Wstęp
Ponieważ było wiele nieścisłości na forum co do różnych aspektów
połączenia komputera do silniczka itp. kombinacji (również słyszałem
o otwieranu okien głosem itd.. :))) ), postanowiłem coś o tym
skrobnąć.
Zacznijmy od tego co to jest prąd elektryczny: nic innego jak
uporządkowany ruch ładunków.. no dobrze, ale co to są ładunki? Na
chłopski rozum od razu: ładunku mogą być dodatnie lub ujemne. W
zwykłym przykładowym atomie, wokół jądra naładowanego dodatnio, krążą
ujemnie naładowane elektrony. W atomie takim liczba elektronów jest
równa ilości protonów w jądrze.. zatem ładunki te się nawzajem zerują,
bo każdy proton i elektron mają ładunek takiej samej wartości, ale
przeciwnego znaku. Przykładowo (od razu w formie makroskopowej): mamy
jakąś większą masę (np. z metalu) i niech ma ona mały nadmiar
elektronów – wtedy jest naładowana ujemnie. Weźmy teraz inną podobną
płytkę, ale z niedoborem elektronów – wtedy jest ona naładowana
dodatnio. Spróbujmy te dwie masy połączyć drucikiem – nastąpi
wyrównane ładunków – odpowiednia ilość elektronów przejdzie z jednej
płytki na drugą, aby ładunki się wyrównały. Przepływ tych elektronów
to właśnie prąd elektryczny, może jeszcze nie taki ustabilizowany –
ale był.
Oki, to było w wersji na chłopski rozum, i jeżeli tak napiszecie na
jakimś egzaminie, to od razu pała! :)) Tak naprawdę, wygląda wszystko
lekko inaczej, to tylko wierzchołek góry lodowej, co ja napisałem.
Zastanówmy się, dlaczego metale przewodzą prąd (są w stanie dokonać
transportu elektronów). Otóż, elektrony w ich atomach nie są spójnie
„przywiązane” do atomów, jak w innych materiałach, ale luźno „latają”
(można tak powiedzieć) w masie metalu tworząc tzw. gaz elektronowy
(chmurę elektronową). Dlatego też metale umożliwiają przepływ prądu
elektrycznego.
Od najdawniejszych czasów wiadomo, że natura dąży do tzw.
„wyrównania”, dlatego zbliżając np. do siebie dwie masy o takich
samych ładunkach (naładowanych jednoimienne), będą się one odpychała,
natomiast różnoimiennie – przyciągały. Siły te są ściśle obliczone,
jednak my się tym nie zajmujemy.
Ładunek elektryczny
Im mocniejszy jest ładunek, tym bardziej dana masa jest naładowana.
Ale ponieważ w fizyce nie zadawalamy się określeniami względnymi
„mocniej”, czy też „słabiej”, a dokonujemy pomiaru, zatem można
powiedzieć, że ładunek elektryczny też możemy zmierzyć [[ tak
naprawdę to bardzo trudno go zmierzyć, ale wymyślono jednostkę dla
tej wielkości ]]. A jest nią kulomb. Jest to bardzo duża jednostka, w
wyładowaniach atmosferycznych występują rzędy kilku kulombów. I na
razie - tyle o tym :)
Potencjał, napięcie
Skoro już znasz pojęcie kulomba, można poznać pojęcie potencjału oraz
napięcia. Można powiedzieć, ze im większy jest ładunek na danej masie,
tym większy jest potencjał (wartości te wzrastają proporcjonalnie).
