Қарапайым электр тізбегі
Қарапайым электр тізбегі: құрылымы және жұмысы
Қарапайым электр тізбегі үш негізгі бөліктен тұрады: электр энергиясының көзі E, энергия тұтынушы T, сондай-ақ оларды байланыстыратын екі өткізгіш жалғастырушы сым C1 және C2.
Жалғастырушы сымдар энергия көзіне оң және теріс полюстер деп аталатын екі қысқыш арқылы қосылады. Энергия көзі механикалық, химиялық, жылулық және басқа да энергия түрлерін электр энергиясына түрлендіреді. Ал тұтынушыда электр энергиясы қайтадан басқа түрлерге — механикалық, жылулық, химиялық, жарық және т.б. — айналады.
Энергия көздері
- Генераторлар (механикалық қозғалтқыштармен қозғалысқа келетін электр машиналары)
- Аккумуляторлар
- Гальваникалық элементтер
Электр тұтынушылары
- Жарықтандырғыш шамдар
- Электр қозғалтқыштары
- Электрқыздырғыш аспаптар
Гальваникалық элементтер мен аккумуляторлар тәжірибеде көбіне тізбектей немесе параллель жалғастырылып, тиісінше гальваникалық элементтер батареясын немесе аккумулятор батареясын құрайды.
Ток, тұйық тізбек және бағытталған қозғалыс
Энергия көзі өткізгіш сымдар арқылы тұтынушымен қосылғанда тұйықталған электр тізбегі пайда болады. Тұйық тізбекте зарядтардың үздіксіз қозғалысы қалыптасады — бұл электр тогы деп аталады.
Металл өткізгіштеріндегі тұрақты ток — еркін электрондардың тұйық тізбек бойымен бағытталған қозғалысы. Схемаларда ток пен кернеудің оң бағыттары шартты түрде плюстен минуске қарай бағытталған нұсқамалармен белгіленеді.
Негізгі ой
Тұйық тізбектегі ток энергия көзінің электр қозғаушы күші (ЭҚК) әсерінен ағады.
ЭҚК және кернеу: айырмашылығы неде?
Тізбек ажыратылғанда (яғни ток жоқ кезде) де энергия көзінде ЭҚК сақталады. Ток жоқ кезде ЭҚК энергия көзінің қысқыштарындағы потенциалдар айырымына тең болады. Потенциалдар айырымы сияқты ЭҚК те вольтпен өлшенеді.
ЭҚК энергия көзінің қысқыштарындағы потенциалдар айырымын әрі тұйықталған тізбекте, әрі ажыратылған күйде белгілі бір деңгейде ұстап тұруға “ұмтылады”. Тұйық тізбекте токтың үздіксіз ағуы үшін энергия көзі ішінде зарядтардың қозғалысы электр өрісінің күшіне қарама-қарсы бағытталуы қажет. Мұндай қозғалыс сыртқы (электрлік емес) күштердің әсерінен жүзеге асады.
ЭҚК-ті қалай тексереді?
ЭҚК бар екенін тексеру үшін энергия көзінің полюстеріне жалғастырушы сымдардың орнына вольтметр қосады. Сол кезде вольтметрдің тілшесі белгілі бір мәнге ауытқиды: ЭҚК үлкен болған сайын ауытқу да көбірек болады.
Вольтметр нені көрсетеді?
Вольтметр ЭҚК-ті тікелей емес, ток көзінің қысқыштарындағы кернеуді көрсетеді. Кернеу де вольтпен өлшенеді, ірі мәндер үшін киловольт және мегавольт қолданылады.
Электр кедергісі және резисторлар
Кез келген өткізгіште зарядтардың бағытталған қозғалысына оның молекулалары мен атомдары кедергі жасайды. Сондықтан токтың өтуіне тек сыртқы тізбек қана емес, энергия көзінің өзі де (оның ішкі бөліктері) белгілі бір деңгейде кедергі туғызады. Электр тізбегінің ток өтуіне қарсы әрекеті электр кедергісі деп аталады.
Белгіленуі және өлшем бірлігі
Электр кедергісі R әрпімен белгіленеді. Кедергінің өлшем бірлігі — Ом. Егер өткізгіш ұштарындағы тұрақты потенциал айырымы 1 В болып, одан 1 А ток өтсе, онда оның кедергісі 1 Ом болады.
