การเดินสายไฟฟ้าในบ้านของคุณที่ช่วยให้แล็ปท็อป ที่ชาร์จโทรศัพท์ และเครื่องมืออื่นๆ เช่น ตู้เย็นและเตามีเสียงดังอยู่เสมอ ประกอบด้วยวงจรไฟฟ้าที่เชื่อมต่อถึงกันจำนวนหนึ่ง สิ่งเหล่านี้เชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานใดก็ตามที่จ่ายไฟฟ้าให้กับบ้านของคุณ
วัตถุประสงค์ของวงจรคือเพื่อให้ได้กระแสไฟฟ้าและศักยภาพของพลังงานที่มากพอในที่ที่ต้องการ และเพื่อควบคุมผลกระทบที่อาจเป็นอันตรายของไฟฟ้าในกระบวนการ
เกิดอะไรขึ้นภายในสายไฟเหล่านั้น ซึ่งส่วนใหญ่แล้วคุณมองไม่เห็น เริ่มต้นด้วยพื้นฐาน อิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่ในที่ที่มีสนามไฟฟ้า ด้วยเหตุผลทางกายภาพซึ่งจะอธิบายในภายหลัง หากได้รับเส้นทางวงปิดที่จะไหลสามารถสร้างวงจรไฟฟ้าได้
วงจรอย่างง่ายประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น (ความต่างศักย์ไฟฟ้า); สื่อที่อิเล็กตรอนสามารถไหลได้ มักจะเป็นลวด และแหล่งกำเนิดความต้านทานไฟฟ้าบางส่วนในวงจร ตัวอย่างในโลกแห่งความเป็นจริงส่วนใหญ่นั้นซับซ้อนกว่ามาก อย่างไรก็ตาม มีวงจรไฟฟ้าหลายประเภท ซึ่งทั้งหมดนี้มีความสำคัญต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ
ประจุไฟฟ้าและกระแสไฟ
องค์ประกอบทางแนวคิดพื้นฐานในโลกของไฟฟ้าคือกระแส แรงดัน และความต้านทาน ก่อนที่จะสำรวจสิ่งเหล่านี้ จำเป็นต้องมองให้ลึกขึ้นเล็กน้อย ย้อนกลับไปที่แนวคิดเรื่องอิเล็กตรอนอิสระ อิเล็กตรอนโดยอนุสัญญามีประจุลบที่มีขนาด 1.60 × 10
"ประจุต่อหน่วย" ในฟิสิกส์นั้นเป็นมาตรฐานที่เป็นบวกและมีขนาดเท่ากับประจุอีบนอิเล็กตรอน ประจุบวกที่วางอยู่ใกล้ขั้วบวกจะพบกับ "แรงผลัก" และ "ต้องการ" เพื่อเคลื่อนออกจากขั้ว ยิ่งแรงขึ้นเมื่อระยะห่างใกล้ศูนย์ ในสถานะนี้ ประจุมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าที่จะเกิดขึ้นในระยะที่ไกลออกไป
ดังนั้น "ประจุ" ("ประจุบวก" ที่ถูกบอกเป็นนัย เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น) จะไหลจากบริเวณที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า นี่คือความต่างศักย์หรือแรงดันไฟที่อ้างถึงในวิชาฟิสิกส์ และขนาดของมันส่วนหนึ่งเป็นตัวกำหนดกระแสในวงจร กระแสไฟฟ้ามาในกระแสสลับ ("กระวนกระวายใจ" การไหลแบบเฟสิก) และรูปแบบกระแสตรง (กระแสสม่ำเสมอ) หลังเป็นมาตรฐานที่ทันสมัยในการใช้งานในโครงข่ายไฟฟ้า
- กระแสไฟวัดโดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า anแอมมิเตอร์. ปกติเครื่องเดียวกันก็ใช้เป็น a. ได้โวลต์มิเตอร์เพื่อวัดความต่างศักย์
กฎของโอห์ม
ส่วนก่อนหน้านี้สามารถสรุปได้เป็นส่วนใหญ่โดยกฎทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายที่เรียกว่ากฎของโอห์ม:
ผม=\frac{V}{R}
ที่ไหนผมเป็นปัจจุบันในแอมแปร์(C/s), V คือแรงดันไฟหรือความต่างศักย์ไฟฟ้า inโวลต์(จูลต่อ C หรือ J/C; สังเกตเทอมพลังงานในตัวส่วน) และRเป็นแนวต้านในโอห์ม (Ω).
