ไฟฟ้าแบบไดนามิก: อภิปรายเกี่ยวกับวัสดุอย่างสมบูรณ์ + ตัวอย่างปัญหา

กระแสไฟฟ้าแบบไดนามิกคือการไหลของอนุภาคที่มีประจุในรูปของกระแสไฟฟ้าที่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้

กระแสไฟฟ้าสามารถไหลจากจุดที่มีศักยภาพสูงกว่าไปยังจุดที่มีศักย์ต่ำกว่าได้หากจุดทั้งสองเชื่อมต่อกันในวงจรปิด

กระแสไฟฟ้ามาจากการไหลของอิเล็กตรอนที่ไหลอย่างต่อเนื่องจากขั้วลบไปยังขั้วบวกจากศักย์สูงไปหาศักย์ต่ำจากแหล่งกำเนิดของความต่างศักย์ (แรงดันไฟฟ้า)

สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมโปรดพิจารณาภาพต่อไปนี้:

ภาพข้างบนก็บอกว่าจะ สูง berpontensial มากกว่า B กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นจาก A ถึง B นี่เป็นเพราะความพยายามในการปรับสมดุลระหว่าง A และ B

ในการวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าแบบไดนามิกที่ต้องพิจารณาคือส่วนประกอบของวงจรเช่นแหล่งพลังงานและความต้านทานการจัดเรียงวงจรและกฎหมายที่ใช้กับวงจร

ความต้านทานไฟฟ้า

ความต้านทาน (R) เป็นส่วนประกอบที่ทำหน้าที่ควบคุมปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจร

จำนวนของตัวต้านทานเรียกว่าความต้านทานซึ่งมีหน่วยของโอห์ม (Ω) เครื่องมือวัดที่ใช้วัดความต้านทานคือโอห์มมิเตอร์

วัสดุแต่ละชนิดมีค่าความต้านทานที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติความต้านทานของวัสดุวัสดุแบ่งออกเป็นสามส่วนคือ

ตัวนำมีความต้านทานน้อยจึงนำไฟฟ้าได้ดี ตัวอย่างเช่นวัสดุโลหะเช่นเหล็กทองแดงอลูมิเนียมและเงิน
ฉนวนมีความต้านทานสูงดังนั้นจึงไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ ตัวอย่างเช่นไม้และพลาสติก
ในขณะที่เซมิคอนดักเตอร์เป็นวัสดุที่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวนำได้เช่นเดียวกับฉนวน ตัวอย่างเช่นคาร์บอนซิลิกอนและเจอร์เมเนียม

จากคุณสมบัติของวัสดุเหล่านี้ซึ่งมักใช้เป็นตัวนำไฟฟ้ากั้นเป็นตัวนำ

ค่าความต้านทานของวัสดุตัวนำเป็นสัดส่วนกับความยาวของเส้นลวด (l) และแปรผกผันกับพื้นที่หน้าตัดของเส้นลวด (A) ในทางคณิตศาสตร์สามารถกำหนดรูปแบบได้ดังนี้:

ความต้านทานประเภทอยู่ที่ไหน L คือความยาวของตัวนำและ A คือส่วนตัดขวางของตัวนำ

สูตรไฟฟ้าแบบไดนามิก

สูตรกระแสไฟฟ้าแรง (I)

กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อมีการถ่ายเทอิเล็กตรอนตามที่อธิบายไว้ข้างต้น วัตถุทั้งสองมีประจุไฟฟ้าหากเชื่อมต่อกับตัวนำจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าเป็นสัญลักษณ์ของตัวอักษร Iมีหน่วยของ แอมแปร์ (A)ดังนั้นสูตรสำหรับความแรงของกระแสในกระแสไฟฟ้าแบบไดนามิกคือ:

ฉัน = Q / t

ข้อมูล:

ฉัน = กระแสไฟฟ้า (A)
Q = ปริมาณประจุไฟฟ้า (คูลอมบ์)
t = ช่วงเวลา

สูตรสำหรับศักย์หรือแหล่งกำเนิดแรงดันต่างกัน (V)

จากคำอธิบายข้างต้นกระแสไฟฟ้ามีคำจำกัดความของจำนวนอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในช่วงเวลาหนึ่ง

ความแตกต่างที่อาจจะก่อให้เกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนปริมาณของพลังงานไฟฟ้าที่จำเป็นในการไหลแต่ละค่าใช้จ่ายไฟฟ้าจากปลายของตัวนำที่เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าหรือความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น

แหล่งที่มาของแรงดันไฟฟ้าหรือความแตกต่างที่มีศักยภาพมีสัญลักษณ์ Vในหน่วยของ โวลต์ ในทางคณิตศาสตร์สูตรสำหรับความต่างศักย์ไฟฟ้าแบบไดนามิกคือ:

