מעגלים חשמליים
מה נלמד בשיעור ? - מרכיבי המעגל החשמלי. - מעגל חשמלי סגור ופתוח. - מהו זרם חשמלי ? - מהו מתח חשמלי ? - מוליכים ומבודדים. - התנגדות ומוליכים. - התנגדות. - חוק אוהם. - קצר ועומס יתר. - חיבור מעגל חשמלי בטור ובמקביל .
אסור לשחק עם חשמל!!! חייבים להיזהר עם חשמל!!!
מרכיבי המעגל החשמלי המעגל החשמלי מורכב מ: מקור חשמל מוליכים צרכן
סימנים מוסכמים
מעגל חשמלי סגור ופתוח... מעגל חשמלי פתוח. מתקבל אשר אין רצף של מוליכים ומקור הזרם במעגל החשמלי. מעגל חשמלי סגור. רצף של מוליכים ומקור זרם המחוברים ביניהם מאפשר העברת זרם חשמלי.
מהו זרם חשמלי ? זרם חשמלי הוא: Electric current זרם חשמלי הוא: תנועה של אלקטרונים הנעים בכיוון אחד במוליך. עוצמת הזרם היא : מספר האלקטרונים העוברים בכל שנייה דרך שטח החתך במוליך. יחידת המידה לעוצמת הזרם החשמלי נקראת אמפר. המכשיר המודד זרם חשמלי הוא: אמפרמטר. בעברית מכשיר זה נקרא: מד זרם.
מהו זרם חשמלי ? Electric current עוצמת זרם חשמלי בתיל מוליך היא כמות המטען העובר ביחידת זמן דרך חתך הרוחב של התיל.
מהו מתח חשמלי ? Voltage מתח חשמלי, ובקצרה מתח, הוא ההפרש בפוטנציאל חשמלי בין שתי נקודות. גודל זה הוא העבודה שיש לבצע על מנת להעביר מטען בין הנקודות. הפוטנציאל החשמלי בנקודה כלשהי הוא העבודה שיש לבצע על מנת להביא לנקודה זו מטען. מתח נמדד ביחידות של וולט ומסומן באות V
השוואה בין מעגל זרם ישר וזרם מים https://www.mada.org.il/sites/default/files/userfiles/WaterAnalogy-heb.swf
השוואה בין מעגל זרם ישר וזרם מים https://www.mada.org.il/sites/default/files/userfiles/WaterAnalogy-heb.swf
השווה עם זרימה זרימת מים חזקה זרימת מים חלשה
Voltage Analogy V V More Energy == Higher Voltage Water Tower Water Tower V V More Energy == Higher Voltage Less Energy == Lower Voltage
Resistance Analogy V Big Pipe == Lower Resistance Water Tower Water Tower V Big Pipe == Lower Resistance Small Pipe == Higher Resistance
מוליכים: חומרים שדרכם יכול לעבור זרם חשמלי. מוליכים ומבודדים מוליכות היא תכונה של החומר. היא מתייחסת ליכולת של האלקטרונים לעבור בחומר. ככל שהמוליכות טובה יותר האלקטרונים יכולים לעבור בחומר יותר בקלות, ולכן עוצמת הזרם במעגל גדולה יותר. אפשר למיין את החומרים השונים לשתי קבוצות: מוליכים: חומרים שדרכם יכול לעבור זרם חשמלי. מבודדים: חומרים המתנגדים במידה רבה להעברת זרם חשמלי. כמו ההבדל בין זרימת מים דרך חור קטן לעומת דרך המוביל הארצי.