ในวงจรอนุกรม ความต้านทานของปัจเจกตัวต้านทานมารวมกันเพื่อคำนวณความต้านทานของวงจรโดยรวม ในวงจรคู่ขนาน ซึ่งคุณจะได้อ่านเร็วๆ นี้ กฎคือ:
\frac{1}{R_{tot}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+...+\frac{1}{R_n}
ที่ไหนR1, R2และค่านิยมส่วนบุคคลของนตัวต้านทานในวงจรขนาน
ความหมายของวงจร
วงจรคือวงปิดซึ่งประจุไฟฟ้าไหลผ่านแรงดันไฟที่ขับออกมา กระแสคืออัตราการไหล ซึ่งวัดจากปริมาณประจุที่ผ่านจุดที่กำหนดในวงจรต่อหน่วยเวลา
บางครั้งการนึกถึงกระแสในวงจรลวดก็มีประโยชน์เช่นเดียวกับน้ำที่ไหลผ่านท่อ น้ำจะไหลจากบริเวณที่มีพลังงานศักย์สูงไปยังบริเวณที่มีพลังงานศักย์ต่ำ แหล่งบางแห่งจะต้องใช้พลังงานในการยกน้ำขึ้นเพื่อให้น้ำไหลลงเนิน เพื่อให้น้ำไหลได้อย่างต่อเนื่อง เมื่อน้ำถึงก้นบึ้งแล้ว จะต้องยกกลับขึ้นไปด้านบนการยกน้ำขึ้นด้านบนนี้เป็นสิ่งที่แบตเตอรี่หรือแหล่งพลังงานทำในวงจรไฟฟ้า
เป้าหมายของวงจรคือการทำสิ่งที่มีประโยชน์กับการไหลของประจุนี้ วงจรทั้งหมดมีองค์ประกอบต้านทานบางประเภทที่ชะลอการไหลของประจุ เช่นเดียวกับเขื่อนชะลอการไหลของน้ำจากอ่างเก็บน้ำ หากมีการเพิ่มหลอดไฟเข้าไปในวงจร เช่น จะทำให้การไหลของประจุช้าลงและเปลี่ยนพลังงานที่เกี่ยวข้องให้เป็นแสง
แผนภาพวงจรและองค์ประกอบวงจร
มักจะเป็นประโยชน์ในการร่างไดอะแกรมของวงจรหากคุณได้รับวี ฉันและRและขอให้แก้หาปริมาณที่ไม่ทราบ ในการทำเช่นนั้น ให้ใช้ชุดสัญลักษณ์เพื่อทำให้แบบร่างง่ายขึ้น
•••ดาน่า เฉิน | วิทยาศาสตร์
จากนั้นสัญลักษณ์เหล่านี้จะเชื่อมต่อกับเส้นตรงเพื่อสร้างแผนภาพวงจร
•••ดาน่า เฉิน | วิทยาศาสตร์
ประเภทของวงจร
อาวงจรอนุกรมมีองค์ประกอบที่เชื่อมต่อกันเป็นชุดหรือต่อกันโดยไม่มีการแตกกิ่งก้านลวด กระแสที่ไหลผ่านองค์ประกอบทั้งหมดที่เชื่อมต่อเป็นอนุกรมจะเท่ากัน ไม่ว่าจะพบตัวต้านทานกี่ตัวตลอดทาง
อาวงจรขนานมีองค์ประกอบที่เชื่อมต่อแบบขนาน นั่นคือ จุดหนึ่งในกิ่งของวงจร โดยที่สายไฟไปยังองค์ประกอบที่แตกต่างกันสองส่วน จากนั้นกิ่งจะกลับมารวมกันอีกครั้งแรงดันไฟฟ้าข้ามแต่ละองค์ประกอบที่เชื่อมต่อแบบขนานจะเท่ากัน
อันวงจรเปิดเป็นกระแสที่กระแสไหลไม่ได้เพราะวงขาดในบางจุด อาวงจรปิดเป็นวงหนึ่งที่เกิดวงจรสมบูรณ์ขึ้นและกระแสสามารถไหลได้ เห็นได้ชัดว่าหลังมีแนวโน้มที่จะศึกษามากขึ้น
