תאוריית מעגל ה- DC

מה זה DC?

בבית הספר היסודי למדנו שהכל נוצר על ידי אטומים. זהו תוצר של שלושה חלקיקים: אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים. כפי שהשם מרמז על נויטרון אין כל מטען ואילו פרוטונים חיוביים ואלקטרונים שליליים.

באטום, פרוטונים אלקטרונים ונויטרונים נשארים יחד בתצורה יציבה, אך אם על ידי תהליך חיצוני כלשהו האלקטרונים מופרדים מהאטומים הם תמיד ירצו להתמקם במצב הקודם וכך זה ייצור משיכה כלפי פרוטונים. אם אנו משתמשים באלקטרונים החופשיים הללו ודוחפים אותו בתוך מוליך היוצר מעגל, האטרקציה הפוטנציאלית מייצרת את ההבדל הפוטנציאלי.

אם זרימת האלקטרון אינה משנה את דרכו ונמצאת בזרימות חד כיווניות או בתנועות בתוך מעגל זה נקרא כ- DC או זרם ישר. מתח DC הוא מקור המתח הקבוע.

במקרה של זרם ישר, הקוטביות לעולם לא תתהפך או תשתנה ביחס לזמן, ואילו זרימת הזרם יכולה להשתנות עם הזמן.

כמו במציאות, אין מצב מושלם. במקרה של המעגל שבו זורמים אלקטרונים חופשיים, זה גם נכון. אותם אלקטרונים חופשיים אינם זורמים באופן עצמאי, מכיוון שהחומרים המוליכים אינם מושלמים לתת לאלקטרונים לזרום בחופשיות. הוא אכן מתנגד לזרימת האלקטרון על ידי כלל מסוים של הגבלות. בנושא זה, כל מעגל אלקטרוניקה / חשמל מורכב משלושה כמויות בסיסיות בודדות הנקראות VI R.

• מתח (V)
• זרם (אני)
• והתנגדות (R)

שלושת הדברים הללו הם הכמויות הבסיסיות הבסיסיות המופיעות כמעט בכל המקרים כאשר אנו רואים או מתארים משהו או מייצרים משהו שקשור לחשמל או אלקטרוניקה. שניהם קשורים היטב אך הם ציינו שלושה דברים נפרדים ביסודות אלקטרוניים או חשמל.

מה זה זרם?

כאמור, אלקטרונים מופרדים חופשיים זורמים בתוך המעגלים; זרימת אלקטרונים זו (מטען) נקראת זרם. כאשר מקור מתח מוחל על פני מעגל, חלקיקי המטען השליליים זורמים ברציפות בקצב אחיד. זרם זה נמדד באמפר לפי יחידת SI ומסומן כ- I או i. לפי יחידה זו 1 אמפר הוא כמות החשמל המובלת בשנייה אחת. יחידת המטען הבסיסית היא קולומב.

1A הוא קולומב מטען אחד המובל במעגל או במוליך בשנייה אחת. אז הנוסחה היא

1A = 1 C / S

איפה, C מסומן כ coulomb ו- S הוא השני.

בתרחיש מעשי, האלקטרונים זורמים מהמקור השלילי למקור החיובי של אספקת החשמל, אך לצורך הבנה טובה יותר של מעגל מניח שזרימת הזרם המקובלת מניחה שהזרם זורם מהמסוף החיובי למסוף השלילי.

בתרשימים מסוימים של מעגלים נראה לעתים קרובות שמעטים החצים עם I או i מכוונים לזרם הזרמים, שהוא זרימת הזרם המקובלת. אנו נראה שימוש בזרם בלוח מתג הקיר כ- "מקסימום 10 אמפר מדורג" או במטען הטלפון "זרם הטעינה המרבי הוא 1 אמפר " וכו '.

הזרם משמש גם כקידומת עם תת מכפיל כמו אמפר קילו (10 ³ וולט), מילי אמפר (10 ^-3 A), מיקרו אמפר (10 ^-6 A), ננו-אמפר (10 ^-9 A) וכו '.

מה זה מתח?

