Схема - це сукупність елементів, що дозволяють встановити електричний струм. Загалом можна знайти наступні п’ять типів елементів (які будуть детально розглянуті далі):
Схема або компонент, як кажуть, є зачинено коли він дозволяє струму текти, і що він є відкрив у випадку, якщо це не дозволяє.
Прямий і змінний струм
Ми говоримо, що струм безперервний, коли рух електронів завжди відбувається в одному напрямку. Цей струм використовується в малих ланцюгах, наприклад, в побутовій електроніці. Однак для установок великої потужності використовується інший тип струму, при якому рух електронів є зворотно-поступальним рухом, який називається змінним струмом.
Для розрахунку струму, що протікає по ланцюгу з генератором напруги V і приймачем опору R, можна безпосередньо застосувати закон Ома, який має:
f.e.m. = 9В: Генератор видає електронам енергію 9В.
Падіння напруги = 9В: У опорі електрони витрачають енергію 9В.
Застосовуючи закон Ома про опір:
I = V/R = e/R = 9V/3Ω = 3A
Коли кілька приймачів з'єднані таким чином, що струм повинен протікати один за іншим, кажуть, що вони підключені серійно. Напруга акумулятора витрачається між двома резисторами, і частина енергії, яка втрачається в кожному з них, є тим, що ми назвали падінням напруги.
Щоб виконати розрахунки в цих ланцюгах, ми почнемо з того, що опір, який повинен подолати генератор, є сумою всіх опорів приймачів. Так можна розрахувати струм, що протікає по ланцюгу.
І розраховується інтенсивність, яка циркулює по ланцюгу:
I = V/R = 10V/5Ω = 2A
Потім розраховується падіння напруги, застосовуючи закон Ома до кожного резистора:
Для першого опору:
e 1 = I R 1 = 2A 3Ω = 6V
Для другого опору:
e 2 = I R 2 = 2A 2Ω = 4V
Розрахунок завершується (на даний момент) заповненням напрямку струму, зазначенням його значення та відзначенням падіння напруги. Тобто наступним чином:
Інший основний спосіб підключення приймачів називається підключенням паралельно, і полягає в тому, що струм повинен відокремитися в одній точці, щоб пройти через всі рецептори, а потім знову з’єднатися в іншій точці.
У цьому випадку слід зазначити, що кожен з резисторів пропускає різний струм, але однакова напруга використовується у всіх. Тому інтенсивність, яка проходить через кожну з них, можна розрахувати простим способом.
Інтенсивність, яка проходить
опір 1 становить:
I 1 = V/R 1 = 12В/6Ом = 2А
Інтенсивність, яка проходить
опір 2 становить:
I 2 = V/R 2 = 12 В/4 Ом = 3 А
і генератор повинен рухати інтенсивність:
I ВСЬОГО = I 1 + I 2 = 2A + 3A = 5A
Ця інтенсивність дуже висока, ніби генератор був підключений до приймача з дуже низьким опором. Опір, еквівалентний паралельному монтажу, завжди менший за всі резистори і обчислюється з наступним виразом:
Поєднання приймачів послідовно і паралельно призводить до змішані зв’язки що може дуже ускладнитися. Для вирішення цих схем еквівалентні опори кожного типу асоціації повинні бути спрощені до досягнення єдиного загального опору, еквівалентного всій вихідній збірці:
Струм, який рухає генератор, обчислюється, а потім він повертається назад через усі етапи, обчислюючи струми та падіння напруги в кожному опорі.
Останній розрахунок полягає в отриманні потужності, яку генерує стек, і потужності, яку споживають всі резистори, які обчислюються за виразами:
- Для генератора: P = VI
- Для опорів: P = eI = (IR) I = I 2R
Цей останній вираз являє собою закон Джоуля, який обчислює теплову енергію, що виділяється ідеальним опором величини R, через який проходить інтенсивність I (це можливо, оскільки ефективність ідеального опору становить 100%, а отже споживана потужність така ж, як що випустили).
На практиці спрощені схеми резисторів, розглянуті вище, набагато менш численні, ніж складні схеми, які, як правило, містять кілька різних шляхів для електричного струму, і кожна з них називається відділення. Викликаються точки з'єднання гілок вузли. Струм, який проходить через кожну гілку, називається струмом гілки.
Ім'я сітка до замкнутого кола, що складається з послідовності гілок, які проходять, не проходячи його двічі, починаючи від вузла і повертаючись до нього. Ці складні схеми часто називають мереж.
Якщо припустити стаціонарний режим роботи, інтенсивність струму в кожній гілці має конкретне та унікальне значення. Ми повинні шукати систему рівнянь, яка дозволяє нам розрахувати значення інтенсивностей, тобто мати стільки незалежних рівнянь, скільки гілок (n гілок => n рівнянь).
Процес починається із присвоєння значення кожній з інтенсивностей. Для зручності цей сенс зазвичай вибирають таким чином, щоб він відповідав напрузі різних генераторів у кожній гілці.
Далі шукаються рівняння, які встановлені із законів, проголошених німецьким фізиком Густавом Робертом Кірхгоффом (1824-1887), викладених наступним чином:
ПЕРШИЙ ЗАКОН КІРХХОФФА: Закон Вузлів
Алгебраїчна сума інтенсивностей струмів, що надходять і залишають вузол, дорівнює нулю. Інтенсивності підраховуються позитивно, коли струм спрямований до вузла, і негативно, коли він віддаляється від нього.
З першим законом ми отримуємо стільки рівнянь, скільки кількість вузлів у мережі має мінус один (що є лінійною комбінацією решти).
Другий закон Кірхоффа: Закон сіток
У будь-якій сітці мережі сума напруг генераторів, яка може бути emf (електрорушійна сила, позитивна) або fcem (контрелектрорушійна сила, негативна), дорівнює сумі падінь напруги в резисторах.
За цим другим законом ми отримуємо стільки рівнянь, скільки є сіток мережі, і для аналізу сітки та отримання рівняння ми приймаємо довільний напрямок відстеження (зазвичай це напрямок за годинниковою стрілкою).
Далі додаються напруги генераторів, які вигідні для наступного напрямку, і віднімаються напруги генераторів, які протиставляються наступному напрямку. Це записано в першому члені рівняння.
Потім додаються перепади напруги струмів, що знаходяться в тому ж напрямку, що і напрямок відстеження, і віднімаються падіння напруги струмів, які проти напрямку відстеження. І це становить другий член рівняння.
Коли ми маємо всі рівняння, система вирішується відповідним методом (наприклад, методом Гауса), а потім результати аналізуються. Якщо будь-яке значення інтенсивності є негативним, це лише вказує на те, що інтенсивність протилежна тому, що ми припустили.
Як і у випадку спрощених схем, останній розрахунок полягає в отриманні потужності, яку генерують або споживають генератори, і потужності, яку споживають всі резистори, яка обчислюється за виразами:
- Для генераторів: P = VI
- Для резисторів: P = I 2 R