Oczywiście dla danego materiału można wyznaczyć współczynnik
proporcjonalności, jest to w tym przypadku „pojemność elektryczna”,
ale nią na razie się nie zajmujemy. Teraz warto sobie zadać pytanie:
co to jest ten potencjał? Można powiedzieć, że im jest on większy,
tym bardziej jest dana masa naładowana – tym łatwiej dopuścić do jej
rozładowania. Potencjału jako takiego nie można zmierzyć, jest to
wielkość względna, musimy dobrać względem czego mierzymy. Najprościej
oczywiście – względem tzw. potencjału zerowego. Takie coś idealne
oczywiście nie istnieje (zawsze jest jakiś potencjał), ale wyobraźmy
sobie potencjał zerowy (płytka z ładunkiem równym 0). Inne płytki
będą mierzone względem tego właśnie potencjału. Napięcie elektryczne
natomiast to różnica potencjałów między dwoma punktami (obiektami).
Nie można mówić o napięciu jakiegoś elementu, muszą zostać dobrane
dwa punkty, i mówimy że napięcie między nimi jest równe tyle i tyle
(inaczej różnica potencjałów). Zarówno potencjał i napięcie mają tą
samą jednostkę, jaką jest wolt (V). Przykład: Istnieją dwie płytki o
potencjałach odpowiednio: 4 V, 7V. Napięcie między nimi wynosi 3 V.
Tu chyba nie ma nic nadzwyczajnego. Nie będę w kursie tym oczywiście
rozpisywał definicji wszystkich, to sobie każdy w książce znajdzie –
chcę tylko krótko wytłumaczyć podstawowe aspekty elektroniki.
Prąd elektryczny, źródło napięcia
Powiedzieliśmy sobie, że pomiędzy dwoma masami, między którymi jest
jakieś napięcie przepłynie prąd po połączeniu ich. No dobrze, jak to
będzie wyglądać. Część elektronów z masy, gdzie jest ich nadmiar
przepłynie na drugą masę, szybko zrobi się wyrównanie. Zatem różnica
potencjałów (napięcie) będzie stopniowo maleć, aż uzyska wartość 0 i
prąd przestanie płynąć. W praktyce wszystko będzie trwało ułamek
sekundy, więc po co nam taki prąd, którego przepływ trwa tak krótki
okres czasu? Rozwiązaniem idealnym byłaby tu swoista „pompa”, która
dosłownie „brała” by elektrony z drugiej płytki i powrotem
przerzucała na pierwszą, aby te znowu mogły płynąć naszym drucikiem.
Otóż pompa taka istnieje, i nazywana jest źródłem napięcia.
Oczywiście mowa tu cały czas o prądzie stałym, prąd zmienny będzie w
dalszych częściach. Przykładowym źródłem napięcia może być zwykła
bateryjka. Jak wiadomo ma ono zawsze dwa bieguny: dodatni (o wyższym
potencjale) oraz ujemny (o niższym potencjale). Po połączeniu jakimś
drucikiem biegunów, elektrony zaczynają płynąć od niższego potencjału
(nazywanego „minusem”) do wyższego potencjału (nazywany jako „plus”).
W samym źródle natomiast elektrony są przerzucane w kierunku odwrotnym,
tak aby utrzymana została stała różnica potencjałów
(napięcie między biegunami). Okej: ale w książkach pisze, że tzw.
„prąd” płynie od plusa do minusa (czyli od wyższego do niższego
potencjału). Otóż jest to jak najbardziej prawda, tak właśnie został
umownie przyjęty kierunek prądu elektrycznego (odwrotnie do ruchu
elektronów)! Zatem: prąd płynie od wyższego do niższego potencjału,
mimo, że elektrony poruszają się w kierunku przeciwnym. Źródła
napięcia użytku codziennego mają napięcie np. 1.5 V. Napięcie wyższe
niż 20 V może się okazać niebezpieczne dla zdrowia, a nawet życia.