מתח הוא ההפרש הפוטנציאלי בין שתי נקודות במעגל. הוא מודיע על האנרגיה הפוטנציאלית המאוחסנת כמטען חשמלי בנקודת אספקה ​​חשמלית. אנו יכולים לסמן או למדוד את הפרש המתח בין שתי נקודות בצמתים במעגל, בצומת וכו '.

ההבדל בין שתי נקודות הנקרא הפרש פוטנציאלי או ירידה במתח.

נפילת מתח זו או הפרש פוטנציאל נמדדים בוולט עם הסמל V או V. יותר מתח מציין יותר קיבולת ויותר אחיזה במטען.

כמתואר קודם מקור מתח קבוע נקרא מתח DC. אם המתח משתנה מעת לעת עם הזמן, זהו מתח זרם חילופין או זרם חילופין.

וולט אחד הוא בהגדרה צריכת האנרגיה של ג'אול אחד למטען חשמלי של קולומב אחד. היחסים הם כמתואר

V = פוטנציאל אנרגיה / מטען או 1V = 1 J / C

איפה, J מסומן כג'ול ו- C הוא קולומב.

ירידת מתח וולט אחת מתרחשת כאשר זרם של 1 אמפר זורם דרך התנגדות של 1 אוהם.

1V = 1A / 1R

כאשר A הוא אמפר ו- R הוא התנגדות באום.

מתח משמש גם כקידומת עם תת-מכפיל כמו קילוולט (10 ³ וולט), מיליוולט (10 ^-3 וולט), מיקרו וולט (10 ^-6 וולט), ננו וולט (10 ^-9 וולט) וכו 'מתח הוא גם מסומן כמתח שלילי כמו גם מתח חיובי.

מתח AC נמצא בדרך כלל בשקעים ביתיים. בהודו זה 220 וולט, בארה"ב זה 110 וולט וכו '. אנו יכולים לקבל מתח זרם על ידי המרת זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זה זה לזה או זה זה זה באמצעות סוללות, פנלים סולאריים, יחידות אספקת חשמל שונות וכן מטעי טלפון. אנו יכולים גם להמיר DC ל- AC באמצעות ממירים.

חשוב מאוד לזכור שמתח יכול להתקיים ללא זרם מכיוון שהוא הפרש המתח בין שתי נקודות או הפרש פוטנציאלי אך הזרם אינו יכול לזרום ללא הפרש מתח בין שתי נקודות.

מהי התנגדות?

כמו בעולם הזה, שום דבר אינו אידיאלי, לכל חומר יש מפרט מסוים העומד בפני זרימת האלקטרונים כאשר עובר ממנו. קיבולת ההתנגדות של חומר היא התנגדותו הנמדדת באום (Ω) או באומגה. זהה לזרם ולמתח, ההתנגדות כוללת גם קידומת לתת-מכפיל כמו קילו-אוהם (10 ³ Ω), מילי-אוהם (10 ^-3 Ω), מגה-אוהם (10 ⁶ Ω) וכו '. לא ניתן למדוד התנגדות בשלילה; זה רק ערך חיובי.

ההתנגדות מודיעה האם החומר ממנו עובר הזרם הוא מוליך טוב פירושו התנגדות נמוכה או שמוליך רע פירושו התנגדות גבוהה. 1 Ω הוא עמידות נמוכה מאוד בהשוואה ל- 1M Ω.

לכן, ישנם חומרים בעלי עמידות נמוכה מאוד והם מוליכים טובים לחשמל. כמו, נחושת, זהב, כסף, אלומיניום וכו '. מצד שני ישנם מספר חומרים בעלי עמידות גבוהה מאוד ולכן מוליך רע של חשמל כגון זכוכית, עץ, פלסטיק, ובשל יכולות עמידות גבוהות ומוליכות חשמל הם הם משמשים בעיקר למטרת בידוד כמבודד.

