כמעט כל מי שעסק בחשמלאים נאלץ לפתור את נושא החיבור המקביל והטורי של רכיבי מעגל. חלקם פותרים את הבעיות של חיבור מקבילי וסדרתי של מוליכים בשיטת ה"תקיעה", עבור רבים זר "חסינת אש" היא אקסיומה בלתי מוסברת, אך מוכרת. אף על פי כן, כל אלו ועוד שאלות דומות רבות נפתרות בקלות בשיטה שהוצעה ממש בתחילת המאה ה-19 על ידי הפיזיקאי הגרמני גאורג אוהם. החוקים שהתגלו על ידו עדיין בתוקף, וכמעט כולם יכולים להבין אותם.
תוֹכֶן
- כמויות חשמל בסיסיות של המעגל
- תלות הדדית של כמויות חשמל
-
מעגלי מוליכים מרובים
- חיבור מקביל של מוליכים
- חיבור טורי
- חיבור מעורב
- התשובה לבעיית זר עץ חג המולד
כמויות חשמל בסיסיות של המעגל
על מנת לגלות כיצד חיבור זה או אחר של מוליכים ישפיע על מאפייני המעגל, יש צורך לקבוע את הערכים המאפיינים כל מעגל חשמלי. להלן העיקריים שבהם:
- מתח חשמלי, לפי ההגדרה המדעית, הוא הבדל פוטנציאל
בין שתי נקודות של מעגל חשמלי. נמדד בוולט (V). בין המסופים של שקע ביתי, למשל, זה שווה ל-220 וולט, בסוללה מד המתח יראה 1.5 וולט, והמטען של הטאבלט או הסמארטפון שלך נותן 5 וולט. מתח יכול להיות מתחלף וקבוע, אבל במקרה שלנו הוא חסר משמעות. - זרם חשמלי הוא תנועה מסודרת של אלקטרונים במעגל חשמלי. האנלוגיה הקרובה ביותר היא זרימת המים בצינור. נמדד באמפר (A). אם המעגל אינו סגור, הזרם אינו יכול להתקיים.
- התנגדות חשמלית. הערך נמדד באוהם (אוהם) ומאפיין את יכולתו של מוליך או מעגל חשמלי להתנגד למעבר זרם חשמלי. אם נמשיך את האנלוגיה עם אינסטלציה, אז צינור חלק חדש יהיה מעט התנגדות, סתום עם חלודה וסיגים - גבוה.
- כוח חשמלי. ערך זה מאפיין את קצב ההמרה של אנרגיה חשמלית לכל אחר ונמדד בוואט (W). דוד של 1000 וואט ירתיח מים מהר יותר מדוד של מאה וואט, מנורה עוצמתית מאירה חזק יותר וכו'.
תלות הדדית של כמויות חשמל
עכשיו אתה צריך להחליט, שכן כל הערכים לעיל תלויים זה בזה. כללי התלות הם פשוטים ומתמצים בשתי נוסחאות בסיסיות:
- I = U / R.
- P = I * U.
כאן I הוא הזרם במעגל באמפר, U הוא המתח המסופק למעגל בוולט, R הוא ההתנגדות של המעגל באוהם, P הוא ההספק החשמלי של המעגל בוואטים.
נניח שאנו עוסקים במעגל חשמלי פשוט המורכב מספק כוח עם מתח U ומוליך עם התנגדות R (עומס).
מכיוון שהמעגל סגור, זרם I זורם דרכו. כמה גדול זה יהיה? בהתבסס על הנוסחה 1 לעיל, כדי לחשב אותה, עלינו לדעת את המתח שפותח על ידי ספק הכוח ואת התנגדות העומס. אם ניקח, למשל, מלחם עם התנגדות סליל של 100 אוהם ונחבר אותו לשקע תאורה 220 V, אז הזרם דרך המלחם יהיה:
220/100 = 2.2 א.
מה כוחו של מלחם זה? בוא נשתמש בנוסחה 2:
2.2 * 220 = 484 ואט.