Үлкен кедергілер үшін Омнан 1000 есе үлкен кОм және 1 000 000 есе үлкен МОм бірліктері қолданылады.
Электр тізбегіне қосылатын және кедергісі бар құрылғылар резисторлар деп аталады. Тұйық тізбекте энергия көзі электр энергиясын сыртқы және ішкі тізбектердің кедергілерін “жеңуге” жұмсайды.
Кедергі неге тәуелді?
Өткізгіштің кедергісі оның материалына, ұзындығына және көлденең қимасының ауданына тәуелді. Бір материалдан жасалған, қималары бірдей екі өткізгішті салыстырсақ, ұзындау өткізгіштің кедергісі үлкен болады. Ал қимасының ауданы үлкен болған сайын кедергі азаяды.
Меншікті кедергі
Материал қасиетін бағалау үшін меншікті кедергі қолданылады: ұзындығы 1 м, көлденең қима ауданы 1 мм² өткізгіштің кедергісі.
Температура әсері
Өткізгіштердің кедергісі температураға тәуелді болады, сондықтан кей жағдайларда қызу кедергіні едәуір өзгертеді.
Реостат
Реттелетін кедергілер реостаттар деп аталады. Олар үлкен меншікті кедергісі бар сымдардан (мысалы, нихром) жасалады және кедергісі біркелкі немесе сатылап өзгеруі мүмкін.
Өткізгіштік
Өткізгіштің электр тогын өткізу қабілеті өткізгіштікпен сипатталады; оның мәні кедергіге кері пропорционал. Ал материалдың меншікті кедергісіне кері шама меншікті өткізгіштік деп аталады.
Күрделі тізбектер: Кирхгоф заңдары
Электр тізбектерін есептеуде Ом заңымен бірге Кирхгофтың екі заңы кеңінен қолданылады. Бұл заңдар энергияның сақталу қағидасына негізделеді және әртүрлі күрделі тізбектерді есептеуге мүмкіндік береді.
Түйін
Түйін — үш немесе одан да көп тармақтардың түйісетін нүктесі.
Тармақ
Тармақ — екі түйінді қосатын тізбек бөлігі. Екі түйін арасында бірнеше тармақ болуы мүмкін; әр тармақ бойымен, әдетте, бір ғана ток ағады.
Контур
Контур — схеманың тұйықталған бөлігі. Ол бірізді жалғасқан бірнеше тармақтардан тұруы мүмкін.
Кирхгофтың бірінші заңы (түйін үшін)
Түйіндегі токтардың алгебралық қосындысы 0-ге тең. Басқаша айтқанда, түйінге келетін токтардың қосындысы түйіннен шығатын токтардың қосындысына тең. Бұл қағида токтың үздіксіздігіне негізделеді.
Кирхгофтың екінші заңы (контур үшін)
Тұйық контур бойындағы кернеулердің (және ЭҚК-тердің) алгебралық қосындысы 0-ге тең. Қосылғыштардың таңбасы контурды айналу бағытына қатысты бағыттардың сәйкестігіне байланысты: бағыттас болса — оң, қарсы болса — теріс таңбамен алынады.
Есептеуге дайындық
- Әр тармақтағы токтың оң бағытын өз қалауымызша таңдап, схемада белгілеу.
- Кирхгофтың екінші заңы үшін контурды айналу бағытын өз қалауымызша таңдау.
- Белгісіз токтар саны тармақтар санына тең екенін ескеру.
Ток өткенде энергия қайда жұмсалады?
Электр тогы өткізгіш арқылы өткенде электрондар бірде бейтарап молекулалармен, бірде электронын жоғалтқан бөлшектермен соқтығысады. Қозғалыстағы электрон энергиясын жоғалтады, ал соқтығысу кезінде жұмсалған энергия жылулыққа айналады.
Жалпы алғанда, кез келген кедергіні жеңе отырып іске асатын қозғалыс энергия жұмсауды талап етеді. Мысалы, денені орнынан қозғалту үшін үйкеліс кедергісін жеңеміз — жұмсалған жұмыс жылуға айналады. Дәл осылай өткізгіштен ток өткізгенде де энергия шығындалып, ол көбіне жылу түрінде бөлінеді.