כמו כן, סוגים מיוחדים של חומרים משתמשים באופן נרחב באלקטרוניקה בזכות יכולותיהם המיוחדות להוביל חשמל בין מוליכים רעים וטובים. זה מוליכים למחצה, השם מרמז שהוא טבע, מוליך למחצה. טרנזיסטורים, דיודה, מעגלים משולבים מיוצרים באמצעות מוליכים למחצה. גרמניום וסיליקון הם חומרים מוליכים למחצה שנמצאים בשימוש נרחב במגזר זה.

כפי שנדון קודם ההתנגדות אינה יכולה להיות שלילית. אך להתנגדות שני קטעים מסוימים, האחד הוא במקטע ליניארי והשני הוא במקטע שאינו קו. אנו יכולים ליישם חישוב מתמטי ספציפי הקשור לגבול כדי לחשב את יכולת ההתנגדות של התנגדות ליניארית זו, לעומת זאת להתנגדות מפולחת לא ליניארית אין הגדרה נכונה או קשר בין מתח וזרימת זרם בין נגדים אלה.

חוק אוהם ויחסי VI:

ג'ורג 'סימון אוהם, aka Georg Ohm, הוא פיזיקאי גרמני מצא קשר פרופורציונאלי בין ירידת מתח, התנגדות וזרם. מערכת יחסים זו מכונה חוק אוהם.

בממצא שלו נאמר כי הזרם העובר דרך מוליך הוא ביחס ישר למתח שמעליו. אם נמיר ממצא זה להיווצרות מתמטית נראה זאת

זרם (אמפר) = מתח / התנגדות אני (אמפר) = V / R.

אם אנו מכירים אחד משני הערכים משלושת הישויות הללו, אנו יכולים למצוא את השלישי.

מהנוסחה שלעיל, אנו נמצא את שלוש הישויות, והנוסחה תהיה: -

מתח	V = I x R	התפוקה תהיה מתח בוולט (V)
נוֹכְחִי	אני = V / R	התפוקה תהיה זרם אמפר (A)
הִתנַגְדוּת	R = V / I	התפוקה תהיה התנגדות באום (Ω)

בואו נראה את ההבדל בין שלושת אלה באמצעות מעגלים שבהם העומס הוא התנגדות ו- Am-meter משמש למדידת זרם וולט-ווטר משמש למדידת המתח.

בתמונה שלעיל, מד זרם מחובר בסדרה ומספק את הזרם לעומס התנגדות, לעומת זאת מד וולט המחובר על פני המקור למדידת מתח.

חשוב לזכור כי מד זרם צריך להיות התנגדות 0 מכיוון שהוא אמור לספק התנגדות 0 על הזרם הזורם דרכו, וכדי שזה יקרה, מד זרם 0 אוהם אידיאלי מחובר בסדרה, אך מכיוון שמתח הוא ההבדל הפוטנציאלי. משני צמתים, מד המתח מחובר במקביל.

אם נשנה את הזרם של מקור המתח או את המתח של מקור המתח או את התנגדות העומס על פני המקור באופן קבוע ונמדוד את היחידות, נפיק את התוצאה למטה:

בגרף זה אם R = 1 אז הזרם והמתח יגדלו באופן פרופורציונלי. V = I x 1 או V = I. אז אם ההתנגדות קבועה אז המתח יגדל עם הזרם או להיפך.

מה זה כוח?

כוח נוצר או נצרך, במעגלים אלקטרוניים או חשמליים דירוג ההספק משמש כדי לספק מידע על כמה כוח המעגלים צורכים כדי להפיק ממנו תפוקה נכונה.

לפי כלל הטבע, לא ניתן להשמיד אנרגיה, אך ניתן להעביר אותה, כמו אנרגיה חשמלית שהוסבה לאנרגיה מכנית כאשר חשמל מופעל על פני מנוע, או אנרגיה חשמלית המומרת לחום כאשר היא מופעלת על דוד. לפיכך מחמם זקוק לאנרגיה, שהיא כוח, כדי לספק פיזור חום תקין, שהספק הוא הספק מדורג של התנור בהספק מרבי.

כוח מסומן בסמל W והוא נמדד ב- WATT.

