עקרונות בסיסיים של פישוט מעגלים
ניתן לפשט את המעגלים המורכבים בחשמל פיזי בחטיבת הביניים על ידי העקרונות הבאים:
☀ ראשית: בהתעלם מהתנגדות החוט, ההנחה היא שחוט R הוא ≈0. המתח על החוט עם זרם זורם הוא אפס, וניתן למדוד את המתח על פני המתג כשהוא פתוח (אין נקודות שבירה אחרות במעגל).
☀שני: כשהמתג סגור, זה שווה ערך לחוט; כאשר המתג פתוח, הוא שווה ערך למעגל פתוח, שניתן להסירו משני הצמתים של המעגל. כאשר המתג סגור וזרם זורם, המתח על המתג הוא אפס, וניתן למדוד את המתח על פני המתג כאשר הוא פתוח (אין נקודות שבירה אחרות במעגל).
☀ שלישית: ההתנגדות הפנימית של מד זרם קטנה מאוד. כאשר מנתחים את מצב החיבור של המעגל, ניתן להתייחס למקום עם מד הזרם כאל חוט.
☀רביעית: ההתנגדות הפנימית של מד המתח גדולה מאוד. כאשר מנתחים את מצב החיבור של המעגל, ניתן להתייחס למקום עם מד המתח כמעגל פתוח ולהסיר אותו משני הצמתים של המעגל.
☀ חמישי: קצר חשמלי של המכשיר החשמלי (התנגדות): כאשר המכשיר החשמלי (התנגדות) והחוט (מתג, מד זרם) מחוברים במקביל, אין זרם עובר דרך המכשיר החשמלי (כמתואר באיור למטה) , וניתן להסיר את המכשיר החשמלי משני הצמתים של המעגל (הסר).
☀שישי: המקטע Pa של ה-Rheostat הזזה מקוצר על ידי החוט (מוט מתכת) ואינו עובד. לאחר הסרת הקטע Pa, האיור א' למטה הופך לדמות ב'.
☀שביעית: נתח את הקשר בין זרם כולל, מתח כולל וזרם מחולק ומתח מחולק על פי חוקי הזרם והמתח של מעגלים סדרתיים ומקבילים "מתח מחולק סדרתי, זרם מחובר במקביל".
☀ שמינית: אם מד הזרם מחובר בסדרה עם מכשיר חשמלי כלשהו, מדוד את הזרם של אותו מכשיר חשמלי, ואם מד המתח מחובר במקביל למכשיר חשמלי כלשהו, מדוד את המתח של אותו מכשיר חשמלי. ניתן לשפוט את המתח הנמדד על ידי מד המתח לפי שיטת ההחלקה ושיטת המקור.
☀תשיעי: באופן עקרוני, מד המתח נדרש להיות מחובר במקביל במעגל. בעת מדידת מתח אספקת החשמל בנפרד, ניתן לחבר אותו ישירות לשני הקצוות של ספק הכוח.
באופן כללי, אם מד המתח מחובר בסדרה במעגל, המתח הנמדד הוא המתח על פני ספק הכוח (ראה הערות לפרטים). אם מד הזרם מחובר ישירות לשני הקצוות של ספק הכוח, הוא יישרף, ואספקת הכוח תקצר, ושורפת את ספק הכוח.
☀עשירי: אם אין מכשירים חשמליים (למעט מתגים ומדי זרם) על החוט (בין צמתים), אז כל נקודה על החוט יכולה להיחשב כנקודה, אותה ניתן לשלב, להפריד, להגדיל או להקטין באופן שרירותי. (שיטה זו נקראת גם שיטת צומת) לדוגמה:
02
שלבי פישוט מעגלים
☀שלב 1: הסר את המתג המנותק בהתאם לדרישות הנושא, והפוך את המתג הסגור לחוט.
☀שלב 2: הפכו את מד הזרם לחוט (ניתן גם לשמור אותו לפי העניין).
☀שלב 3: הסר את מד המתח.
☀שלב 4: מיזוג (או העברה) של הצמתים על החוט. (שלב זה משמש כאשר ישנם מכשירים חשמליים רבים במעגל והם מסובכים זה עם זה)
☀שלב 5: שרטטו דיאגרמת מעגלים שווה כדי לקבוע אם המכשירים החשמליים מחוברים בסדרה או במקביל.
☀שלב 6: השתמש בעקרונות 7 ו-8 במעגל המקורי כדי לשפוט איזה זרם ומתח חשמליים מודדים מד הזרם ומד המתח.
☀שלב 7: הוסף את מד המתח ומד הזרם לתרשים המעגל המקביל, ונתח את הקשר בין כל מד זרם לייצוג המתח. (עיקרון שביעי)
03
הרצאות נבחרות על דוגמאות קלאסיות
☀דוגמה 1: בתרשים המעגל הבא, לאחר סגירת המתג S, הקריאה של מד המתח V1 היא 2.5V, והקריאה של V2 היא 1V. אם הקריאה של A2 היא 0.2A, מהי הקריאה של A1? מצא את המתח על פני שתי הנורות.