Opór elektryczny, natężenie prądu
Powiedzieliśmy sobie, że przez nasz wymyślony drucik będzie płynął
prąd elektryczny. I tu od razu powiemy, żeby nie było wątpliwości –
że drucik ten musiał mieć jakiś opór. Każdy materiał, przez który
może płynąć prąd stawia mu pewien opór. I na przykład – złoto, miedź
mają mały opór, intuicyjnie – są dobrymi przewodnikami prądu,
natomiast grafit na przykład słabo przewodzi prąd – ma duży opór
elektryczny. Ale co to jest takiego ten opór? Zanim się dowiesz –
powiem jeszcze co jest „amper”. Otóż jak wiadomo, wszystko musi mieć
swoją jednostkę, aby można było dokonać pomiaru danej wielkości
fizycznej. Kolumb to jednostka ładunku elektrycznego, również znamy
jednostkę napięcia – jest nią wolt. Amper natomiast jest jednostką,
która mówi nam o wartości przepływu prądu (wielkość ta nazywana jest
natężeniem). Im większe jest natężenie, tym mocniej płynie prąd – tym
samym – więcej elektronów przepływa. Jeden amper to natężenie prądu,
jeśli przez przekrój poprzeczny przewodnika przepływa ładunek jednego
kulomba w ciągu jednej sekundy. Tu chyba nic tłumaczyć
łopatologicznie nie trzeba. Amper jest dość dużą jednostką, w
praktyce – przykładowo elektronice – używamy mikro amperów, czyli
jednostek znacznie mniejszych (ponieważ przez układy scalone
przepływają znacznie mniejsze prądy). Okej – to teraz co to jest ten
cholerny opór? Najprościej tłumacząc: weźmy pod uwagę źródło napięcia
(1 V) i chcemy połączyć bieguny przykładowo długim drutem. Chcemy
również zmierzyć jego opór elektryczny (fachowo wielkość tę nazywamy
rezystancją). Otóż dokonujemy tego na podstawie pomiaru prądu. Jeżeli
przy niezmienionej różnicy potencjałów (napięciu) 1 V, będzie płynął
prąd o natężeniu 1 A (ampera), to rezystancja (opór elektryczny)
przewodnika będzie wynosiła 1om (czyt „om” – jest to jednostka
rezystancji). Dzięki temu zaraz poznamy jedno z podstawowych praw
elektrotechniki: prawo Ohma. Mówi ono o zależności między oporem,
napięciem a prądem. Istotny jest tu wzór :
I = U/R (gdzie I – natężenie prądu (ang: intensity), U – napięcie
(ang: voltage), R – rezystancja [ tak oznaczamy w praktyce te
wielkości, ang: rezistance] ).
Zatem co ono mówi? Określa ono wartość prądu jaki będzie płynął przez
dany materiał. Przykładowo: wyobraźmy sobie dłuższy, cienki drucik o
jakimś tam oporze R. Jeżeli przyłożymy do jego końców napięcie U, to
będzie przez niego płynął prąd o natężeniu I.
Wzór ten można przekształcić:
U = I*R
Teraz mówi ono, że iloczyn prądu płynącego przez przewodnik oraz jego
rezystancji jest równy napięciu między jego końcami.
Przekształcenie wzoru na opór (R = U/I ), nie jest praktycznie
zalecane. Oczywiście można obliczać tym rezystancję (na podstawie
prądu i napięcia), ale należy wtedy pamiętać żeby nie popełnić jakiś
błędów abstrakcyjnych. Przykładowo: student zapytany „Co się stanie,
jeśli napięcie podwyższymy dwukrotnie” odpowiada: „Rezystancja też
wzrośnie dwukrotnie”. Właśnie dla takich co najmniej „błędnych” myśli
nie stosuje się tego wzoru.
Niestety zanim dojdziemy do praktycznej elektroniki, musisz poznać dużo rzeczy…
Rezystancja, rezystywność, konduktancja, konduktywność
Zastanówmy się od czego zależy opór danego elementu. Na pewno od
materiału, z którego jest on wykonany – to już narzuca się od razu.
