описаны позже. Если им дать путь с обратной связью для потока, может быть создана электрическая цепь.
Простая схема состоит только из источника напряжения (разности электрических потенциалов); среда, через которую могут течь электроны, обычно проволока; и некоторый источник электрического сопротивления в цепи. Однако большинство реальных примеров намного сложнее, и существует несколько типов электрических цепей, все из которых жизненно важны для эффективного потока электричества.
Электрический заряд и ток
Основными концептуальными элементами в мире электричества являются ток, напряжение и сопротивление. Прежде чем исследовать их, необходимо немного глубже вернуться к идее свободных электронов. Электрон по традиции несет отрицательный заряд величиной 1,60 × 10.-19 кулонов, или C. Поскольку ток определяет поток электронов, заряды в цепи текут от отрицательного вывода в направлении положительного вывода.
«Единичный заряд» в физике стандартизирован как положительный и имеет ту же величину, что и заряд.ена электрон. Положительный заряд, помещенный рядом с положительным выводом, будет испытывать "отталкивание" и "желание" уйти от вывода, тем более что по мере того, как расстояние приближается к нулю. В этом состоянии заряд имеет более высокий электрический потенциал, чем на некотором расстоянии.
Таким образом, «заряд» (подразумевается «положительный», если не указано иное) течет из областей с более высоким напряжением в области с более низким напряжением. Это разность потенциалов или напряжение, упоминаемое в физике, и его величина частично определяет ток в цепи. Электрический ток бывает переменного тока («неустойчивый» фазовый поток) и постоянного тока (равномерный поток); последний - это современный стандарт, применяемый в электрических сетях.
- Текущий поток измеряется с помощью устройства, называемогоамперметр. Это же устройство обычно можно использовать каквольтметрдля измерения разности потенциалов.
Закон Ома
Предыдущий раздел можно в значительной степени резюмировать простым математическим законом, называемым законом Ома:
I = \ frac {V} {R}
гдеяв настоящее время вамперы(C / s), V - напряжение или разность потенциалов ввольт(джоулей на Кл или Дж / Кл; обратите внимание на член энергии в знаменателе) ирсопротивление вОм (Ω).
В последовательной цепи сопротивления отдельныхрезисторыскладываются для расчета сопротивления цепи в целом. В параллельных цепях, о которых вы скоро прочитаете, правило таково:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
гдер1, Р2и так далее - индивидуальные ценностипрезисторы в параллельной цепи.
Определение схемы
Цепь представляет собой замкнутый контур, по которому течет электрический заряд в результате управляющего напряжения. Ток - это скорость потока, измеряемая как количество заряда, проходящего через заданную точку в цепи за единицу времени.
Иногда полезно думать о токе в проводной цепи как об аналоге воды, протекающей по трубам. Вода будет течь из регионов с высоким потенциалом энергии в регионы с более низким потенциалом. Некоторому источнику потребуется затем использовать энергию, чтобы поднять воду так, чтобы она текла вниз. Для обеспечения непрерывного потока воды, как только вода достигнет дна, ее необходимо снова поднять вверх.Это действие по подъему воды обратно наверх - это, по сути, то, что батарея или источник энергии делают в электрической цепи.
Цель схемы - сделать что-нибудь полезное с этим потоком заряда. Все схемы включают в себя какой-то резистивный элемент, который замедляет поток заряда, точно так же, как плотина замедляет поток воды из резервуара. Если, например, в цепь добавляется электрическая лампочка, она замедляет поток заряда и преобразует связанную энергию в свет.
Принципиальные схемы и элементы схем
Часто бывает полезно нарисовать схему цепи, если вам дается какая-то комбинацияV, Iа такжери попросил найти неизвестное количество. Для этого используйте набор символов, чтобы упростить эскиз.
•••Дана Чен | Наука
Эти символы затем соединяются прямыми линиями для создания принципиальной схемы.
•••Дана Чен | Наука
Типы схем
Апоследовательная цепьимеет элементы, соединенные последовательно или один за другим без разветвления проводов. Ток, протекающий через все элементы, соединенные последовательно, одинаков, независимо от того, сколько резисторов встречается на пути.
Апараллельная цепьимеет элементы, соединенные параллельно, то есть одна точка в ветвях схемы, с проводами, идущими к двум разным элементам, а затем ветви снова соединяются.Напряжение на каждом элементе, подключенном параллельно, одинаковое.
Anразомкнутая цепьэто тот, в котором ток не может течь, потому что петля в какой-то момент разорвана. Азакрытая схемаэто тот, в котором образуется полный цикл и может течь ток. Понятно, что последнее более интересно изучать.
Акороткое замыканиеэто тот, в котором резистивные элементы отключены и ток очень велик. Это, как правило, нежелательно, и устройства, называемые автоматическими выключателями, устанавливаются в цепях для «разрыва» (размыкания) цепи. цепь и остановите ток для защиты от повреждения цепи и электроприборов, а также для защиты от пожары.
Примеры электрических цепей
1. Последовательная схема включает источник питания 9 В (в данном случае аккумулятор) и четыре резистора со значениями сопротивления 1,5, 4,5, 2 и 1 Ом. Каков текущий поток?
Сначала рассчитайте общее сопротивление. Вспоминая правило, приведенное в предыдущем разделе, это просто 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ом. Таким образом, текущий поток
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ text {A}
2. Теперь представьте то же напряжение и четыре резистора, но с резисторами 1,5 и 4,5 Ом, размещенными параллельно, а остальные расположены так же, как и раньше. Каков текущий поток?
На этот раз рассчитайте сопротивление в параллельной части цепи. Это дается 1 /р = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Не забудьте взять обратную величину от этого числа, чтобы получитьр!Это равно 1 / 0,89 = 1,13 Ом.
Теперь вы можете рассматривать эту часть схемы как один резистивный элемент с сопротивлением 0,89 Ом, и вся проблема решается как в случае последовательной цепи: Rмалыш = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Это позволяет вам еще раз решить для тока:V / Rмалыш= 9 В / 4,13 Ом =2,18 А.
3. Наконец, опираясь на схему из предыдущего примера, объедините резисторы 2 Ом и 1 Ом в параллельную цепь, получив два набора параллельных цепей, которые сами расположены последовательно. Какой сейчас поток?
Найдите сопротивление новой параллельной цепи: 1 /р= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ом. Таким образом, полное сопротивление составляет 1,13 + 0,67 = 1,79 Ом. Таким образом, ток в повторно модернизированной цепи составляет 9 В / 1,79 Ом =5,03 А.
Эти примеры показывают, что распределение сопротивления между параллельными резисторами увеличивает протекающий ток за счет снижения общего сопротивления, поскольку напряжение не изменяется.