Основно съдържание

Курс: Физика – 9. клас (България) > Раздел 1

Урок 2: Закон на Ом и вериги с резистори

Термини при електрическите вериги

Списък на термините, които използваме, когато разглеждаме електрически вериги и схеми. Възли, разклонения, контури и мрежи, референтен възел, нула и "еквивалентни" схеми. Създадено от Уили Макалистър.

Разглеждаме различни начини за анализ на електрически вериги. Дотук дефинирахме най-често срещаните компоненти (резистор, кондензатор и индуктор) и източници (напрежение и електричен ток). Трябва да използваме точен език, когато говорим за електрическите вериги. Тази статия изброява понятията и термините, които използваме при проектиране и анализ на електрически вериги.

Електрическа верига

Понятието електрическа верига съдържа думата верига. Електрическата верига е съвкупност от реални компоненти, източник на захранване и източници на сигнали, като всички те са свързани така, че електрическият ток да може да протича през тях и да измине пълен кръг.

Затворена електрическа верига – Една електрическа верига е затворена, ако кръгът е пълен, ако всички токове могат да стигнат отново там, откъдето са тръгнали.

Отворена електрическа верига – Една електрическа верига е отворена, ако кръгът не е пълен, ако има прекъсване по пътя.

Късо съединение – Късо съединение се получава, когато път с ниско съпротивление се свърже (обикновено поради грешка) към даден компонент. Резисторът, показан по-долу, е поставен там умишлено, а извитият проводник, който го заобикаля, е късото съединение. Токът се отклонява от предвидения си път, понякога с драматични резултати. Проводникът дава накъсо резистора, като предоставя път с по-ниско съпротивление на тока (вероятно не това, което създателят на веригата е имал предвид).

Затваряне и прекъсване – Ти затваряш една електрическа верига, като осигуряваш път за протичане на тока, например чрез затваряне на прекъсвач. Прекъсването на една електрическа верига е точно обратното. Отварянето на един прекъсвач прекъсва електрическата верига.

Електрическа схема

Електрическа схема наричаме чертеж, който изобразява електрическа верига. Електрическата схема представя електрическата верига чрез символи за елементите и линии за връзките.

Елементи – Терминът елементи означава "компоненти и източници".

Символи – Елементите в електрическите схеми се представят чрез символи. Тук са показани символите за разпространените елементи с 2 извода:

Линии – Връзките между елементите се представят чрез непрекъснати линии, които разглеждаме като "проводници". В електрическите схеми тези линии представляват идеални проводници с нулево съпротивление. Всички компоненти или изводи на източниците, които са свързани с такава линия, имат едно и също напрежение.

Точки – Свързването на линиите може да бъде показано с точки. Точките показват еднозначно, че линиите са свързани. Ако свързването е очевидно, не е необходимо да се използва точка.

(a) и (b) са подходящи и двете
(c) когато няма точка, няма свързване
(d) също не показва свързване; хоризонталния проводник "скача" над вертикалния проводник. (d) е много ясна, но изисква допълнителни усилия и място за начертаване.
(e) за пресичане на свързаните линии (e) е приемлива, но рискува да изглежда твърде подобна на (c), така че (f) е най-добрият пример.

Означения – Когато един компонент се постави в електрическа схема, той често получава уникална идентификация, позната като означение. Примери за означения са

R1

C6

V_{BAT}

1

R1

е част от името и не показва големината на съпротивлението. Означенията са уникални за всяка електрическа схема. Чрез тях могат да се различават отделните компоненти, дори да имат еднакви характеристики. Означенията могат да се използват във формулите.

R1

може да отговаря на определено съпротивление, например

R1 = 4, 7 k Ω

, може също да се използва като променлива в изрази, като например

R2 \cdot C6 = 4, 7 k Ω \cdot 2 μ F

Възел – Мястото на свързване на

2

или повече елемента се нарича възел. Електрическата схема по-долу показва един възел (черната точка), получен от свързването между пет елемента (представени абстрактно чрез оранжеви правоъгълници).

Тъй като линиите в електрическата схема представляват идеални проводници с нулево съпротивление, няма правило, според което линиите от няколко елемента задължително да трябва да се срещнат в една точка. Можем да представим същия възел като разпръснат възел, подобно на схемата по-долу. Тези два начина на представяне на възела са идентични.

Един разпръснат възел може да бъде напълно разпръснат, с много отсечки и точки. Това не бива да те заблуждава, защото това все пак е един възел. Свързването на елементите в електрическата схема с идеални проводници означава, че напрежението навсякъде в разпръснатия възел е еднакво.

Това е една действителна електрическа схема, в която разпръснатите възли са означени:

Задача 1

Колко възли има в електрическата схема?

В зависимост от различните учебници или онлайн материали за анализ на електрически вериги, може да срещнеш различни определения за понятието възел. Различните автори използват различни начини за преподаване на анализа на електрическите вериги. Целта е да се получи един систематичен подход за съставяне на система от независими уравнения (ще направим това в следващата статия). И макар да има няколко различни подхода, те всички постигат същата цел с малки разлики в жаргона.