Oprócz tego wiadomo – im dłuższy jest przewodnik, tym większą ma on
rezystancję. Opór w danych warunkach zależy też oczywiście od innych
rzeczy, np. temperatury, ciśnienia, ale nie musisz o tym na razie
wiedzieć. Rezystancję określa się dla danego obiektu (jakiegoś
przedmiotu, konkretnie opisanego), natomiast nie dla materiału! Nie
możemy powiedzieć, że miedź ma jakąś rezystancję, bo dwie płytki
miedziane różnych długości mają inny opór. Zatem została wprowadzona
wielkość zwana rezystywnością, która opisuje jak dany materiał
przewodzi prąd. Znając rezystywność materiału oraz wymiary przewodu
można obliczyć rezystancję. Jednostką rezystywności jest „omometr”
(rezystywność materiału, w przypadku gdy kabel o długości jednego
metra oraz jednego metra kwadratowego średnicy ma opór 1 om.
Dokładniej tym nie musisz się zajmować, ważne żebyś ogólnie widział
na czym to polega. Zamiast charakteryzować opór przewodu, można
charakteryzować jego przewodność czyli jednostkę dokładnie odwrotną.
Przykład: jeśli materiał ma opór 3 om to ma przewodność 1/3 … no
właśnie – czego? Jednostką narzucającą się od razu jest 1/om, a
nazywamy go „simens”. Przewodność tę nazywamy właśnie konduktancją, a
oznaczamy literką G (ang: conductance). Tak jak w przypadku
materiałów: dla oporu była rezystywność, tak dla przewodnictwa jest
konduktywność opisująca przewodność danego materiału. Jednostką jest
s/m (simens na metr). Określenia: „praca i moc elektryczna” poznasz
nieco później.
Stan jałowy, stan zwarcia
Łącząc bieguny źródła napięcia cienkim drucikiem mówiłem, że musi on
mieć jakiś opór. Weźmy pod uwagę drucik tak krótki i wykonany z tak
dobrego materiału, że jego opór jest znikomy (bardzo bliski 0). W
takim przypadku po połączeniu nastąpi „zwarcie” obwodu – do czego to
prowadzi? Otóż popłynie ogromny prąd przez przewodnik (co widać ze
wzoru), a napięcie na końcach biegunów będzie równe 0 (znikomo małe).
Źródło napięcia nie zdąży utrzymywać stałej różnicy potencjałów –
czyn ten prowadzi najczęściej do zniszczenia źródła. W przypadku
prądów dużych, zwarcie grozi pożarem. Stan jałowy natomiast jest
wtedy, kiedy do biegunów źródła nie są przyłączone żadne inne
elementy ( w sensie: bieguny nie są połączone żadną inną drogą niż
samo źródło). Dokładnie o tych zagadnieniach dowiesz się z następnego
akapitu.
Opór wewnętrzny, siła elektromotoryczna, przeciążenie
Wyżej wspomnieliśmy o tzw. stanie zwarcia źródła. Należy się
zastanowić dokładniej na temat samego źródła w tym przypadku.
Mówiliśmy, iż jest to „pompa”, która przekłada elektrony, aby trzymać
napięcie. Jednak z jaką prędkością może to robić? Otóż zjawisko to
też można łatwo opisać, wyobraźmy sobie w baterii na samym środku
malutki drucik, który przerzuca elektrony. Przez niego płynie
oczywiście prąd, i co ważne: ma on jakąś rezystancję. Można ją
określić jako „rezystancję wewnętrzną źródła”. Im jest ona większa,
tym większy prąd można pobierać ze źródła, ponieważ źródło jest w
stanie utrzymywać napięcie. Tu od razu należy prowadzić pojęcie stanu
obwodu elektrycznego. Zastanówmy się co się dzieje, w przypadku
pobierania prądu ze źródła, gdy rezystancja obwodu jest znacznie
większa niż rezystancja wewnętrzna źródła. Wtedy przykładowy,
niewielki prąd płynie, źródło natomiast nie wykonuje swojej pełnej
„mocy” (na razie w cudzysłowiu piszę, bo nie wiesz co to jest
jeszcze). Zatem źródło „nie przemęcza” się wcale, bo może wytrzymać
znacznie większe prądy. Stan taki nazywamy niedociążeniem. Innym
przykładem jest sytuacja, gdy rezystancja obwodu jest znacznie
mniejsza niż rezystancja wewnętrzna źródła. Źródło nie nadąża w
wykonywaniu „pracy” (przerzucaniu elektronów) i tym samym – napięcie
maleje. Nazywamy to spadkiem napięcia na biegunach źródła, a stan ten
– przeciążeniem. W przypadku jeszcze większego przeciążenia –
zmniejszenia rezystancji obwodu – dochodzimy powoli do zwarcia. W
praktyce natomiast zawsze staramy się, aby rezystancja wewnętrzna
danego źródła była taka sama jak rezystancja obwodu (dobieramy obwód).