מוליכים ומבודדים מוליכות טובה מוליכות גרועה במבנה המתכת יש אלקטרונים הנקראים אלקטרונים חופשיים. אלקטרונים אלו נמצאים בין אטומי המתכת בחומר. אלקטרונים אלו כל הזמן נעים בצורה אקראית.בהעברת זרם חשמלי, כלומר שמחברים מעגל סגור האלקטרונים זורמים בצורה מסודרת מההדק השלילי להדק החיובי. מוליכות טובה כסף נחושת ניקל כספית זכוכית עץ גומי מוליכות גרועה בחומרים מבודדים אין אלקטרונים חופשיים. כל האלקטרונים קשורים חזק לאטומים. ולכן סוללה או כל מקור מתכת לא יכול לגרום להנעתם.
התנגדות ומוליכים התנגדות נמוכה התנגדות בינונית התנגדות גדולה מוליכות נמוכה מוליכות בינונית מוליכות גבוהה
מוליכים ומבודדים התחממות מוליכים: מעבר זרם במוליך מתכתי גורם תמיד להתחממות המוליך. האלקטרונים המהווים את הזרם החשמלי, מתנגשים באטומים שמהם עשוי המוליך והטמפ' של המוליך עולה. עליית הטמפ' במעגל החשמלי הינה תופעה רגילה ולפעמים מסוכנת.
התנגדות R התנגדות L אורך המוליך A שטח החתך Resistance התנגדותו של מוליך תלויה בחומר ממנו הוא עשוי, באורכו ובשטח החתך שלו. התנגדות סגולית (סוג החומר) R התנגדות L אורך המוליך A שטח החתך למוליכים ארוכים יותר התנגדות גבוהה יותר התנגדות גוברת נגד = מרכיב שמעכב או מאט את קצב זרימת האלקטרונים במוליך. התנגדות גדלה ככל ששטח חתך יורד התנגדות גוברת
התנגדות הסבר מדוע מרבית תילי ההולכה במעגלים חשמליים עשויים מנחושת ? Resistance בטבלה מופיעים הערכים של עבור חומרים שונים.ככל שערכו של גדול יותר פירוש הדבר שחומר מוליך פחות טוב ! בין השאר מופעים בטבלה גם חומרים שהתנגדותם הסגולית גבוהה בהרבה סדרי גודל מההתנגדות הסגולית של המתכות. חומרים אלה הם כמובן מבדדים. הסבר מדוע מרבית תילי ההולכה במעגלים חשמליים עשויים מנחושת ?
חוק אוהם V = I R V = I R אם יש הרבה התנגדות (R) על אותו מתח (V) זרם [A] התנגדות[Ω] אם יש הרבה התנגדות (R) על אותו מתח (V) אז יש פחות זרם (I) אם יש הרבה מתח (V) על אותה התנגדות (R) אז יש זרם גדול (I) V = I R V = I R המתח מתייחס לעוצמה של זרימת החשמל – דומה ללחץ המים .יכול להיות ברז שמטפטף 60 ליטרים ביום לעומת זרנוק כיבוי שמשפריץ 60 ליטרים בדקה.
קצר ועומס יתר חשמל "עצלן" תמיד זורם בדרך עם הכי פחות התנגדות. עומס יתר: מצב שבו עוצמת זרם גדולה בהרבה מהמותר עוברת במעגל חשמלי. קצר: מצב שבו קיימת ירידה פתאומית של ההתנגדות החשמלית במעגל חשמלי. זרם גדול מדי נגרם כתוצאה: מהפעלה בו זמנית של מכשירי חשמל רבים. נגרם כתוצאה: ממגע בין מוליכים כמו שבידודם נקרע. התחממות חריגה ומסוכנת של חוטי חשמל
R U I [Ω] [v] [A] מי האנשים שהביאו לנו את זה ? Resistance Voltage Electric current R U I התנגדות מתח זרם [Ω] [v] [A] אוהם וולט אמפר
חיבור מעגל חשמלי בטור ובמקביל
חיבור מעגל חשמלי בטור ובמקביל Series and parallel circuits חיבור בטור חיבור במקביל כאשר הצרכנים מחוברים בטור, הם יוצרים מסלול אחד למעבר האלקטרונים בין שני הדקי הסוללה. כאשר הצרכנים מחוברים במקביל הם יוצרים ענפים, שכל אחד מהם הוא מסלול נפרד למעבר האלקטרונים. ולכל אחד מסוגי החיבורים יש מאפיינים משלו .