הספק הוא הערך הכפול של המתח והזרם. כך, P = V x I

איפה, P הוא כוח ואט, V הוא מתח ו I הוא אמפר או זרימה נוכחית.

יש לזה גם קידומת משנה כמו קילו-ואט (10 ³ ואט), מילי-ואט (10 ^-3 ואט), מגה-ואט (10 ⁶ ואט) וכו '.

כחוק אוהם V = I x R וחוק הכוח הוא P = V x I, כך שנוכל להכניס את הערך של V לחוק הכוח באמצעות נוסחת V = I x R. ואז חוק הכוח יהיה

P = I * R * I או P = I ² R

על ידי סידור אותו דבר אנו יכולים למצוא דבר אחד לפחות כאשר דבר אחר אינו זמין, הנוסחאות מסודרות מחדש במטריצה ​​הבאה:

כך שכל קטע מורכב משלוש נוסחאות. בכל אחד מהמקרים אם ההתנגדות הפכה ל 0 אז הזרם יהיה אינסוף, זה נקרא מצב הקצר. אם המתח הפך ל 0 אז הזרם אינו קיים והספק יהיה 0, אם הזרם הפך ל 0 אז המעגל נמצא במצב מעגל פתוח שבו המתח קיים אך לא הזרם ולכן שוב הספק יהיה 0, אם הספק הוא 0 אז לא ייצרך או ייוצר כוח על ידי המעגלים.

תפיסת זרימת אלקטרונים

זרמים שוטפים לפי אטרקציות מטען. במציאות, מכיוון שאלקטרונים הם חלקיק שלילי והם זורמים מהמסוף השלילי למסוף החיובי של מקור הכוח. כך שבמעגלים בפועל, זרם אלקטרונים ממסוף שלילי למסוף החיובי, אך בזרימת זרם קונבנציונלית כפי שתיארנו קודם אנו מניחים שהזרם זורם ממסוף חיובי לשלילי. בתמונה הבאה נבין את זרימת הזרם בקלות רבה.

לא משנה מה הכיוון, זה לא משפיע על זרימת הזרם בתוך מעגלים, קל יותר להבין את זרימת הזרם המקובלת מחיובית לשלילית. זרימת זרם כיוון יחיד היא זרם זרם זרם ישר או זרם ישר ואשר מתחלפים בכיוונו הנקרא זרם חילופין או זרם חילופין.

דוגמאות מעשיות

בואו נראה שתי דוגמאות כדי להבין את הדברים טוב יותר.

1. במעגל זה, מקור 12V DC מחובר על פני עומס 2Ω, מחשבים את צריכת החשמל של המעגל?

במעגל זה, ההתנגדות הכוללת היא התנגדות עומס ולכן R = 2 ואספקת מתח הכניסה היא 12V DC ולכן ה- V = 12V. הזרימה הנוכחית במעגלים תהיה

I = V / R I = 12/2 = 6 אמפר

כמתח (W) = מתח (V) x אמפר (A) הספק הכולל יהיה 12 x 6 = 72 ואט.

אנו יכולים גם לחשב את הערך ללא אמפר.

חלש (W) = כוח = מתח ² / ההתנגדות Power = 12 ² /2 = 12 * 12/2 = 72 ואט

לא משנה מה הנוסחה שתשתמש בה, הפלט יהיה זהה.

2. במעגל זה צריכת החשמל הכוללת על פני העומס היא 30 וואט, אם נחבר אספקת DC 15V, כמה זרם נדרש?

במעגלים אלה ההתנגדות הכוללת אינה ידועה. מתח אספקת הקלט הוא 15V DC ולכן ה- V = 15V DC והכוח שזורם במעגלים הוא 30W, אז ה- P = 30W. הזרימה הנוכחית במעגלים תהיה

I = P / VI = 30/15 2 אמפר

לכן, כאשר אנו מפעילים את המעגל ב 30 וואט, אנו זקוקים למקור חשמל של 15 וולט DC המסוגל לספק 2 אמפר זרם DC ומעלה מכיוון שהמעגל דורש זרם של 2 אמפר.