Електрична схема: визначення, типи, компоненти (з прикладами та схемами)

Електрична проводка у вашому домі, яка утримує ваш ноутбук, зарядний пристрій для телефону та менші інструменти, такі як холодильники та печі, гуде разом, складається з ряду взаємопов’язаних електричних ланцюгів. Вони підключені до будь-якого джерела живлення, яке постачає електроенергію до вашого будинку.

Призначення ланцюгів полягає в тому, щоб отримувати електроенергію та її значний енергетичний потенціал саме там, куди їй потрібно йти, та утримувати потенційно шкідливий вплив електрики в процесі.

Що відбувається всередині всіх тих проводів, які самі здебільшого поза вашим оком? Для початку основи вільні електрони рухатимуться в присутності електричного поля з фізичних причин, які будуть описані далі. Якщо їм надано замкнутий контур, по якому тече, можна створити електричну ланцюг.

Проста схема складається лише з джерела напруги (різниця електричного потенціалу); середовище, через яке можуть протікати електрони, зазвичай це дріт; і деяке джерело електричного опору в ланцюзі. Більшість прикладів у реальному світі набагато складніші, проте існує безліч типів електричних ланцюгів, котрі всі є життєво важливими для ефективного потоку електроенергії.

Основними концептуальними елементами у світі електрики є струм, напруга та опір. Перш ніж досліджувати їх, необхідно зазирнути трохи глибше, повернувшись до ідеї вільних електронів. Електрон за домовленістю несе негативний заряд з величиною 1,60 × 10^-19 кулони, або C. Оскільки саме потік електронів визначає струм, заряди в ланцюзі відтікають від мінусової клеми в напрямку позитивної клеми.

"Одиничний заряд" у фізиці стандартизований як позитивний і має ту саму величину, що і зарядeна електрон. Позитивний заряд, розміщений поблизу позитивного терміналу, відчує "відштовхування" і "хоче" відійти від терміналу, тим сильніше, що відстань закривається до нуля. У цьому стані заряд має вищий електричний потенціал, ніж на деякій відстані.

Таким чином, "заряд" (мається на увазі "позитивний", якщо не вказано інше) перетікає з областей з вищою напругою в області з нижчою напругою. Це різниця потенціалів або напруга, про яку йде мова у фізиці, і її величина частково визначає потік струму в ланцюзі. Електричний струм надходить у змінний струм ("тремтіння", фазовий потік) і постійний струм (рівномірний потік); остання є сучасним стандартом, що використовується в електромережах.

• Потік струму вимірюється за допомогою приладу, який називаєтьсяамперметр. Один і той же пристрій зазвичай можна використовувати яквольтметрдля вимірювання різниці потенціалів.

Попередній розділ може бути здебільшого узагальнений простим математичним законом, який називається законом Ома:

деЯє поточним вампер(C / s), V - напруга або різниця потенціалів, дюймвольт(джоулі на C, або J / C; зверніть увагу на енергетичний доданок у знаменнику) таР.- опір вОм​ (Ω).

У послідовному ланцюзі опори окремихрезисторискладаються разом для обчислення опору ланцюга в цілому. У паралельних схемах, про які ви скоро прочитаєте, діє правило:

деР.₁, Р₂і так далі - це індивідуальні значенняпрезистори в паралельній схемі.

Схема - це замкнутий контур, по якому протікає електричний заряд в результаті рушійної напруги. Струм - це швидкість потоку, виміряна як величина заряду, що проходить задану точку в ланцюзі за одиницю часу.

Іноді корисно думати про струм в дротяному колі як про аналог води, що протікає по трубах. Вода буде надходити з регіонів з високим потенціалом енергії в регіони з нижчим потенціалом енергії. Деякому джерелу тоді потрібно буде використовувати енергію, щоб підняти воду вгору, щоб вона стікала вниз. Для того, щоб мати безперервний потік води, як тільки вода досягне дна, її потрібно підняти назад до верху.Ця дія підняття води назад до верху - це, по суті, те, що робить акумулятор або джерело живлення в електричному колі.​

Мета схеми - зробити щось корисне з цим потоком заряду. Всі контури містять якийсь резистивний елемент, який уповільнює потік заряду, так само, як дамба уповільнює потік води з водойми. Наприклад, якщо до ланцюга додати лампочку, це сповільнює потік заряду і перетворює відповідну енергію у світло.

Часто корисно скласти схему схеми, якщо вам дано якусь комбінаціюV, IіР.і попросив вирішити для невідомої кількості. Для цього використовуйте набір символів, щоб спростити ескіз.

•••Дана Чен | Наукове

Потім ці символи з'єднують прямими лініями для створення принципової схеми.

•••Дана Чен | Наукове

Aпослідовний ланцюгмає елементи, з’єднані послідовно або один за одним без розгалуження дроту. Струм, що протікає через усі послідовно з'єднані елементи, однаковий, незалежно від того, скільки резисторів зустрічається на цьому шляху.

Aпаралельний контурмає паралельно з'єднані елементи - тобто одну точку в гілках ланцюга, з проводами, що йдуть до двох різних елементів, а потім гілки знову з'єднуються.Напруга на кожному паралельно з'єднаному елементі однакова.​

Анобрив ланцюгаце той, в якому не може протікати струм, оскільки в певний момент петля обривається. Aзамкнутий контурце той, в якому формується повний контур і може протікати струм. Очевидно, що останній, як правило, є більш цікавим для вивчення.

Aкоротке замиканняце той, при якому резистивні елементи обходять, а струм дуже великий. Це, як правило, небажано, і пристрої, які називаються автоматичними вимикачами, встановлюються в ланцюгах для "розриву" (розмикання) ланцюга та зупинки струму струму для захисту від пошкодження ланцюга та електричних приладів та для захисту від пожежі.

1. Серійна схема включає джерело живлення 9 В (у цьому випадку акумулятор) та чотири резистори зі значеннями опору 1,5, 4,5, 2 та 1 Ом. Який поточний потік?

Спочатку розрахуйте загальний опір. Згадавши правило, подане в попередньому розділі, це просто 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ом. Таким чином, струм потоку становить

2. Тепер уявіть ту саму напругу та чотири резистори, але з паралельно розміщеними резисторами 1,5 Ом та 4,5 Ом, а інші розташовані так само, як і раніше. Який поточний потік?

Цього разу обчисліть опір у паралельній частині ланцюга. Це дано 1 /Р.​ = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. ​Не забудьте взяти зворотне значення цього числа, щоб отриматиР.​!Це визначається як 1 / 0,89 = 1,13 Ом.

Тепер ви можете розглядати цю частину схеми як єдиний резистивний елемент з опором 0,89 Ом, і вся проблема вирішена як із послідовною схемою: R_тот = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Це дозволяє ще раз визначити поточний:V / R_тот= 9 В / 4,13 Ом =2.18 А​.

3. Нарешті, спираючись на налаштування в попередньому прикладі, об’єднайте 2-Ом і 1-Ом резистори в паралельній схемі, отримуючи два набори паралельних ланцюгів, які самі розташовані послідовно. Який поточний потік зараз?

Вирішити опір нового паралельного контуру: 1 /Р.= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ом. Таким чином, загальний опір становить 1,13 + 0,67 = 1,79 Ом. Таким чином, сила струму в знову оновленому ланцюзі становить 9 В / 1,79 Ом =5,03 А​.

Ці приклади ілюструють, що розподіл опору по паралельних резисторах збільшує кількість струму, що протікає, зменшуючи загальний опір, оскільки напруга не змінюється.