Obwody elektryczne - schematy, symbole i połączenia

1.Obwód elektryczny

Połączone ze sobą źródło napięcia (np. ogniwo), odbiornik (np. żarówka) i przewody, które tworzą drogę dla prądu. Często ma też wyłącznik i mierniki.

2.Obwód zamknięty i obwód otwarty

W obwodzie zamkniętym elementy tworzą ciągłą drogę i płynie prąd. W obwodzie otwartym droga jest przerwana, np. wyłącznik jest otwarty albo żarówka się przepaliła, więc prąd nie płynie.

3.Schemat obwodu

Uproszczony rysunek obwodu, na którym elementy zastępuje się umownymi symbolami graficznymi, a przewody - liniami, zwykle poziomymi i pionowymi.

4.Symbol ogniwa

Dwie równoległe kreski różnej długości: dłuższa i cieńsza oznacza biegun dodatni (+), a krótsza i grubsza - biegun ujemny (-).

5.Bateria

Kilka ogniw połączonych szeregowo. Jej napięcie jest sumą napięć ogniw, np. trzy ogniwa po $1{,}5~\mathrm{V}$ dają baterię o napięciu $4{,}5~\mathrm{V}$. Na schemacie rysuje się ją jako kilka symboli ogniwa obok siebie.

6.Symbol żarówki

Okrąg z wpisanym w niego krzyżykiem (X).

7.Opornik i jego symbol

Opornik to element o określonym oporze, który ogranicza natężenie prądu w obwodzie. Na schemacie oznacza się go prostokątem wstawionym w linię przewodu.

8.Wyłącznik i jego symbol

Wyłącznik zamyka albo otwiera obwód. Na schemacie rysuje się go jako przerwę w linii przewodu z kreską ukośnie odchyloną od jednego końca, gdy jest otwarty.

9.Symbole amperomierza i woltomierza

Okrąg z wpisaną literą A oznacza amperomierz, a okrąg z wpisaną literą V - woltomierz.

10.Złącze przewodów na schemacie

Miejsce połączenia przewodów, zaznaczane na schemacie kropką. Linie, które się przecinają bez kropki, oznaczają przewody niepołączone ze sobą.

11.Prąd elektryczny

Uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. W metalach płyną elektrony swobodne, a w roztworach elektrolitów - jony.

12.Kierunek umowny prądu

W obwodzie na zewnątrz źródła prąd płynie umownie od bieguna dodatniego (+) do bieguna ujemnego (-). Ten kierunek przyjęto, zanim odkryto elektrony.

13.Kierunek ruchu elektronów w obwodzie

Elektrony w przewodach płyną od bieguna ujemnego (-) do bieguna dodatniego (+), czyli przeciwnie do kierunku umownego.

14.Natężenie prądu

Wielkość, która mówi, jaki ładunek przepływa przez przekrój przewodnika w jednostce czasu: $I = \frac{q}{t}$. Jednostką jest amper (A); prąd ma natężenie $1~\mathrm{A}$, gdy w ciągu $1~\mathrm{s}$ przepływa ładunek $1~\mathrm{C}$.

15.Napięcie elektryczne

Wielkość równa pracy, jaką wykonuje prąd przy przepływie ładunku, podzielonej przez ten ładunek: $U = \frac{W}{q}$. Jednostką jest wolt (V): $1~\mathrm{V} = \frac{1~\mathrm{J}}{1~\mathrm{C}}$. Napięcie źródła sprawia, że w zamkniętym obwodzie płynie prąd.

16.Amperomierz

Miernik natężenia prądu. Włącza się go szeregowo z odbiornikiem, tak żeby płynął przez niego cały mierzony prąd.

17.Jak włącza się woltomierz?

Miernik napięcia. Włącza się go równolegle do odbiornika albo źródła, czyli jego zaciski łączy się z końcami elementu, na którym mierzy się napięcie.

18.Połączenie szeregowe odbiorników

Odbiorniki są połączone jeden za drugim, więc prąd ma tylko jedną drogę. Przez każdy odbiornik płynie prąd o tym samym natężeniu.

19.Rozkład napięć w połączeniu szeregowym

Napięcie źródła rozkłada się na odbiorniki: suma napięć na odbiornikach jest równa napięciu źródła, np. $U = U_1 + U_2$.

20.Przepalenie żarówki w połączeniu szeregowym

Obwód zostaje przerwany, więc prąd przestaje płynąć i gasną wszystkie żarówki, np. w starszym łańcuchu lampek choinkowych.

