Electric Circuits: Components, Types, and Related Concepts

Robert Hazen, Ph. D., George Mason University

sähköpiirit ovat tärkeitä käsitteitä, joilla on käytännön sovelluksia jokapäiväisessä elämässämme. Se on hyvin yksinkertainen käsite, joka sisältää kolme eri komponenttia-sähköenergian lähde, laite ja suljetun silmukan johtavaa materiaalia.

sähköenergian lähde

sähköpiirin ensimmäinen komponentti on sähköenergian lähde, joka mahdollistaa elektronien liikkumisen. Tämä lähde voisi olla akku, aurinkokenno tai vesivoimala—paikka, jossa on positiivinen terminaali ja negatiivinen terminaali ja josta lataus voisi virrata yhdestä toiseen. Tätä sähkövarauksen työntöä kutsutaan jännitteeksi, jonka potentiaali mitataan voltteina.

laite sähköpiirissä

toinen komponentti on laite. Se reagoi sen läpi virtaavaan virtaukseen. Nykyään laite on jotain, joka voidaan kytkeä pistorasiaan ja käyttää sähköä. Silmukka on yleensä suljettu käyttäen pala johtavaa materiaalia. Se on yleensä Lanka, mutta on olemassa muunlaisia materiaaleja, jotka voivat sulkea silmukan liian. Esimerkiksi television sisällä on erilaisia metallinauhoja, jotka on talletettu muoviselle pinnalle, joka voi olla johtavaa materiaalia tai jopa joissakin tapauksissa suljetun piirin osaksi tulevan laitteen alusta.

virtapiirin resistanssi

kolmas komponentti on resistanssi; jokainen piiri kestää jonkin verran elektronien virtausta. Elektronit törmäävät muihin elektroneihin ja atomeihin, joista Lanka koostuu, ja näin ne muuttavat osan energiastaan lämmöksi. Ei yksinkertaisesti ole mahdollista siirtää energiaa muodosta toiseen menettämättä siitä energiaa lämpönä.

Lue lisää sähkömagnetismista.

taskulamppu Virtapiirinä

taskulamppu on yksinkertainen laite, joka sisältää kaikki nämä kolme komponenttia. Taskulampun paristot ovat lähde.

taskulampun päässä oleva lamppu on laite, johon virta virtaa. Virta kulkee hyvin pienen hehkulangan läpi, joka kuumenee sähkövastuksen vuoksi hyvin korkeaan lämpötilaan. Tämän seurauksena hehkulanka hehkuu kirkkaasti.

piirin viimeistelee lopulta metallinauha, joka menee taskulampun piippuun. Taskulampun toisessa päässä on myös lankakela ja toisessa päässä ovat akun kosketuspisteet sekä toinen lankakaistale, jotka yhdessä täydentävät piirin.

myös kytkimissä, sulakkeissa ja Katkaisimissa

taskulampuissa ja useimmissa muissa sähkölaitteissa on kytkin. Kytkin on vain laite, joka auttaa katkaisemaan johtavan materiaalin jatkuvan silmukan.

kun kytkin on auki, virtaa ei tule, mutta kun kytkin on kiinni, virtaa tulee. Periaatteessa kaikki piirit toimivat näin. Jopa huoneesi seinään kytketyssä virtapiirissä on jatkuva johtosilmukka, joka ulottuu kodistasi aina voimalaitokseen asti.

ylikuormituksesta johtuvien suurpalojen estämiseen käytetään sulaketta tai katkaisijaa. Sulake on suunniteltu palamaan, jos virta nousee liian korkeaksi.

Lue lisää termodynamiikan ensimmäisestä laista.

tyyppisiä sähköpiirejä

kodeissa ja muissa yleisissä laitteissa on kahdenlaisia piirejä; nimittäin sarjapiirejä ja rinnakkaispiirejä.

Sarjapiirit— sarjapiirit koostuu useista laitteista, joista jokainen on linkitetty yksi toisensa jälkeen vain yhdeksi suureksi silmukaksi. Eri laitteilla on kuitenkin eri Jännitteet eri puolilla, sama virta kulkee sarjan piirin jokaisen laitteen läpi.

jos jokin sarjan piirin laitteista rikkoutuu, koko piiri pettää. Esimerkiksi, jos on kolme hehkulamppuja kytketty sarjaan, vain yksi silmukka lanka kytketty akku. Jos yksi lamppu on ruuvattu irti, koko piiri pettää.

Rinnakkaispiirit —rinnakkaispiireissä eri laitteet on järjestetty siten, että yksi lähde antaa jännitteen erillisille johdinsilmukoille. Jännite jokaisessa laitteessa koko piiri on täsmälleen sama, mutta yleensä eri laitteet tulevat näkemään erilaisia virtoja. Tällöin jokainen laite toimii, vaikka muut epäonnistuisivat.

esimerkiksi jos kaksi hehkulamppua on kytketty toisiinsa rinnakkain ja toinen on ruuvattu irti, toinen toimii. Nykyaikaiset joulukuusen valot tehdään rinnakkaispiireissä niin, että vaikka yksi valo palaisi loppuun, koko säiettä ei tarvitse heittää pois.

tämä on transkriptio videosarjasta the Joy of Science. Katso sitä nyt, Wondrium.

virtapiirien välisten suhteiden systematisointi – Kirchhoffin lait

piirien systematisoitumisella on valtava merkitys sähkötekniikassa ja se selittyy Kirchhoffin laeilla. Ensimmäisen lain mukaan ” lähteen tuottama energia on yhtä suuri kuin virtapiirissä kulutettu energia, mukaan lukien resistanssin seurauksena menetetty lämpö.”

toisen lain mukaan ” mihin tahansa yhtymäkohtaan virtaava virta on samasta yhtymäkohdasta ulos virtaavien virtausten summa.”Tämä tarkoittaa sitä, että virta on elektroneja, jotka virtaavat johtojen läpi ja yhtymäkohtaan virtaavien elektronien määrä on yhtä suuri kuin siitä yhtymäkohdasta ulos virtaavien elektronien määrä.

Lue lisää entropiasta.

ovatko sähköenergian eri muodot pohjimmiltaan samoja?

Michael Faraday tutki systemaattisesti näitä erilaisia sähköjä. Hän pystyi osoittamaan, että kaikki nämä sähkön eri muodot tuottivat täsmälleen samanlaisen ilmiön ja johtuivat elektronien liikkeistä.

Faraday päätteli, että kaikki energiamuodot tuottavat kipinöitä, voivat virrata johtojen läpi ja ne voidaan saada tekemään työtä. Hänen tutkimuksensa osoittivat myös ensimmäistä kertaa, että sähköankeriaan eläinsähkö, akusta tuleva sähkö ja salamasähkö olivat kaikki yksi ja sama ilmiö.

sähkövirta ja teho

elektronien virtausta tai liikettä sähköpiirin läpi kutsutaan sähkövirraksi. Virta mitataan ampeereina. Yksi ampeeri vastaa noin 6: ta miljardia elektronia, jotka läpäisevät kyseisen piirin pisteen joka sekunti.

toinen tärkeä sähköön liittyvä termi on voima. Valta määritellään työksi jaettuna ajalla. Virtapiirissä teho vastaa virran jännitettä watteina mitattuna. Mitä suurempi teho on, sitä nopeammin tuo esine kuluttaa energiaa, oli se sitten lamppu, vahvistin tai mikä tahansa sähkölaite.

Lue lisää magnetismista ja staattisesta sähköstä.

Yleisiä kysymyksiä Alessandro Voltan osuuksista ja akun keksimisestä