В някои учебници възел се дефинира като свързването на

3

или повече елемента. Ако се използва това определение, тогава всички възли се включват в анализа на електрическата верига.

Друг термин, който може да срещнеш, е основен възел. Това също представлява възел с

3

или повече свързани елемента. Ако се използва това определение, възлите съдържат

2

или повече връзки, а основните възли съдържат

3

или повече. Основните възли трябва да бъдат включени в анализа на електрическата верига.

В Кан Академия използваме определението за възел като свързване на

2

или повече елемента. При използване на това определение някои възли може да не са независими.

Определението на база

2

елемента се използва в някои програми за симулиране на електрически вериги като SPICE, в които е задължително всяко свързване да има уникално име. Това е една от причините за използване на термина "възел" за всички свързвания.

Въпреки тези нюанси в значението, всички те имат една и съща цел. Не се притеснявай твърде много кое е "правилно". Ако използваш и други учебни материали, освен Кан Академия, провери дали конкретното определение за възел съвпада с това, което използваме тук.

Разклонение – Разклоненията са връзките между възлите. Разклонението е елемент (резистор, кондензатор, източник и т.н.). Броят на разклоненията в една електрическа верига е равен на броя на елементите.

Задача 2

Колко разклонения има в тази електрическа схема?

Контур – Контур представлява всеки затворен кръг, който преминава през елементи на електрическата верига. За да начертаеш кръг, избери произволен възел като начална точка и начертай път през елементи и възли, докато контурът се върне до възела, от който е започнал. Има само едно правило: един контур може да мине през даден възел само веднъж. Няма проблем, ако контурите се застъпват или съдържат други контури. Някои от контурите в нашата електрическа верига са показани тук. (Можеш също така да намериш и други контури. Тук има шест контура, ако правилно сме ги преброили.)

Шест контура.

Дори от този прост пример можеш да видиш, че броят на контурите в една електрическа верига може да бъде много голям. Анализът на контурите може да бъде много труден, затова ще видиш, че се полагат доста усилия за намиране на по-прости методи.

Прост затворен контур – Прост затворен контур е контур, в който няма други подконтури. Можеш да си представяш, че има по един такъв за всяко "отворено прозорче" във веригата.

Задача 3

Колко прости затворени контура има във веригата?

Референтен възел – При анализа на електрическата верига обикновено избираме един от възлите като референтен възел. Напреженията в другите възли се измерват по отношение на референтния възел. Всеки възел може да бъде референтен, но двата най-често избирани референтни възела, които опростяват анализа, са:

отрицателният извод на източника на напрежение или на ток, който захранва веригата, или
възелът, свързан с най-голям брой разклонения.

Земя или нула – Референтният възел често се нарича и земя или нула. Понятието земя/нула има три важни значения.

Метален заземяващ прът, забит в земята в съседство със сградата. Проводникът, свързан с пръта се извива надясно, за да осигури безопасно заземяване на електрическата инсталация в сградата. Понякога заземителния проводник се свързва с водопроводна тръба, която е заровена в земята.

Земята/нулата е

референтната точка, спрямо която се измерва напрежението.
обратният път за електрическия ток към неговия източник.
директна физическа връзка към земята, което е важно за безопасността.
Ако някакъв електрически уред или инструмент се повреди и изведнъж се появи късо съединение между високо вътрешно напрежение и металната повърхност на уреда, е много по-безопасно да се насочи опасния ток към земята, отколкото през човека. Металната обшивка на електрическия уред е свързана със заземителен проводник, който минава през инсталацията и отива в земята, като по този начин насочва опасния ток към безопасно място, далеч от хората. Когато уредът или инструмента работи правилно, тогава по заземителния проводник не протича ток.

Възелът "земя/нула" носи името си от третото значение. Но и другите две са също толкова важни.

Срещат се различни символи за земя/нула:

Еквивалентност на схемите

Нека да отделим минутка и за разглеждане на еквивалентността на електрическите схеми. Това е важно, тъй като електрическата верига може да се представи с електрически схеми, начертани по различни начини.

Тези две схеми са начертани различно. Схемата отляво показва източник на напрежение и три резистора подредени по ред на номерата. В схемата отдясно резисторът

R 3

изглежда поставен отляво на източника на напрежение.

Дали тези две схеми представят вярно електрическата верига? Или казано по друг начин:
Еквивалентни ли са тези две електрически схеми?

Казваме, че електрическата верига и електрическата схема (или две схеми) са еквивалентни, ако съдържат еднакъв брой възли и разклонения.