21.Połączenie równoległe odbiorników

Każdy odbiornik jest podłączony osobno do tych samych dwóch punktów obwodu, więc prąd ma kilka dróg. Na każdym odbiorniku jest takie samo napięcie.

22.Rozgałęzienie prądu w połączeniu równoległym

Prąd ze źródła rozdziela się w złączu na gałęzie: natężenie prądu przed rozgałęzieniem jest równe sumie natężeń w gałęziach, np. $I = I_1 + I_2$.

23.Przepalenie żarówki w połączeniu równoległym

Pozostałe odbiorniki działają dalej, bo każda gałąź jest osobną drogą dla prądu. Dlatego urządzenia w mieszkaniu łączy się równolegle: każde ma napięcie sieci $230~\mathrm{V}$ i można je włączać niezależnie.

24.Różnice między połączeniem szeregowym a równoległym

Szeregowe: jedna droga prądu, ten sam prąd w każdym odbiorniku, napięcia się sumują, przepalenie jednego odbiornika przerywa obwód. Równoległe: kilka dróg prądu, to samo napięcie na każdym odbiorniku, natężenia się sumują, odbiorniki działają niezależnie.

25.Opór elektryczny przewodnika

Wielkość, która mówi, jak bardzo przewodnik utrudnia przepływ prądu: $R = \frac{U}{I}$. Jednostką jest om ($\Omega$): $1~\Omega = \frac{1~\mathrm{V}}{1~\mathrm{A}}$.

26.Prawo Ohma

Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia między jego końcami (w stałej temperaturze): $U = R \cdot I$. Z tego wzoru $I = \frac{U}{R}$, a $R = \frac{U}{I}$; napięcie podstawiaj w woltach, natężenie w amperach, opór w omach.

27.Wykres natężenia od napięcia dla opornika

Gdy przewodnik spełnia prawo Ohma, wykres zależności $I$ od $U$ jest prostą przechodzącą przez początek układu współrzędnych: ile razy rośnie napięcie, tyle razy rośnie natężenie. Im większy opór, tym prosta jest mniej nachylona.

28.Wyznaczanie oporu z pomiarów

Woltomierzem mierzy się napięcie na oporniku, a amperomierzem natężenie płynącego przez niego prądu. Opór oblicza się potem ze wzoru $R = \frac{U}{I}$.

29.Wzór na pracę prądu

Energia, którą prąd przekazuje odbiornikowi, np. zamieniana w żarówce na światło i ciepło: $W = U \cdot I \cdot t$. Jednostką jest dżul (J).

30.Wzór na moc prądu

Praca wykonana przez prąd w jednostce czasu: $P = U \cdot I$, a także $P = \frac{W}{t}$. Jednostką jest wat (W): $1~\mathrm{W} = 1~\mathrm{V} \cdot 1~\mathrm{A}$.

31.Kilowatogodzina (kWh)

Jednostka energii: tyle energii zużywa urządzenie o mocy $1~\mathrm{kW}$ pracujące przez $1~\mathrm{h}$. $1~\mathrm{kWh} = 1000~\mathrm{W} \cdot 3600~\mathrm{s} = 3{,}6 \cdot 10^6~\mathrm{J}$. W kilowatogodzinach energię mierzy licznik prądu.

32.Obliczanie zużytej energii w kWh

Moc urządzenia w kilowatach mnoży się przez czas pracy w godzinach: $W = P \cdot t$. Moc podaną w watach trzeba najpierw podzielić przez 1000.

33.Zwarcie

Połączenie biegunów źródła (albo dwóch przewodów instalacji) przewodnikiem o bardzo małym oporze, z pominięciem odbiornika. Natężenie prądu gwałtownie rośnie, przewody mocno się nagrzewają i grozi pożar.

34.Bezpiecznik

Element, który przerywa obwód, gdy natężenie prądu jest za duże, np. przy zwarciu albo przeciążeniu, czyli gdy włączono naraz zbyt wiele urządzeń. Bywa topikowy (topi się w nim drucik) albo automatyczny (wyłącznik nadprądowy).

35.Izolacja przewodów

Warstwa izolatora, np. tworzywa sztucznego, na przewodach. Chroni przed porażeniem prądem i przed zwarciem, dlatego nie wolno używać przewodów z uszkodzoną izolacją.