Wtedy źródło pracuje „pełną parą”, wydziela się największa „moc”, a
stan ten nazywamy dopasowaniem. I znowu nowe pojęcie: siła
elektromotoryczna. Jest to nic innego jak napięcie źródła w stanie
jałowym. W przypadku przeciążenia, napięcie jest niższe niż siła
elektromotoryczna źródła (dla ścisłości: wielkość zwana siłą
elektromotoryczną nie jest wcale siłą, lecz różnicą potencjałów,
czyli napięciem – jednostką jest oczywiście wolt). I tu od razu
nasuwa się myśl: przykładowy napis na baterii 1,5 V, nie oznacza
napięcia na biegunach, jednak jest to jego siła elektromotoryczna.
Napięcie może być takie same (w przypadku stanu jałowego), ale może
być też znacznie mniejsze (w przypadku przeciążenia), lub też w ogóle
równać się 0 (zwarcie).
PS: Jednostką oporu elektrycznego jest "om" dosłownie, lecz oznacza
się ją grecką literą - której niestety - nie jestem w stanie tu
napisać.
Jeszcze o rezystancji i połączeniach
Mówiliśmy już o przykładowym druciku, który posiadał jakąś
rezystancję i łączył bieguny źródła. W praktyce tak nie postępujemy,
gdyż nasz tzw. drucik jest elementem obwodu należącym do przewodników,
jego zadaniem jest przewodzenie prądu jak najlepiej, a nie stawianie
mu oporu. Dlatego praktycznie przyjmuje się rezystancję przewodów
równą 0 (tzn. nie bierze się ich pod uwagę). Ich opór jest znikomo
mały, że nie trzeba ich uwzględniać przy obliczeniach, rozwiązywaniu
obwodów elektrycznych. Lepiej jest stworzyć rezystancję w jednym
skupieniu, niż rozciągać ją na całą długość przewodu. Element taki
istnieje i nazywamy go rezystorem (inaczej opornikiem, ang: resistor).
Na schematach zaznacza się go prostokątem, jego zadaniem jest
stawianie oporu prądu elektrycznemu. Rezystor to najbardziej
podstawowy element obwodu, jeszcze o nim sobie powiemy. Jeden
rezystor pomiędzy biegunami źródła powoduje, że można dopasować prąd
w obwodzie. Zastanówmy się jakie jest napięcie pomiędzy jednym a
drugim zaciskiem rezystora (zaciski rezystora to jego końce, które
służą do łączenia elementów). Mówiliśmy, że przewodnik nie posiada
żadnej rezystancji (równa 0), zatem potencjał na jednym końcu
przewodnika i drugim jest identyczny. Napięcie na końcach przewodnika
jest zatem równe 0. Skoro tak, łatwo obliczyć, że jeżeli mamy jeden
rezystor wstawiony między bieguny źródła (plus oczywiście obwody
łączące), to napięcie na nim jest takie samo jak napięcie źródła.