V = W / Q

ข้อมูล:

V = ความต่างศักย์หรือแรงดันไฟฟ้า (โวลต์)
W = พลังงาน (จูล)
Q = ประจุ (คูลอมบ์)

สูตรความต้านทานไฟฟ้า (R)

ความต้านทานหรือตัวต้านทานที่เป็นสัญลักษณ์โดยRในหน่วยโอห์มมีสูตร:

R = ρ. l / ก

ข้อมูล:

R = ความต้านทานไฟฟ้า (โอห์ม)
ρ = ความต้านทานจำเพาะ (ohm.mm2 / m)
A = พื้นที่หน้าตัดของเส้นลวด (m2)

สูตรกฎของโอห์ม (Ω)

กฎของโอห์มเป็นกฎที่ระบุว่าความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวนำจะเป็นสัดส่วนกับกระแสที่ไหลผ่าน

อ่านเพิ่มเติม: รูปภาพของ Cube Nets, Complete + ตัวอย่าง

กฎของโอห์มเชื่อมต่อความแรงของกระแสไฟฟ้าความต่างศักย์และความต้านทาน ด้วยสูตร:

I = V / R หรือ R = V / I หรือ V = I ร

ข้อมูล:

ฉัน = กระแสไฟฟ้า (A)
V = ความต่างศักย์หรือแรงดันแหล่งจ่ายไฟ (โวลต์)
R = ความต้านทานไฟฟ้า (โอห์ม)

เพื่อให้ง่ายต่อการจำสูตรนี้ความสัมพันธ์ของตัวแปรทั้งสามสามารถอธิบายได้ด้วยรูปสามเหลี่ยมต่อไปนี้:

กฎหมายวงจรของ Kirchoff

กฎวงจรของ Kirchoff เป็นกฎหมายที่ระบุปรากฏการณ์ของกระแสและแรงดันไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า กฎวงจร 1 ของ Kirchoff เกี่ยวข้องกับการไหลของกระแสไปยังจุดของวงจรและ Kirchoff 2 Circuit Law เกี่ยวข้องกับความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้า

กฎวงจรของ Kirchoff 1

เสียงของกฎของวงจร Kirchoff 1 คือ "ณ จุดใด ๆ ของการแตกแขนงในวงจรไฟฟ้าปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่เข้าสู่จุดนั้นจะเท่ากับจำนวนกระแสที่ออกจากจุดนั้นหรือจำนวนกระแสทั้งหมดที่จุดหนึ่งคือ 0"

กฎของ Kirchoff ในทางคณิตศาสตร์ 1 แสดงโดยสมการต่อไปนี้:

หรือ

ค่าของการไหลออกจะได้รับเครื่องหมายลบในขณะที่ค่าของการไหลเข้าจะได้รับเครื่องหมายบวก

สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมโปรดดูภาพต่อไปนี้:

ภาพข้างต้นแสดงให้เห็นว่าแอปพลิเค Kirchoff 1 ในการวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าที่ปริมาณของกระแสที่เข้ามาฉัน₂และฉัน₃จะเป็นเช่นเดียวกับผลรวมของการไหลออกของเงินที่ฉัน₁และฉัน4

กฎวงจรของ Kirchoff 2

เสียงของกฎวงจร 2 ของ Kirchoff คือ "ผลรวมทิศทาง (ดูการวางแนวของสัญญาณบวกและลบ) ของความต่างศักย์ไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้า) รอบ ๆ วงจรปิดเท่ากับ 0 หรือมากกว่านั้นผลรวมของแรงเคลื่อนไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมปิดจะเทียบเท่ากับจำนวนที่ลดลง ศักยภาพในแวดวงนั้น "

กฎของ Kirchoff 2 ในทางคณิตศาสตร์แสดงโดยสมการต่อไปนี้:

หรือ

การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าแบบไดนามิก

ในการวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าแบบไดนามิกมีคำสำคัญหลายประการที่ต้องพิจารณา ได้แก่ :

วน

ลูปคือวัฏจักรปิดที่มีจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดในส่วนประกอบเดียวกัน ในหนึ่งวงจะมีกระแสไฟฟ้าไหลเพียงครั้งเดียวและค่าของความต่างศักย์ในส่วนประกอบทางไฟฟ้าของลูปอาจแตกต่างกัน

ทางแยก

ทางแยกหรือโหนดเป็นจุดนัดพบระหว่างอุปกรณ์ไฟฟ้าตั้งแต่สองชิ้นขึ้นไป โหนดกลายเป็นสถานที่นัดพบสำหรับกระแสไฟฟ้าที่มีขนาดต่างกันและกฎข้อ 1 ของ Kirchoff แต่ละโหนดจะมีผลบังคับใช้

การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าแบบไดนามิกเริ่มต้นด้วยการระบุลูปและทางแยกในวงจร กฎของ Kirchoff 2 สามารถใช้ในการวิเคราะห์ลูปและในการวิเคราะห์ทางแยกหรือโหนดใช้กฎ 1 ของ Kirchoff

ทิศทางของลูปสามารถกำหนดได้โดยอิสระ แต่โดยทั่วไปทิศทางของลูปจะอยู่ในทิศทางของกระแสจากแหล่งจ่ายแรงดันที่โดดเด่นที่สุดในวงจร กระแสมีเครื่องหมายบวกถ้าเป็นทิศทางเดียวกับลูปและเครื่องหมายลบถ้าอยู่ตรงข้ามทิศทางลูป

ในส่วนประกอบที่มี EMF จะมีค่าเป็นบวกหากพบขั้วบวกสำหรับลูปและในทางกลับกันเป็นขั้วลบหากพบขั้วลบในลูปก่อน

ตัวอย่างการวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าสามารถทำได้ดังรูปต่อไปนี้:

ข้อมูล:

I ₃คือกระแสจากจุด A ถึง B

วน 1

แหล่งจ่ายแรงดัน 10V (V1) ซึ่งมี GGL ลบเนื่องจากพบขั้วลบก่อน
I1 ปัจจุบันอยู่ในทิศทางของลูปและ I3 ปัจจุบันอยู่ในทิศทางของลูป
มีส่วนประกอบ R1 ซึ่งไหลไปกับ I1 ปัจจุบัน
มีส่วนประกอบ R2 ซึ่งไหลด้วย I3 ปัจจุบัน
สมการของ Kirchoff 2 ในลูป 1:

อ่านเพิ่มเติม: กล้ามเนื้อเรียบ: คำอธิบายประเภทคุณสมบัติและรูปภาพ

วน 2

แหล่งจ่ายแรงดัน 5V (V2) ซึ่งมี EMF เป็นบวกเนื่องจากพบขั้วบวกก่อน
I2 ปัจจุบันอยู่ในทิศทางของลูปและ I3 ปัจจุบันอยู่ในทิศทางของลูป
มีส่วนประกอบ R2 ซึ่งไหลด้วย I3 ปัจจุบัน
มีคอมโพเนนต์ R3 ซึ่งได้รับพลังงานจาก I2 ปัจจุบัน
สมการของ Kirchoff 2 ในลูป 2:

โหนดก

มี Inrush I1
มีทางออก I2 และ I3
สมการของ Kirchoff 1 บนโหนด A:

ตัวอย่างปัญหาไฟฟ้าแบบไดนามิก

ปัญหาที่ 1:

ดูภาพด้านล่าง!

การไหลของกระแสไฟฟ้าที่มีอยู่ในความต้านทาน R2 คืออะไร?

อภิปรายผล

คุณรู้ว่า: R1 = 1 Ω; R2 = 3 Ω; R3 = 9 Ω; V = 8 โวลต์

ถามว่า: I2 =?

ตอบ:

ตัวอย่างของปัญหาไฟฟ้าแบบไดนามิกนี้สามารถแก้ไขได้โดยการหาจำนวนความต้านทานทั้งหมดก่อน โดยใช้ขั้นตอนด้านล่างนี้:

1 / Rp = 1 / R2 + 1 / R3

= (1/3) + (1/9)

= (3/9) + (1/9)

= 4/9

Rp = 9/4 Ω

ความต้านทานรวม (Rt) = R1 + Rp

= 1 + 9/4

= 13/4 Ω

ขั้นตอนต่อไปคือการหากระแสรวมด้วยกฎของโอห์มดังต่อไปนี้:

ฉัน = V / Rt

= 8 / (13/4)

= 32/13 อ.

ขั้นตอนสุดท้ายคือการคำนวณกระแสที่ไหลใน R2 ด้วยสูตรต่อไปนี้:

I2 = R3 / (R2 + R3) x I

= (9 / (3 + 9)) x (32/13)

= (9/13) x (32/13)

= 1.7 ก

ดังนั้นในความต้านทาน R2 จะมีกระแสไฟฟ้าไหลที่ 1.7 A

ปัญหา 2:

จำนวนของตัวต้านทานแต่ละตัวซึ่งมีจำนวนถึง 3 ตัวในอนุกรมคือ 4 Ω, 5 Ωและ 7 Ω จากนั้นมีแบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อที่ปลายทั้งสองข้างด้วย GGL ขนาดใหญ่ 6 โวลต์และความต้านทานภายใน 3/4 Ω คำนวณแรงดันไฟฟ้าในวงจร?