חוק אוהם למעגל שלם

בהנדסת חשמל יש מונחים: חתך ומעגל מלא.

האתר נקרא:

• חלק ממעגל חשמלי בתוך מקור זרם או מתח;

• כל המעגל החיצוני או הפנימי של אלמנטים חשמליים המחוברים למקור או לחלק ממנו.

המונח "מעגל שלם" משמש להתייחס למעגל שבו כל המעגלים מורכבים, כולל:

• מקורות;

• משתמשים;

• חוטי חיבור.

הגדרות כאלה עוזרות לנווט טוב יותר במעגלים, להבין את המאפיינים שלהם, לנתח את העבודה, לחפש נזקים ותקלות. הם משובצים בחוק אוהם, המאפשר לך לפתור את אותן שאלות כדי לייעל תהליכים חשמליים לצרכי האדם.

המחקר הבסיסי של גיאורג סיימון אוהם חל כמעט על כל אחד קטע של המעגל או הסכמטי המלא.

כיצד פועל חוק אוהם עבור מעגל DC שלם

לדוגמה, הבה ניקח תא גלווני, המכונה בפי העם סוללה, עם הפרש פוטנציאלי U בין האנודה לקתודה. אנו מחברים נורה עם חוט למסופים שלה, שיש לה התנגדות התנגדות פשוטה R.

זרם I = U / R שנוצר על ידי תנועת אלקטרונים במתכת יזרום דרך החוט. המעגל שנוצר על ידי חוטי הסוללה, חוטי החיבור והנורה מתייחס לחלק החיצוני של המעגל.

זרם יזרום גם בקטע הפנימי בין אלקטרודות הסוללה. הנשאים שלו יהיו יונים בעלי מטען חיובי ושלילי. אלקטרונים יימשכו אל הקתודה ויונים חיוביים יידחו ממנה אל האנודה.

כך מצטברים מטענים חיוביים ושליליים על הקתודה והאנודה, ונוצר ביניהם הבדל פוטנציאל.

התנועה השלמה של יונים באלקטרוליט מופרעת התנגדות פנימית של הסוללהמסומן ב- «r». הוא מגביל את פלט הזרם למעגל החיצוני ומפחית את הספק שלו לערך מסוים.

במעגל השלם של המעגל, הזרם זורם דרך המעגלים הפנימיים והחיצוניים, ומתגבר על ההתנגדות הכוללת R + r של שני המקטעים בסדרה. ערכו מושפע מהכוח המופעל על האלקטרודות, אשר נקרא electromotive או בקיצור EMF ומסומן במדד «E».

ניתן למדוד את ערכו באמצעות מד מתח במסופי הסוללה ללא עומס (ללא מעגל חיצוני). עם עומס מחובר באותו מקום, מד המתח מציג את המתח U. במילים אחרות: ללא עומס על מסופי הסוללה, U ו-E תואמים בגודלם, וכאשר הזרם זורם במעגל החיצוני, U < E.

כוח E יוצר את התנועה של מטענים חשמליים במעגל שלם וקובע את ערכו I = E / (R + r).

ביטוי מתמטי זה מגדיר את חוק אוהם למעגל DC שלם. פעולתו מומחשת ביתר פירוט בצד ימין של התמונה.זה מראה שכל המעגל השלם מורכב משני מעגלי זרם נפרדים.

ניתן גם לראות שבתוך הסוללה, גם כאשר עומס המעגל החיצוני כבוי, החלקיקים הטעונים נעים (זרם פריקה עצמית) ולכן נוצרת צריכה מיותרת של מתכת בקתודה. אנרגיית הסוללה, עקב התנגדות פנימית, מושקעת בחימום ומתפזרת לסביבה, ועם הזמן היא פשוט נעלמת.

התרגול מראה שהפחתת ההתנגדות הפנימית r בשיטות קונסטרוקטיביות אינה מוצדקת כלכלית עקב העלייה החדה בעלויות של המוצר הסופי ופריקה עצמית גבוהה למדי שלו.

מסקנות

כדי לשמור על יעילות הסוללה, יש להשתמש בה רק למטרה המיועדת שלה, ולחבר את המעגל החיצוני אך ורק לתקופת הפעולה.

ככל שההתנגדות של העומס המחובר גבוה יותר, כך חיי הסוללה ארוכים יותר. לכן, מנורות קסנון עם חוט ליבון עם צריכת זרם נמוכה יותר מאלו מלאות חנקן עם אותו שטף אור מבטיחות חיי שירות ארוכים יותר של מקורות אנרגיה.