A co w przypadku połączenia kilku rezystorów? Zanim dojdziemy do tego
tematu musimy sobie wytłumaczyć czym jest połączenie równoległe i
szeregowe w obwodzie.. Na poniższym fragmencie schematu przedstawiłem
połączenie szeregowe kilku elementów:
a ------|=|------|=|------|=|----- b
Widzimy trzy dowolne elementy obwodu (na razie nieważne co to za
elementy) połączone szeregowo. Ważne jest, że przez wszystkie
przepływa ten sam prąd, ponieważ nie może on nigdzie „uciec” o czym
dowiesz się niedługo. Napięcia na tych elementach mogą być rożne.
Poniżej natomiast przedstawiłem połączenie równoległe trzech
elementów:
|------|=|------|
a --|-----|=|-------| -- b
|------|=|------|
Przez te elementy biegną już inne prądy, ale napięcie na tych trzech
elementach jest to samo. Można również tak zdefiniować połączenia
równoległe i szeregowe: przez elementy połączone szeregowo płynie ten
sam prąd, a na elementach połączonych równolegle jest to samo
napięcie.
Teraz zastanówmy się jak obliczamy rezystancję w przypadku kilku
elementów, które stwarzają opór (nie muszą to być koniecznie
rezystory, ale np. odbiorniki energii (grzejnik), ale o tym dowiesz
się później). W połączeniu szeregowym sytuacja jest chyba jasna.
Rezystancja zastępcza całego układu kilku rezystorów w tym przypadku
jest ich sumą. Można to zapisać tak: Rz = R1 + R2 +R3… itd. Jak się
ma to w przypadku połączenia równoległego? Otóż tutaj nie dodajemy
rezystancji, ale przewodności (konduktancje). Wiadomo, że więcej
przewodów stanowi lepszą przewodność niż jeden przewód, zatem ich
przewodności się dodają. A ponieważ przewodność to odwrotność oporu,
możemy zapisać: 1/Rz = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3.. itd. Zatem odwrotność
rezystancji całego układu kilku rezystorów jest sumą odwrotności ich
rezystancji. Dzięki temu możemy już liczyć bardziej skomplikowane
obwody. Weźmy taki oto przykład:
a ----|=|----|------|=|-------|-----|=|---- b
|------|=|-------|
Co tu widzimy? Otóż są to 4 rezystory, ale jak zaraz się okaże są
problemy z rozpoznaniem ich połączenia. Ustalmy może, ze każdy z nich
ma rezystancję 5 om, a napięcie pomiędzy punkami a i b wynosi 2 V.
Może jeszcze je ponumerujmy (od lewej strony): R1, u góry (R2), na
dole (R3) i po prawej (R4). Widzimy, że R2 i R3 są razem połączone
równolegle względem siebie. Natomiast R1 i R4 są połączone szeregowo,
ale jeszcze z układem rezystorów R2 i R3. Najprościej będzie zatem
obliczyć najpierw rezystancję zastępczą układu R2 i R3. Są połączone
równolegle, zatem: 1/Rz = 1/R2 + 1/R3. Po obliczeniu tego prostego
rachunku dochodzimy do wniosku: Rz = 2,5 om. Teraz już bardzo prosto
liczymy rezystancję zastępczą całego obwodu R = 5 + 2,5 + 5 = 12,5 om.
Zatem wyliczyliśmy całkowitą rezystancję tego układu czterech
rezystorów. Prąd jaki będzie płynął od punktu a do b to oczywiście
stosunek U/R, zatem jest to prąd o natężeniu 0,16 A. Nic trudnego.
Spójrzmy jednak na nasz obwód. Prąd o którym mówimy przebiega
przewodem od punktu a oraz przewodem od punktu b. Natomiast w dwóch
przewodach połączonych równolegle (przy rezystorach R2 i R3) płyną
już różne prądy. Ale jakie są ich wartości? Otóż tutaj musimy
wprowadzić pierwsze prawo Kirchoffa. Mówi ono, że suma algebraiczna
prądów dopływających do węzła jest równa sumie prądów odpływających.