מלחם טוב התברר, חזק, ככל הנראה בשתי ידיים. באותו אופן, הפעלה עם שתי הנוסחאות הללו והפיכתן, תוכל לגלות את הזרם דרך הספק ומתח, מתח על פני זרם והתנגדות וכו'. כמה, למשל, צורכת נורה של 60 וואט אצלך מנורת שולחן:
60/220 = 0.27 A או 270 mA.
התנגדות ספירלת המנורה בפעולה:
220 / 0.27 = 815 אוהם.
מעגלי מוליכים מרובים
כל המקרים שנדונו לעיל הם פשוטים - מקור אחד, עומס אחד. אבל בפועל, יכולים להיות כמה עומסים, והם גם מחוברים בדרכים שונות. ישנם שלושה סוגים של חיבור עומס:
- מַקְבִּיל.
- עִקבִי.
- מעורב.
חיבור מקביל של מוליכים
לנברשת 3 מנורות, כל אחת בהספק של 60 וואט. כמה נברשת צורכת? נכון, 180 וואט. ראשית, אנו מחשבים במהירות את הזרם דרך הנברשת:
180/220 = 0.818 א.
ואז ההתנגדות שלה:
220 / 0.818 = 269 אוהם.
לפני כן, חישבנו את ההתנגדות של מנורה אחת (815 אוהם) והזרם דרכה (270 mA). ההתנגדות של הנברשת התבררה כנמוכה פי שלושה, והזרם - פי שלושה. ועכשיו הגיע הזמן להסתכל על דיאגרמת מנורות שלוש הזרועות.
תרשים של נברשת עם שלוש מנורות
כל המנורות בו מחוברות במקביל ומחוברות לרשת. מסתבר שכאשר שלוש מנורות מחוברות במקביל, התנגדות העומס הכוללת ירדה פי שלושה? במקרה שלנו, כן, אבל זה פרטי - לכל המנורות יש את אותה התנגדות ועוצמה. אם לכל אחד מהעומסים יש התנגדות משלו, אז חלוקה פשוטה במספר העומסים אינה מספיקה כדי לחשב את הערך הכולל. אבל גם כאן יש מוצא - פשוט השתמש בנוסחה הזו:
1 / רטוט. = 1 / R1 + 1 / R2 +… 1 / Rn.
לנוחות השימוש, ניתן להמיר את הנוסחה בקלות:
רטוט. = (R1 * R2 *… Rn) / (R1 + R2 +… Rn).
כאן רטוט. - ההתנגדות הכוללת של המעגל כאשר העומס מחובר במקביל. R1… Rn - התנגדויות של כל עומס.
קל להבין מדוע הזרם גדל כשחיברת שלוש מנורות במקביל במקום אחת - אחרי הכל, זה תלוי במתח (הוא נשאר ללא שינוי) חלקי ההתנגדות (הוא ירד). ברור שההספק בחיבור מקביל יגדל ביחס לעלייה בזרם.
חיבור טורי
עכשיו הגיע הזמן להבין איך הפרמטרים של המעגל ישתנו אם המוליכים (במקרה שלנו, המנורות) מחוברים בסדרה.
עומס מחובר בסדרה
חישוב ההתנגדות בחיבור סדרתי של מוליכים הוא פשוט ביותר:
רטוט. = R1 + R2.
אותן שלוש מנורות של שישים וואט, מחוברות בסדרה, כבר יסתכמו ב-2445 אוהם (ראה. חישובים למעלה). מה יהיו ההשלכות של הגברת ההתנגדות של המעגל? על פי נוסחאות 1 ו-2, ברור למדי שההספק והזרם ירדו כאשר המוליכים מחוברים בסדרה. אבל למה כל המנורות דולקות עכשיו? זהו אחד המאפיינים המעניינים ביותר של שרשרת דייזי ונמצא בשימוש נרחב. בואו נסתכל על זר של שלוש מנורות המוכרות לנו, אבל מחוברות בסדרה.