בעת אחסון אלמנטים גלווניים, יש להוציא את מעבר הזרם בין המגעים של המעגל החיצוני על ידי בידוד אמין.

במקרה שהתנגדות המעגל החיצונית R של הסוללה עולה משמעותית על הערך הפנימי r, היא נחשבת למקור מתח, וכאשר מתקיים היחס ההפוך, זהו מקור זרם.

כיצד חוק אוהם משמש עבור מעגל AC שלם

מערכות חשמל AC הן הנפוצות ביותר בתעשיית החשמל.בתעשייה זו, הם מגיעים לאורך עצום על ידי הובלת חשמל על גבי קווי חשמל.

ככל שאורך קו ההולכה גדל, ההתנגדות החשמלית שלו עולה, מה שיוצר חימום של החוטים ומגביר את אובדן האנרגיה להולכה.

הידע של חוק אוהם עזר למהנדסי חשמל להפחית עלויות מיותרות של הובלת חשמל. לשם כך הם השתמשו בחישוב המרכיב של אובדן החשמל בחוטים.

החישוב מבוסס על ערך ההספק הפעיל המופק P = E ∙ I, אותו יש להעביר באופן איכותי לצרכנים מרוחקים ולהתגבר על ההתנגדות הכוללת:

• r פנימי במחולל;

• R חיצוני של חוטים.

גודל ה-EMF במסופי הגנרטור נקבע כ-E = I ∙ (r + R).

אובדן הכוח Pp כדי להתגבר על ההתנגדות של המעגל השלם יבוא לידי ביטוי בנוסחה המוצגת בתמונה.

ניתן לראות ממנו שצריכת החשמל עולה ביחס לאורך/התנגדות החוטים וניתן לצמצם אותם במהלך הובלת הכוח על ידי הגדלת EMF של הגנרטור או מתח הקו. שיטה זו משמשת על ידי הכללת שנאים מדרגים במעגל בקצה הגנרטור של קו החשמל ושנאים מטה בנקודת הקבלה של תחנות חשמל.

עם זאת, שיטה זו מוגבלת:

• המורכבות של מכשירים טכניים למניעת התרחשות של פריקות כליליות;

• הצורך להרחיק ולבודד קווי חשמל מפני השטח של כדור הארץ;

• עלייה באנרגיה של קרינת קו אוויר בחלל (הופעת אפקט האנטנה).

מאפיינים של פעולת חוק אוהם במעגלי זרם חילופין סינוסואידיים

משתמשים מודרניים של מתח גבוה תעשייתי ושל חשמל ביתי תלת פאזי / חד פאזי יוצרים לא רק עומסים פעילים, אלא גם תגובתיים עם מאפיינים אינדוקטיביים או קיבוליים בולטים. הם מובילים לשינוי פאזה בין הווקטורים של המתחים המופעלים והזרמים הזורמים במעגל.

במקרה זה, עבור הסימון המתמטי של תנודות הזמן של ההרמוניות, השתמש צורה מורכבתוגרפיקה וקטורית משמשות לייצוג מרחבי. הזרם המועבר דרך קו החשמל נרשם בנוסחה: I = U / Z.

הסימון המתמטי של המרכיבים העיקריים של חוק אוהם עם מספרים מרוכבים מאפשר לתכנת את האלגוריתמים של מכשירים אלקטרוניים המשמשים לשליטה וניהול של תהליכים טכנולוגיים מורכבים המתרחשים ללא הרף במערכת החשמל.

יחד עם מספרים מרוכבים, נעשה שימוש בצורה הדיפרנציאלית של כתיבת כל היחסים. זה נוח לניתוח תכונות המוליכות של חומרים.

כמה גורמים טכניים יכולים להפר את חוק אוהם למעגל שלם. הם כוללים:

• תדרי רטט גבוהים כאשר המומנטום של נושאי המטען מתחיל להשפיע. אין להם זמן לנוע עם קצב השינויים בשדה האלקטרומגנטי;

• מצבי מוליכות-על של מחלקה מסוימת של חומרים בטמפרטורות נמוכות;

• חימום מוגבר של חוטי זרם על ידי זרם חשמלי. כאשר מאפיין הזרם-מתח מאבד את אופיו הליניארי;

• הרס שכבת הבידוד על ידי פריקת מתח גבוה;

• מדיום של גז או צינורות אלקטרונים ואקום;

• התקנים ואלמנטים מוליכים למחצה.