อาไฟฟ้าลัดวงจรเป็นองค์ประกอบหนึ่งที่องค์ประกอบต้านทานถูกบายพาสและกระแสไหลสูงมาก สิ่งเหล่านี้มักไม่พึงปรารถนา และอุปกรณ์ที่เรียกว่าเซอร์กิตเบรกเกอร์ถูกติดตั้งในวงจรเพื่อ "แตก" (เปิด) วงจรและหยุดกระแสไฟเพื่อป้องกันความเสียหายต่อวงจรและเครื่องใช้ไฟฟ้า และเพื่อป้องกัน ไฟไหม้
ตัวอย่างวงจรไฟฟ้า
1. วงจรอนุกรมประกอบด้วยแหล่งพลังงาน 9-V (ในกรณีนี้คือแบตเตอรี่) และตัวต้านทานสี่ตัวที่มีค่าความต้านทาน 1.5, 4.5, 2 และ 1 Ω กระแสคืออะไร?
ขั้นแรก คำนวณแนวต้านทั้งหมด เมื่อระลึกถึงกฎที่กำหนดไว้ในส่วนก่อนหน้า นี่เป็นเพียง 1.5 + 4.5 + 2 + 1 = 9 Ω ดังนั้นกระแสคือ
I=\frac{V}{R_{tot}}=\frac{9}{9}=1\text{ A}
2. ตอนนี้ลองนึกภาพแรงดันไฟฟ้าและตัวต้านทานสี่ตัวที่เท่ากัน แต่ด้วยตัวต้านทาน 1.5-Ω และ 4.5-Ω ที่วางขนานกันและตัวอื่น ๆ จัดเรียงเหมือนเมื่อก่อน กระแสคืออะไร?
คราวนี้คำนวณความต้านทานในส่วนขนานของวงจร นี้ได้รับจาก 1/R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. อย่าลืมนำส่วนกลับของตัวเลขนี้เพื่อรับR!นี้ได้รับโดย 1/0.89 = 1.13 Ω
ตอนนี้คุณสามารถถือว่าส่วนนี้ของวงจรเป็นองค์ประกอบความต้านทานเดี่ยวที่มีความต้านทาน 0.89 Ω และปัญหาทั้งหมดได้รับการแก้ไขเช่นเดียวกับวงจรอนุกรม: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. วิธีนี้ช่วยให้คุณแก้ปัญหาปัจจุบันได้อีกครั้ง:วี/อาร์tot= 9 V/4.13 Ω =2.18 A.
3. สุดท้าย การสร้างจากการตั้งค่าในตัวอย่างก่อนหน้านี้ รวมตัวต้านทาน 2-Ω และ 1-Ω เข้าด้วยกันในวงจรคู่ขนาน ทำให้ได้วงจรขนานสองชุดที่เรียงตัวกันเป็นอนุกรม กระแสตอนนี้เป็นอย่างไร?
หาค่าความต้านทานของวงจรขนานใหม่: 1/R= 1/1 + 1/2 = 1.5; R = 2/3 = 0.67 Ω ความต้านทานรวมเท่ากับ 1.13 + 0.67 = 1.79 Ω กระแสในวงจรที่ปรับปรุงใหม่จึงเท่ากับ 9 V/1.79 Ω =5.03 A.
ตัวอย่างเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการกระจายความต้านทานผ่านตัวต้านทานแบบขนานจะเพิ่มปริมาณกระแสไหลโดยการลดความต้านทานทั้งหมดลง เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าไม่เปลี่ยนแปลง