Węzeł na obwodzie chyba każdy intuicyjnie potrafi rozpoznać, jest to
punkt, w którym następuje rozgałęzienie obwodu. Przykładowo, do węzła
(mówimy węzeł, ale na schematach jest to po prostu „punkt”) wchodzi 5
obwodów z prawej strony i jeden obwód z lewej. Niech prąd płynie ze
strony prawej na lewo i przez każdy z tych pięciu przewodów płynie po
2 A. To wtedy przez przewód z lewej strony płynie 10 A. Prawo to jest
chyba oczywiste, nie ma się co nad nim dłużej zastanawiać, prąd nie
może się w kablu „zawieruszyć” ani uciec. Zatem, w naszym
rozpatrywanym obwodzie na pewno suma prądów z dwóch przewodów
połączonych równolegle da nam 0,16 A.
Na co warto zwrócić uwagę, to fakt że wartości w różnych
rozpatrywanych przypadkach dla prądów są bardzo małe, u nas
przykładowo wyszło 0,16 A. Niektórzy dziwić się mogą, dlaczego
wychodzi tak mało, ale w praktyce operujemy właśnie takimi prądami,
albo nawet jeszcze znacznie mniejszymi.
Spadki napięcia
Skoro było pierwsze prawo Kirchoffa to i drugie musisz poznać :)
Weźmy pod uwagę taki oto prościutki obwód:
a ----|=|------|=|----- b
Rezystory odpowiednio: R1 = 4 om, R2 = 6 om. Napięcie między punktami
a i b = 4 V. Prąd obliczamy od razu (mówię prąd, jednak fachowo
nazywa się to natężeniem – w praktyce jednak każdy mówi prąd to i wy
możecie :)) I = 4 / (4+6) = 0,4 A. Wiemy, że między punktami a i b
jest napięcie 4 om, ale nas interesuje jakie jest napięcie na
zaciskach rezystorów. Otóż jak to liczymy? – bardzo prosto, z prawa
Ohma. Prąd płynący przy oba rezystory to 0,4 A. Pierwszy rezystor ma
opór 4 om. A wiemy z w/w prawa, że napięcie to U = I*R, zatem mnożymy
i otrzymujemy prosty wynik: U1 = 1,6 V. Jest to napięcie między jedną
końcówka rezystora a drugą (pomiędzy jego zaciskami). Napięcie na
drugim rezystorze: U2 = 2,4 V. Co zauważyliśmy? Otóż suma napięcia U1
i U2 daje nam napięcie źródła. To właśnie podsuwa nam drugie prawo
Kirchoffa. Jeszcze tylko małe wyjaśnienie. Obliczamy prądy i napięcia,
ale nie braliśmy pod uwagę kierunku prądu. Zatem załóżmy, że punkt b
ma potencjał 0 V, a punkt a : 4 V. Wszystko się zgadza – napięcie
jest równe 4 V. Prąd płynie z lewa na prawo. Napięcie jednak
zaznaczamy strzałką odwrotną, tak aby grot wskazywał punkt o wyższym
potencjale. Czyli zarówno strzałka oznaczająca napięcie na źródle jak
i strzałki, które opisują napięcia na rezystorach w naszym przypadku
są zwrócone w stronę lewą (wskazują punkt o wyższym potencjale).
Spróbujcie sobie wyobrazić tenże obwód, gdyby punkty a i b były
blisko siebie (bo w praktyce tak właśnie jest, punkty a i b to nic
innego jak źródło napięcia). Skoro strzałka napięcia ma pokazywać
punkt o wyższym potencjale, w takim przypadku jest ona zgodna z
kierunkiem prądu. Teraz jeżeli mamy dowolne oczko (jest to
przynajmniej jedna zamknięta droga dla przepływu prądu) to suma
algebraiczna napięć jest równa 0. Na pewno nie wiesz co to oznacza,
zatem już tłumacze. Dobieramy sobie jakiś punkt w oczku.. najprościej
zaczynać od źródła i jedziemy po obwodzie dodając wszystkie napięcia,
które są opisane przez strzałki w jedną stronę i odejmujemy napięcia,
które są opisane przez strzałki w drugą stronę. Końcowy wynik równa
się 0. Najprościej widać to na naszym przykładzie powyżej.
