חוק אום, חוק הזרמים והמתחים של קירכהוף

חוק אום

חוק אום- מציין את הקשר בין זרם,מתח והתנגדות עלפי הנוסחה הבאה :

U=IxR

U - מתח

I - זרם

R - התנגדות

מהו זרם חשמלי?

כל ההגדרות הבסיסיות בחשמל ניתנות להמחשה בעזרת מים בצורה הבאה :
צינור מים = מוליך חשמלי
זרם המים = זרם חשמלי
מקור מתח = מגדל מים
כדי להזרים מים בצינור מים לצרכנים יש להשתמש במגדל מים המשמש מקור כוח שדוחף את המים בצינורות, מגדל המים שקול למקור מתח במעגל החשמלי, מקור המתח גורם לזרימת זרם חשמלי במוליכים.
אם צינור המים צר יותר הוא יתנגד לזרימת זרם חזק של מים דרכו, כך גם במעגל חשמלי : ככל שהמוליך דק יותר , התנגדותו למעבר זרם גדולה יותר.
בדוגמא של הצינור אנחנו בודקים כמה מים עוברים בנקודה מסוימת בשנייה.
בחשמל אנחנו בודקים כמה מטען עובר מנקודה לנקודה ולא מים, את המטען העובר מנקודה לנקודה נמדוד ביחידת קולון, כך שהזרם שמסומן באות I ויימדד במספר הקולון שעוברים בנקודה בשנייה.
כמו בצינור שאנחנו יכולים למדוד כמה כוסות של מים עוברים בנקודה מסוימת בצינור בשנייה, נגיד 10 כוסות יכולים לעבור בנקודה מסוימת בצינור כל שנייה. בחוט החשמל נמדוד את כמות הקולון שיכולים לעבור בנקודה בשניה וזהו ערך הזרם, 10 קולון בשנייה.
לקולון לשנייה ניתן השם אמפר (amp) משמעות הדבר שאם יש זרם של 10 אמפר 10 קולון עוברים בנקודה בשנייה אחת.

מהו מתח חשמלי?

מתח חשמלי מוגדר תמיד בין שתי נקודות.
מתח חשמלי הוא הפרש פוטנציאלים בין שתי נקודות. הפוטנציאל בנקודות נמדד בוולטים ולכן גם מתח נמדד בוולטים V.
בשונה מזרם בואו נחשוב על מתח כעל מיכל מים, אם יהיה לנו מיכל לא יהיה בו מתח בכלל, מדוע?
אם ניקח את המיכל ונרים צד אחד שלו אז המים יתחילו לזרום לכיוון הצד השני מה שעשינו הוא ליצור הפרש פוטנציאלים (אנרגיה פוטנציאלית של כבידה) לצד שהרמנו יש כעת יותר אנרגיה פוטנציאלית של כבידה מאשר לצד השני, כך שהמים ינועו מהפוטנציאל הגבוה לנמוך.
בחשמל זהו עיקרון מאוד דומה. הדרך בה אנחנו יוצרים זרם היא על ידי יצירת הפרש פוטנציאלים בחוט החשמל. בשונה מהמים זהו לא פוטנציאל של כבידה אלא פוטנציאל חשמלי.
פוטנציאל חשמלי אנחנו יוצרים על ידי שימוש בסוללה, שימוש בסוללה זה כמו להרים צד אחד ולשים אותו בפוטנציאל חשמלי גבוה יותר מהשני, כך שהאלקטרונים יטו לזרום מהפוטנציאל הגבוה לנמוך, ככל שהפוטנציאל יגדל כך יותר אלקטרונים יזרמו והזרם יגדל. בדומה למגדל מים ככל שהבדל הגובה יגדל כך הזרם יגבר.
אז מדוע אנחנו משתמשים במילה פוטנציאל? מה משמעותה?
משמעות המילה פוטנציאל היא "הנטייה לעשות עבודה" הנטייה לעשות עבודה נמדדת ביחידות ג'ואל לקולון, כלומר האנרגיה ליחידת מטען, אבל ל1 גואל לקולון יש שם נוסף, הוא נקרא וולט.
משמע אם יש הפרש פוטנציאלים בחוט חשמל של 10 וולט זה אומר ש1 קולון של מטען בפוטנציאל הגבוה יכול לעשות 10 ג'אול של עבודה בדרכו לפוטנציאל הנמוך, או שהוא יכול לעשות 10 ג'ואל של עבודה יותר מ1 קולון של מטען בפוטנציאל הנמוך.
בואו ניקח לדוגמא סוללה סטנדרטית של מכשיר סלולרי(3.7 וולט.)
מה זה אומר שיש לנו סוללה של 3.7 וולט?
זה אומר שאם 1 קולון של מטען יצא מצד אחד הוא יכול לעשות 3.7 ג'ואל של עבודה לפני שיכנס חזרה מצידה השני של הסוללה. כך שאם נחבר את הסוללה למנורה קטנה כל קולון שיצא מראש הסוללה ויעבור דרך המנורה ייתן 3.7 ג'ואל של אור וחום לפני שיכנס חזרה מהצד השני.

לסיכום:

זרם זה מספר הקולון שעובר דרך נקודה מסוימת בשנייה, הסימון שלו הוא I, והיחידה היא אמפר (1 אמפר = 1 קולון בשנייה)
מתח הוא הפרש בנטייה לעשות עבודה, הוא נמדד במספר הג'אולים לכל קולון, המתח נמדד בוולט, ככל שהמתח לאורך חוט החשמל יגדל, יגדל הזרם שעובר בו.

