Elektrické vedenie v domácnosti, ktoré udržuje váš laptop, nabíjačku telefónu a menšie náradie, ako sú chladničky a kachle, bzučať, pozostáva z mnohých vzájomne prepojených elektrických obvodov. Sú pripojené k akémukoľvek zdroju energie, ktorý dodáva elektrinu do vášho domova.
Účelom obvodov je dostať elektrinu a jej značný energetický potenciál presne tam, kam potrebuje, a obmedziť potenciálne škodlivé účinky elektriny v procese.
Čo sa deje vo vnútri všetkých tých drôtov, ktoré sú sami väčšinou z vášho dohľadu? Ak chcete začať od základov, voľné elektróny sa budú pohybovať v prítomnosti elektrického poľa, a to z fyzikálnych dôvodov, ktoré budú popísané neskôr. Ak dostanú tok v uzavretej slučke, ktorým môžu prúdiť, môže sa vytvoriť elektrický obvod.
Jednoduchý obvod pozostáva iba zo zdroja napätia (rozdiel elektrického potenciálu); médium, cez ktoré môžu prúdiť elektróny, zvyčajne drôt; a nejaký zdroj elektrického odporu v obvode. Väčšina príkladov z reálneho sveta je však oveľa zložitejšia a existuje viac druhov elektrických obvodov, ktoré sú všetky nevyhnutné pre efektívny tok elektrickej energie.
Elektrický náboj a prúd
Základné koncepčné prvky vo svete elektriny sú prúd, napätie a odpor. Pred ich preskúmaním je potrebné pozrieť sa trochu hlbšie, späť k myšlienke voľných elektrónov. Elektrón podľa konvencie nesie záporný náboj s veľkosťou 1,60 × 10-19 coulombs alebo C. Pretože prúd určuje elektrón, náboje v obvode odtekajú od záporného pólu a v smere kladného pólu.
„Jednotkový náboj“ vo fyzike je štandardizovaný ako kladný a má rovnakú veľkosť ako nábojena elektróne. Kladný náboj umiestnený v blízkosti kladného vývodu bude mať „odpor“ a „bude sa chcieť“ vzdialiť od vývodu, o to silnejšie, že sa vzdialenosť bude uzatvárať na nulu. V tomto stave má náboj vyšší elektrický potenciál ako v istej vzdialenosti ďalej.
Takže „náboj“ (ak nie je uvedené inak, znamená to „kladný“), preteká z oblastí s vyšším napätím do oblastí s nižším napätím. Toto je potenciálny rozdiel alebo napätie uvedené vo fyzike a jeho veľkosť čiastočne určuje tok prúdu v obvode. Elektrický prúd prichádza vo forme striedavého prúdu („jittery“, fázový tok) a vo forme jednosmerného prúdu (rovnomerný tok); druhý je moderný štandard používaný v elektrických rozvodných sieťach.
- Prietok prúdu sa meria pomocou zariadenia nazývanéhoampérmeter. Rovnaké zariadenie sa dá zvyčajne použiť ako avoltmeterna meranie potenciálneho rozdielu.
Ohmov zákon
Predchádzajúcu časť možno zhrnúť do veľkej miery jednoduchým matematickým zákonom s názvom Ohmov zákon:
I = \ frac {V} {R}
kdeJaje momentálne vampéry(C / s), V je napätie alebo rozdiel potenciálov vvoltov(jouly na C alebo J / C; všimnite si energetický výraz v menovateli) aRje odpor vohmy (Ω).
V sériovom obvode sú to odpory jednotlivcarezistorysa spočítajú na výpočet odporu obvodu ako celku. V paralelných obvodoch, o ktorých sa čoskoro dočítate, platí pravidlo:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
kdeR1, R2a tak ďalej sú jednotlivé hodnoty súborunrezistory v paralelnom obvode.
Definícia obvodu
Obvod je uzavretá slučka, cez ktorú preteká elektrický náboj v dôsledku budiaceho napätia. Prúd je rýchlosť prietoku, meraná ako množstvo náboja prechádzajúceho daným bodom v obvode za jednotku času.