Praca i moc
Standardowe pojęcia pracy (energii) oraz mocy mam nadzieję, że każdy
zna, tutaj zajmujemy się elektroniką – będziemy się zatem tylko
ograniczać do tego tematu. Jak wiemy z fizyki, praca to nic innego
jako iloczyn napięcia między dwoma punktami do ładunku, jaki został
między nimi przeniesiony. Pracę oznaczamy dużą literą W (ang: work),
a jednostką jest oczywiście Joul (czyt. „dżul”). W = U*Q. Wiemy
jednak, jak zostało określone natężenie prądu, I = Q / t (stosunek
ładunku jaki przepłynął, do czasu). Przekształcając ostatni wzór, aby
wyciągnąć Q i wstawiając do wcześniejszego, otrzymujemy: W = U * I *
t. Oznacza to, że praca jaka się wydziela na dowolnym elemencie
obwodu, równa jest iloczynowi: napięcia na tym elemencie, prądu jaki
przez niego przepływa oraz czasu, w jakim proces ten trwa. Oczywiście
pamiętamy, że mowa cały czas o prądzie stałym. W przypadku rezystorów,
praca ta objawia się zużywaniem ciepła. Moc jak wiemy, jest to
stosunek pracy do czasu, w jakim została ona wykonana. Dzieląc
powyższy wzór przez „t” (czas) po lewej stronie widzimy wzór na moc.
Zatem jest to nic innego jak iloczyn prądu i napięcia. P = U * I (moc
oznaczamy dużą literą P (ang: power)), a jednostką mocy jest wat.
Przykładowo: jeżeli w jednej sekundzie na rezystorze wydziela się
energia (praca) 1 J, to moc wynosi 1 W. A jak ma się to w praktyce?
Otóż jednostka pracy (Joul) jest zbyt mała aby można było ją używać,
dlatego stosujemy jednostkę inną, związaną z mocą: kilowatogodzina
(Kwh.). Jest to energia, jaką zużywa odbiornik o mocy 1 kW (kilowata)
w ciągu godziny. Jednostka ta jest stosowana w gospodarstwie domowych,
ot chociażby w licznikach energii elektrycznej, chociaż jednostką w
układzie SI na pracę jest Joul. Również wat jest bardzo niewielką
jednostką, często stosujemy: kilowaty, megawaty. Mechanicy natomiast
używają jeszcze innej jednostki na moc, jaką jest koń mechaniczny. 1
KM = 736 W = 0,736 KW. Dla tych co nie wiedzą przypominam, że „kilo”
oznacza mnożnik razy 1000, „mega” natomiast, razy 1000000 (zresztą
informatycy powinni to wiedzieć, bajty mają takie same przedrostki).
W każdym obwodzie prądu, tzw. „bilans” mocy musi się zgadzać. Moc
dostarczona do obwodu, to suma wszystkich mocy na źródłach
(iloczyn U * I),natomiast moc pobrana ze źródła to suma wszystkich
mocy na elementach obwodu (rezystory itd.. również iloczyn U * I).
Sumy te są zawsze sobie równe. (Mówiąc równe, mam na myśli
teoretyczne rozwiązywanie obwodów, w praktyce jednak istnieje
niewielka strata mocy na przewodach, które się ogrzewają). Moc
pobrana / oddana w obwodzie jest największa, jeżeli obwód jest
w stanie dopasowania.
I to by było tyle jeśli chodzi o teorię. Zapraszam do części
praktycznej :)
|