דוגמא : להלן המעגל החשמלי הבא :

lllllohm

אם ערך הנגד הוא 5 אום וערך מקור המתח הוא 10 וולט נחשב את ערך הזרם הזורם במעגל :
I=U/R=10/5=2A
כמו שרואים הזרם הזורם במעגל הוא 2 אמפר.
כפי שניתן לראות במעגל זה יש רק נגד אחד שזורם דרכו זרם של 2 אמפר ונופל עליו מתח של 10 וולט מכיוון שהדקי מקור
המתח מחוברים ישירות לנגד.
אם נשים שני נגדים בטור תהיה התנגדות כוללת על פי סכומם (כל נושא נגדים בטור ובמקביל נלמד בפרקים הקודמים)
לדוגמא המעגל הבא :

llllres seri

נחשב את הזרם במעגל עבור ערכי הנגדים הבאים : נגד עליון 2 אום, נגד תחתון 4 אום, מקור מתח 12 וולט.
ההתנגדות הכוללת היא 2+4 = 6 אום. ולכן הזרם יהיה 12/6 = 2 אמפר.
הזרם הכללי שזורם במעגל הוא 2 אמפר והוא הזרם שזורם דרך כל אחד מהנגדים.
כעת נחשב את המתח שנופל על כל נגד גם לפי חוק אום :
נגד עליון :
Ur1=IxR1=2x2=4v : המתח הנופל על נגד זה הוא 4 וולט
נגד תחתון :
Ur2=IxR2=2x4=8v : המתח הנופל על נגד זה הוא 8 וולט.
מכאן אנחנו לומדים על מסקנה חשובה : תפקיד הנגד הוא לווסת את הזרם במעגל אך גם לחלק את המתח באזורים במעגל.
חוק מחלק המתח :
אם נשים שני נגדים בטור, ייפול על כל נגד חלק מהמתח הכללי.


חוק הזרמים של קירכהוף

חוק הזרמים של קירכהוף משמש לפתרון וחישוב זרמים במעגלים אלקטרונים. חוק זה מאוד פשוט ומגדיר את הקשר המתמטי בין הזרמים העוברים בצומת במעגל החשמלי.
חוק הזרמים של קירכהוף : סכום הזרמים הנכנסים והיוצאים מהצומת שווה תמיד לאפס, או במילים אחרות : סכום הזרמים הנכנסים לצומת שווה לסכום הזרמים היוצאים מהצומת.
לדוגמא :


kirc1

חוק הזרמים אומר : Ia = Ib + Ic + Id
או במילים אחרות : Ia


חוק המתחים של קירכהוף

חוק המתחים של קירכהוף משמש לפתרון וחישוב מתחים במעגלים אלקטרונים. חוק זה מאוד פשוט ומגדיר את הקשר המתמטי בין המתחים בחוג סגור במעגל החשמלי.
מהו חוג סגור ? חוג סגור הוא חלק מהמעגל החשמלי בו ניתן לצאת מנקודה אחת במעגל, לעבור דרך מספר רכיבים ולחזור לאותה נקודה.
לדוגמא :

kircv1

הלולאות loop1 , loop2 הן שני חוגים סגורים במעגל זה. קיים חוג סגור נוסף במעגל זה  : החוג המתחיל בנקודה A, יורד ל D עובר דרך C ומשם ל B ובחזרה ל A
מתח על רכיבים במעגל החשמלי :
הסימנים המוסכמים של חשמל קובעים שסימון זרם במעגל חשמלי יסומן כך שהזרם יוצא ממקור המתח מההדק החיובי.
סימונים אלו קובעים גם שברכיבים כיוון הזרם והמתח הפוך לפי התאור הבא :
kircv2
במעגל זה רואים שהזרם יוצא ממקורות המתח בהדק החיובי וזורם במעגל.  המתח על כל רכיב הוא בכיוון ההפוך לזרימת הזרם על פי התאור הבא :
kircv3
ניתן לצייר חץ המציין את כיוון המתח כאשר רש החץ הוא נקודת ה + .
חוק המתחים של קירכהוף : סכום המתחים בחוג סגור במעגל החשמלי שווה תמיד לאפס.
לדוגמא :
kircv4
לבדיקת חוק המתחים של קירכהוף נצא מנקודה מסוימת במעגל ונבדוק כיוון מתח של כל רכיב כאשר אנו מגיעים אליו, אם כיוון החץ של המתח נגד כיוון התנועה שלנו אז נרשום מתח זה כשלילי.
במעגל השמאלי ניתן לראות שסכום המתחים (לפי הכיוון שלהם) במעגל שווה לאפס נצא מההדק השלילי של מקור המתח בכיוון השעון. המתח שעל מקור המתח בכיוון התנועה ולכן יהיה המתח 10 וולט , בכל חמשת הנגדים כיוון חץ המתח נגד כיוון התנועה ולכן סכום המתחים עליהם הוא מינוס 10 וולט. סך כל המתח הוא אפס.
במעגל הימני הוסיפו מקור מתח במקום אחד הנגדים וגם שם ניתן לראות שסכום המתחים שווה אפס. שימו לב שכאשר מוסיפים עוד מקור מתח יכולה להיות סתירה בין כיוון הזרם שלו לכיוון המתח אבל זה בסדר.

Top