חיבור במקביל חיבור במקביל הוא חיבור שבו כל אחד מהמכשירים החשמליים מחובר באופן עצמאי למקור חשמל. כך נוצרים מספר מעגלים חשמליים, שאינם תלויים האחד בשני. ניתוק מכשיר אינו מפריע לזרימת אלקטרונים במעגל. הוספת רכיב במקביל (כמו הוספת מעבר נוסף לקהל) מקטינה את ההתנגדות הכוללת במעגל ולכן מגדילה את עוצמת הזרם. (יותר אלקטרונים עוברים בשנייה) בבית כל המכשירים, המפסקים וכד' מחוברים במקביל. כך ניתן לשלוט בכל מכשיר בנפרד. כשמנתקים אחד השאר ממשיכים לפעול.
חיבור במקביל לפי סוג החיבור הזה כל נגדים קשורים בין שתי נקודות – A ו – B המתח בין שתי נקודות האלה שווה ל – U (מתח של מקור). זרם חשמלי שזורם במעגל לפני התפצלותו בנקודה A נסמן כ – I. באנלוגיה לזרימת נוזלים, כמות המטענים שנכנסים להתפצלות המעגל – A שווה לכמות שלהם בנקודה B – נקודת התאחדות של זרמים העוברים דרך נגדים המקבילים (מטען לא נעלם ולא מתווסף). מכאן נסיק הקשר בין הזרם הכללי – I לבין הזרמים העוברים דרך כל אחד מנגדים: I = I1 + I2 + I3
חיבור במקביל לפי סוג החיבור הזה כל נגדים קשורים בין שתי נקודות – A ו – B על פי חוק אוהם, עבור כל אחד מהנגדים נקבל: כאשר: Rp – זאת התנגדות השקולה של שלושה נגדים המחוברים במקביל. הנוסחה בשבילה מקבלים לאחר צמצום של הנוסחה הקודמת: בעבור חיבור של n נגדים במקביל הנוסחה היא:
חיבור במקביל לפי סוג החיבור הזה כל נגדים קשורים בין שתי נקודות – A ו – B הזרם העובר דרך נגד אחד בחיבור במקביל שווה ל: בדומה עבור נגד אחר: ועבור היחס בין הזרמים דרך שני נגדים נקבל: כאשר נגדים מחוברים במקביל – היחס בין זרמים העוברים דרכם הפוך ליחס בין התנגדויות הנגדים האלה. ומכאן ברור, שדרך נגד שהתנגדותו קטנה יותר יזרום זרם בעוצמה גדולה יותר.
חוק הזרמים Kirchhoff's current law חוק הזרמים (Kirchhoff's current law או בקיצור KCL ) נקרא גם החוק הראשון של קירכהוף או חוק הצומת. סכום הזרמים הנכנסים לנקודה שווה לסכום הזרמים היוצאים ממנה, כתוצאה מכך מתקיים השוויון : או IT=I1+I2+I3
חוק הזרמים Kirchhoff's current law
חיבור בטור חיבור בטור הוא חיבור של מכשירים חשמליים בשורה, האחד אחרי השני, לאורך חוט מוליך. לכל רכיב במעגל יש נקודת חיבור אחת ללא הסתעפויות. בחיבור בטור המכשירים החשמליים תלויים האחד בשני, כלומר: אם אחד המכשירים החשמליים מתקלקל, שאר המכשירים החשמליים שבמעגל מפסיקים גם הם לפעול. עוצמת הזרם קבועה לאורך המעגל. הוספת מכשירים חשמליים מגדילה את ההתנגדות הכללית במעגל ולכן מקטינה את עוצמת הזרם.