За да бъдат еквивалентни, две схеми трябва:

Да съдържат всички компоненти и източници
Да имат еднакъв брой възли
Всеки възел трябва да е свързан със същите разклонения

Да видим дали нашите две схеми са еднакви:

Всички компоненти и източници ли са представени в двете схеми?
Да видим ... $V$ ‍, тук!, $R 1$ ‍, тук!, $R 2$ ‍, тук! $R 3$ ‍, тук!
Всички елементи си съответстват.
Еднакъв брой възли ли имат двете схеми?
Да. Двете схеми съдържат по $2$ ‍ възела.
С еднакви разклонения ли са свързани възлите?
– Да. Всеки възел е свързан с трите резистора и с източник.

Двата възела са означени с оранжеви линии. Четирите разклонения са показани като сини стрелки.

Следователно отговорът е: да, тези схеми са еквивалентни.

Еквивалентни означава, че съответстващите си възли ще имат еднакво напрежение, а съответстващите си разклонения ще имат еднакъв ток. Това са нещата, които искаме да бъдат еднакви.

Може да се построи действителна верига въз основа на тези схеми. Ако поставим физически проводници и компоненти над някоя от двете електрически схеми и ги споим заедно, и от двете схеми ще получим желаната електрическа верига, с идентични напрежения във възлите и токове в разклоненията.

Това разглеждане на идентичността на схемите може да изглежда малко прекалено, защо е толкова важна? Електрическите схеми имат интересно свойство, което често учудва начинаещите.

Електрическа схема-пъзел

Ще покажем нещо, което може да изглежда озадачаващо (поне за момент). Както вече установихме, тези две схеми са еквивалентни помежду си. Но не всичко в тях е напълно еднакво. Индивидуалните точки на свързване между проводниците и елементите не са еднакви.

Виж синята стрелка на лявата схема. Този проводник провежда ток към

R 2

R 3

Можеш ли да намериш еквивалентния проводник на схемата отдясно?

(Намери проводника, който провежда ток до

R 2

R 3

Какво става? Това е специален въпрос, за да покажем нещо относно природата на електрическите схеми.

Този пъзел показва фундаменталната разлика между една истинска електрическа верига и една електрическа схема. Линиите в електрическата схема не показват задължително специфичния ред от точка до точка на свързване, който е налице в съответната реална електрическа верига. Въпросът за проводника, по който тече ток до резисторите

R 2

R 3

предполага определен ред на свързване, който не съществува в електрическата схема отдясно.

Как може да се избегне капана на пъзела на електрическите схеми? Винаги може да се облегнеш на тока в идентичните разклонения при еквивалентните схеми или реалните вериги. Винаги мисли за тока, протичащ в разклонение (протичащ през компонент или източник), а не за тока, протичащ по "проводника." Токовете в "проводниците" може да ги има или може да ги няма в еквивалентна версия на схемата, или в реалната електрическа верига, създадена по някоя от схемите.

Проверка на понятие: еквивалентност

Предлагаме ти една главоблъсканица, с която да провериш дали разбираш еквивалентността на електрическите схеми.

Кои от тези схеми представят едни и същи електрически вериги (т.е. са еквивалентни помежду си)?

Приеми, че всички резистори са еднакви.
Не бързай, това не е никак просто.
Подсказка: Има три отговора.

Проследи разклоненията и възлите, които започват от някаква значима точка във веригата, например от

+

извод на източника на напрежение. Проследи разклоненията и възлите във всяка верига, за да намериш тези, които са идентични.

Създаване на добри електрически схеми

Добрата електрическа схема служи за постигане на няколко важни цели. Добрата електрическа схема

представя структурата на електрическата верига по недвусмислен начин.
позволява споделянето на проекта на електрическа верига с други хора.
помага да си спомниш как работи електрическата верига дори и след един месец.

И ти, и колегите ти ще оцените следните добри навици за чертане на електрически схеми:

Поставяне на входовете отляво и на изходите отдясно.
Информацията трябва да се изписва от ляво надясно във веригата.
Използвай посоките нагоре/надолу на страницата, за да подскажеш нивото на напрежението. Това означава да чертаеш проводниците с по-високо напрежение по-близо до горния край на страницата, а с по-ниско напрежение (като нулата) по-близо до долния край на страницата.

Следните електрически схеми са еквивалентни помежду си, но тази отляво не е толкова лесна за разчитане, както тази отдясно. Схемата отдясно следва препоръките за добра електрическа схема.

Видео плейър на видеоклиповете в Кан Академия

Виж видео транскрипцията

Добрата електрическа схема предава замисъла на твоя проект. Така предаваш по-бързо и по-надеждно идеята си, когато чертаеш схеми, за да покажеш какво искаш да направиш.

Ако от теб поискат да разчетеш различни електрически схеми, отдели момент, за да оцениш стила на чертане. Подражавай на тези стилове на създаване на електрически схеми, които намираш лесни за разчитане. Вложи своята креативност в създаването на електрически схеми по нови начини.

Сега вече разполагаме с цялата терминология, за да обсъждаме електрически вериги и техните елементи. Готови сме да започнем да анализираме електрически вериги.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.