חיבור סדרתי של שלוש מנורות בזר
המתח הכולל שהופעל על המעגל כולו נשאר 220 וולט. אבל זה התחלק בין כל אחת מהמנורות ביחס להתנגדות שלהן! מכיוון שיש לנו מנורות בעלות אותה הספק והתנגדות, המתח מתחלק שווה בשווה: U1 = U2 = U3 = U / 3. כלומר, מופעל כעת על כל אחת מהמנורות פי שלושה פחות מתח, וזו הסיבה שהן זוהרות כה עמום. קח יותר מנורות - הבהירות שלהן תרד עוד יותר. כיצד לחשב את מפל המתח על פני כל אחת מהמנורות אם לכולן יש התנגדויות שונות? לשם כך, מספיקות ארבע הנוסחאות שניתנו לעיל. אלגוריתם החישוב יהיה כדלקמן:
- מדוד את ההתנגדות של כל מנורה.
- חשב את ההתנגדות הכוללת של המעגל.
- בהתבסס על המתח וההתנגדות הכוללים, אתה מחשב את הזרם במעגל.
- בהתבסס על סך הזרם וההתנגדות של המנורות, אתה מחשב את מפל המתח על פני כל אחת מהן.
רוצה לגבש את הידע שלך? פתרו בעיה פשוטה מבלי להסתכל על התשובה בסוף:
לרשותכם 15 נורות מיניאטוריות מאותו סוג, המיועדות למתח של 13.5 וולט. האם אפשר להכין מהם זר עץ חג המולד, מחובר לשקע רגיל, ואם כן איך?
חיבור מעורב
עם חיבור מקבילי וטורי של מוליכים, אתה כמובן הבנת בקלות. אבל מה אם יש לך משהו כזה לפניך?
חיבור מעורב של מוליכים
כיצד לקבוע את ההתנגדות הכוללת של מעגל? כדי לעשות זאת, אתה צריך לפצל את המעגל למספר חלקים. הבנייה לעיל היא פשוטה למדי ויהיו שני חלקים - R1 ו- R2, R3. ראשית, אתה מחשב את ההתנגדות הכוללת של האלמנטים המחוברים במקביל R2, R3 ומוצא Rtot. 23. לאחר מכן חשב את ההתנגדות הכוללת של כל המעגל המורכב מ-R1 ו-Rtot.23 המחוברים בסדרה:
- Rtot. 23 = (R2 * R3) / (R2 + R3).
- Rchain = R1 + Rtotal 23.
הבעיה נפתרה, הכל מאוד פשוט. ועכשיו השאלה קצת יותר מסובכת.
חיבור מעורב מורכב של התנגדויות
איך להיות כאן? כמו כן, אתה רק צריך להראות קצת דמיון. נגדים R2, R4, R5 מחוברים בסדרה. אנו מחשבים את ההתנגדות הכוללת שלהם:
Rtot. 245 = R2 + R4 + R5.
כעת, במקביל ל-Rtotal. 245, חבר את R3:
Rtot.2345 = (R3 * Rtot.245) / (R3 + Rtot.245).
ובכן, אז הכל ברור, מכיוון שיש R1, R6 וה-Rtotal 2345 שמצאנו, מחוברים בסדרה:
Rchains = R1 + Rtotal 2345 + R6.
זה הכל!
התשובה לבעיית זר עץ חג המולד
למנורות מתח הפעלה של 13.5 וולט בלבד, ובשקע 220 וולט, ולכן יש לחבר אותן בטור.
מכיוון שהמנורות הן מאותו סוג, מתח החשמל יתחלק ביניהן שווה בשווה ועל כל נורה יהיה 220/15 = 14.6 V. המנורות מיועדות למתח של 13.5 וולט, לכן, למרות שזר כזה יעבוד, הוא ישרף מהר מאוד. כדי ליישם את הרעיון, אתה צריך מינימום של 220 / 13.5 = 17, או יותר טוב 18-19 נורות.
תכנית של זר עץ חג המולד של מנורות ליבון מיניאטוריות