Niekedy je užitočné považovať prúd v drôtovom obvode za analogický k vode pretekajúcej potrubím. Voda bude tiecť z regiónov s vysokou potenciálnou energiou do oblastí s nízkou potenciálnou energiou. Niektorý zdroj by potom musel pomocou energie zdvihnúť vodu hore, aby tiekla z kopca. Ak má voda nepretržite prúdiť, akonáhle dosiahne vodu na dno, musí sa zdvihnúť späť nahor.Táto činnosť zdvíhania vody späť nahor je v podstate to, čo robí batéria alebo zdroj energie v elektrickom obvode.
Cieľom obvodu je urobiť s týmto tokom náboja niečo užitočné. Všetky okruhy obsahujú akýsi odporový prvok, ktorý spomaľuje tok náboja, rovnako ako hrádza spomaľuje tok vody z nádrže. Ak sa do obvodu pridá napríklad žiarovka, spomalí to tok náboja a transformuje sa s ním spojená energia na svetlo.
Schémy zapojenia a prvky obvodu
Často je užitočné načrtnúť schému obvodu, ak máte kombináciuV, jaaRa požiadal o riešenie neznámeho množstva. Ak to chcete urobiť, skicu zjednodušte pomocou sady symbolov.
•••Dana Chen | Vedenie
Tieto symboly sú potom spojené priamkami, aby sa vytvorila schéma zapojenia.
•••Dana Chen | Vedenie
Typy obvodov
Asériový obvodmá prvky zapojené do série alebo jeden za druhým bez rozvetvenia drôtu. Prúd pretekajúci všetkými prvkami zapojenými do série je rovnaký, bez ohľadu na to, koľko rezistorov sa na ceste stretne.
Aparalelný obvodmá prvky zapojené paralelne - to znamená jeden bod vo vetvách obvodu, s vodičmi smerujúcimi k dvom rôznym prvkom, a potom sa vetvy opäť pripájajú.Napätie na každom paralelne zapojenom prvku je rovnaké.
Anotvorený okruhje taký, v ktorom nemôže pretekať žiadny prúd, pretože v určitom okamihu je prerušená slučka. Auzavretý okruhje taká, v ktorej je vytvorená úplná slučka a môže pretekať prúd. Je zrejmé, že druhá zmienka má tendenciu byť zaujímavejšia na štúdium.
Askratje taký, v ktorom sú obchádzané odporové prvky a prúd je veľmi vysoký. To je vo všeobecnosti nežiaduce a do obvodov sa inštalujú zariadenia, ktoré sa nazývajú ističe, aby „rozbili“ (otvorili) okruhu a zastaveniu toku prúdu na ochranu pred poškodením obvodu a elektrických spotrebičov a na ochranu pred požiare.
Príklady elektrických obvodov
1. Sériový obvod obsahuje 9 V zdroj energie (v tomto prípade batériu) a štyri rezistory s hodnotami odporu 1,5, 4,5, 2 a 1 Ω. Aký je súčasný tok?
Najskôr vypočítajte celkový odpor. Pripomíname pravidlo uvedené v predchádzajúcej časti, toto je jednoducho 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Tok prúdu je teda
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ text {A}
2. Teraz si predstavte rovnaké napätie a štyri rezistory, ale s rezistormi 1,5 Ω a 4,5-Ω umiestnenými paralelne a ostatnými rezistormi. Aký je súčasný tok?
Tentokrát vypočítajte odpor v paralelnej časti obvodu. To je dané 1 /R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Nezabudnite použiť prevrátenú hodnotu tohto číslaR!To je dané 1/0,89 = 1,13 Ω.
Teraz môžete s touto časťou obvodu zaobchádzať ako s jedným odporovým prvkom s odporom 0,89 Ω a celý problém je vyriešený ako so sériovým obvodom: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Takto môžete pre prúd vyriešiť ešte raz:V / Rtot= 9 V / 4,13 Ω =2,18 A.
3. Nakoniec, na základe zostavy v predchádzajúcom príklade, skombinujte rezistory 2-Ω a 1-Ω v paralelnom obvode, čím sa získajú dve sady paralelných obvodov, ktoré sú samy usporiadané do série. Aký je súčasný tok teraz?
Vyriešiť odpor nového paralelného obvodu: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Celkový odpor je teda 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Prúd v opätovne prepracovanom obvode je teda 9 V / 1,79 Ω =5,03 A.
Tieto príklady ilustrujú, že rozdelenie odporu na paralelné odpory zvyšuje množstvo prúdiaceho prúdu znížením celkového odporu, pretože napätie sa nemení.