תְמוּנָה
ניתוח: שלב 1: הפוך את המתג לחוט;
שלב 2: הפוך את מד הזרם לחוט;
השלב השלישי הוא להסיר את מד המתח.
השלב הרביעי (הושמט)
שלב 5: קבע את שיטת החיבור החשמלי
תְמוּנָה
ברור ששתי הנורות מחוברות בסדרה במעגל.
שלב 6: על פי עיקרון 4, דעו כי מד המתח V2 מנותק, כך שאין זרם זורם דרך A1, והקריאה היא אפס; לפי שיטת ההחלפה, ידוע ש-V1 מחובר במקביל לספק הכוח, ומודד את המתח בשני קצוות הספק. V2 ו-L2 מחוברים במקביל, והמתח על פני L2 נמדד.
שלב 7: דיאגרמת המעגל המקבילה היא כדלקמן:
תְמוּנָה
על פי דיאגרמת המעגלים המקבילה, ניתן לראות שה-I1=I2=0.2A הנדרש
U1=2.5V-1V=1.5V U2=1V
תְמוּנָה
☀דוגמה 2: כפי שמוצג באיור, לאחר סגירת המתג s, הקשר בין ייצוגי המתח הבאים הוא, והקשר בין ייצוגי הזרם הוא ___.
תְמוּנָה
ניתוח: השלב הראשון: להפוך את המתג לחוט;
שלב 2: הפוך את מד הזרם לחוט;
השלב השלישי: הסר את מד המתח; השלב הרביעי (הושמט);
שלב 5: קבע את מצב החיבור של כל מכשיר חשמלי:
תְמוּנָה
שלב 6: שפוט את העצמים הנמדדים על ידי מד זרם ומד מתח לפי עקרונות 7 ו-8 ושיטת ההחלקה או שיטת הסרת המקור.
① במעגל המקורי, אם מסירים את מד המתח, ניתן למצוא שמדי הזרם A1 ו-A2 מחוברים בסדרה עם הנורה, כך שמספרי הייצוג הנוכחי שווים;
② באמצעות שיטת החלקה, ניתן לשפוט ש-V1 מודד את המתח בשני הקצוות של L1, V2 מודד את המתח בשני הקצוות של ספק הכוח, ו-V3 מודד את המתח בשני הקצוות של L2.
שלב 7: דיאגרמת המעגל המקבילה היא כדלקמן:
תְמוּנָה
תְמוּנָה
☀דוגמה 3: לאחר סגירת מתג המעגל, הקריאות של v1, v2 ו-v3 הן 8V, 9V ו-4V בהתאמה, אז מה הם המתחים בשני הקצוות של L1, L2 ו-L3?
תְמוּנָה
קשר המתח הנדרש הוא: U2=U1 בתוספת U3 I1=I2
פתרון: על פי "עשרה עקרונות, שבעה שלבים", ניתן לקבל את דיאגרמת המעגלים המקבילה של המעגל באופן הבא:
תְמוּנָה
מהתרשים המקביל ניתן לקבל את המשוואות הבאות:
UL1 בתוספת UL2=8V
UL2 בתוספת UL3=9V
UL3=4V
פתרון: UL1=3v UL2=5v UL3=4V
תְמוּנָה
☀דוגמה 4: כפי שמוצג באיור, ידוע ששתי הנורות L1 ו-L2 מחוברות בטור, אז השיקול הנכון בין שלושת המטרים (מד זרם או מד מתח) ב-①, ② ו- ③ הוא ( )
A. ① הוא מד זרם, ② ו- ③ הם מדי מתח;
B. ① ו-③ הם מדי מתח, ו-② הוא מד זרם;
C. ① ו-② הם מדי זרם, ו-③ הוא מד מתח;
D. ①② ו-③ שניהם מדי זרם
תְמוּנָה
ניתוח: ניתן לענות על שאלה זו בשיטת האלימינציה. מלא את הטבלאות לתשובה ל-A
בין שלושת העמדות, לפי דיאגרמת המעגל "עשרת העקרונות, שבעה שלבים" מפושטת ל:
תְמוּנָה
ברור שזה לא מתאים לכותרת.
מלא את הטבלאות של תשובה ב' באיור, ניתן לפשט את המעגל כך:
תְמוּנָה
שיטת מילוי זו מתאימה למשמעות השאלה.
מלא את הטבלאות של תשובה C במעגל, מעגל L1 מנותק, ותרשים המעגל הפשוט זהה לתשובה A, שאינה עונה על משמעות השאלה. מלאו את טבלאות התשובות ל-D באיור, אספקת החשמל מקוצרת, ולא זורם זרם דרך שתי הנורות, מה שלא עונה על משמעות השאלה. אז בחרו בתשובה ב'.