חיבור בטור כפי שניתן לראות מאיור להלן, כאשר מחברים נגדים בטור – אותו זרם - I עובר דרך כל הנגדים (R1, R2 ו – R3): הפרש פוטנציאלים U הנוצר ע"י מקור המטח מספק אנרגיה חשמלית כדי להעביר מטענים דרך שלושה נגדים המרכיבים את המעגל. מעבר הזרם I דרך כל אחד מהם דורש אנרגיה, לכן פוטנציאל () של קצה הנגד המרוחק מהדק החיובי של מקור המתח הוא נמוך יותר מפוטנציאל של קצה הקרוב להדק הזה:
חיבור בטור זה אומר שבין קצוות הנגדים קיים מפל מתח חשמלי: לפי חוק שמירת האנרגיה המתח שמסופק ע"י מקור – U אמור להיות שווה לסכום מפלי המתח על כל אחד מנגדי המעגל שמחוברים בטור (משום שמפל מתח על נגד מסוים מאפיין איבוד של אנרגיה חשמלית לצורכי מעבר זרם דרך הנגד): U = U1 + U2 + U3 נוסחה לחישוב התנגדות שקולה Rs = R1 + R2 + R3 + . . . + Rn מפל המתח על נגד כלשהו בחיבור טורי הוא: = I ∙ R1 U1ועבור נגד אחר: U2 = I ∙ R2. אם נבדוק את היחס בין מתחים שאליהם, נקבל: היחס בין המתחים בנגדים שווה ליחס בין התנגדויות הנגדים. מכאן ברור, שעל נגד שהתנגדותו גבוהה יותר ייפול יותר מתח.
מחלק מתח Voltage Divider - סידור של שני נגדים שיוצר שינויים במתח המתקבל במוצא, כתלות בערכי הנגדים.
חיבור טורי חיבור מקבילי התנגדות שקולה RT=R1+R2+R3+… התנגדות של שני נגדים RT=R1+R2 התנגדות שקולה (nנגדים שווים) RT=nR מתח UT=U1+U2+U3+… UT=U1=U2=U3=… זרם IT=I1=I2=I3=… IT=I1+I2+I3+…
סיכום: מה למדנו בשיעור ? - מרכיבי המעגל החשמלי. מקור חשמל, מוליכים, צרכן. - מעגל חשמלי סגור ופתוח. מעגל חשמלי פתוח - אין רצף של מוליכים. מעגל חשמלי סגור- קיום רצף של מוליכים. - מהו זרם חשמלי ? - תנועה של אלקטרונים הנעים בכיוון אחד במוליך. - מהו מתח חשמלי ? - הוא ההפרש בפוטנציאל חשמלי בין שתי נקודות. - מוליכים ומבודדים. מוליכים: חומרים שדרכם יכול לעבור זרם חשמלי. מבודדים: חומרים המתנגדים במידה רבה להעברת זרם חשמלי. - התנגדות ומוליכים. התנגדותו של מוליך תלויה בחומר ממנו הוא עשוי, באורכו ובשטח החתך שלו. - חוק אוהם. - קצר ועומס יתר. קצר: מצב שבו קיימת ירידה פתאומית של ההתנגדות החשמלית במעגל חשמלי. עומס יתר: מצב שבו עוצמת זרם גדולה בהרבה מהמותר עוברת במעגל חשמלי. - חיבור מעגל בטור ובמקביל דף נוסחואת. . מתח זרם התנגדות
חיבור טורי חיבור מקבילי RT=R1+R2+R3+… RT=R1+R2 RT=nR UT=U1+U2+U3+… התנגדות שקולה RT=R1+R2+R3+… התנגדות של שני נגדים RT=R1+R2 התנגדות שקולה (nנגדים שווים) RT=nR מתח UT=U1+U2+U3+… UT=U1=U2=U3=… זרם IT=I1=I2=I3=… IT=I1+I2+I3+…