Doğru akım devreleri

Telefon şarj aleti, pilleri eskidikçe sönükleşen el feneri, marş motoru dönerken bir anlığına sönükleşen araba farları: hepsi doğru akım devresidir. CSCA fizik müfredatında bu ayrı bir konudur (“Doğru akım devreleri: Ohm yasası, seri ve paralel devreler”) ve sorular birkaç tekrarlanan tipte gelir: eşdeğer direnç, iç direnci olan pil, bir lambanın ya da motorun gücü, sürgüsü hareket eden reosta. Birkaç formül ve tek bir akıl yürütme zinciri neredeyse hepsini çözer; sayılar da hesap makinesi gerekmeyecek biçimde seçilir. Potansiyel farkı U'yu “Elektrik potansiyeli, potansiyel farkı ve kondansatörler” dersinde tanıdık; burada yükler sonunda hareket ediyor.

Akım, direnç ve Ohm yasası

Elektrik akımı, yüklerin düzenli hareketidir. Metallerde yük taşıyıcılar serbest elektronlardır, ancak akımın yönü geleneksel olarak pozitif yüklerin hareket edeceği yön kabul edilir: üretecin dışında “+” uçtan “−” uca. Sürekli bir akım için kapalı bir devre ve yükleri devrede dolaştıran bir potansiyel farkı gerekir.

Akım–gerilim (I–U) grafiği (伏安特性曲线). Ohm yasasına uyan bir direnç için I'nın U'ya göre grafiği orijinden geçen bir doğrudur ve eğimi 1/R'dir; yani daha dik doğru daha küçük dirence aittir. U–I grafiğinde (U düşey eksende) eğim R'nin kendisidir; hangi büyüklüğün hangi eksende olduğunu her zaman kontrol et. Lambanın grafiği U eksenine doğru bükülür, çünkü tel ısındıkça R artar; böyle bir eğride bir noktadaki direnç, o noktanın U/I oranıdır, teğetin eğimi değil.

Seri ve paralel bağlama; ampermetre ve voltmetre

Devreler iki temel bağlamadan kurulur. Seri bağlamada (串联) elemanlar tek bir yol oluşturur: hepsinden aynı akım geçer, gerilimler toplanır. Paralel bağlamada (并联) elemanlar aynı iki nokta arasına bağlanır: gerilimleri aynıdır, akımlar toplanır.

Ampermetre ve voltmetre. Ampermetre (电流表) bir elemandan geçen akımı ölçer, bu yüzden elemana seri bağlanır; ideal ampermetrenin direnci sıfırdır. Voltmetre (电压表) bir elemanın uçları arasındaki gerilimi ölçer, bu yüzden paralel bağlanır; ideal voltmetrenin direnci sonsuz büyüktür ve akım çekmez. Paralel bağlanan ampermetre elemanı kısa devre eder (ve yanabilir); seri bağlanan voltmetre akımı neredeyse durdurur ve üretecin gerilimine yakın bir değer gösterir. Gerçek bir voltmetre bağlandığı kısmın direncini azaltır, bu yüzden gerçek gerilimden biraz küçük gösterir.

İki alet de tam sapma akımı I_g ve direnci R_g olan hassas bir galvanometreden (表头) yapılır. Paralel bağlanan küçük bir şönt direnç onu ölçme sınırı daha büyük bir ampermetreye, seri bağlanan büyük bir ön direnç ise voltmetreye dönüştürür (电表改装).

Emk, tüm devre, güç ve ısı

Bir üreteç (pil ya da jeneratör) potansiyel farkını sürdürür. İçinde elektrostatik olmayan kuvvetler (pilde kimyasal kuvvetler) yükleri elektrik alanına karşı iter ve onlara enerji verir. Üretecin kendi direnci de vardır: iç direnç r (内阻); bu yüzden enerjinin bir kısmı her zaman üretecin içinde kaybolur.

Güç ve Joule ısısı. Bir q yükü U geriliminden geçerken alan W = qU = UIt işini yapar; bu yüzden her elemanın elektriksel gücü P = UI'dır. Bir dirençte bu işin tamamı ısıya dönüşür (Joule yasası, 焦耳定律): Q = I²Rt ve P = I²R = U²/R. Bir motorda ya da şarj olan bir akümülatörde UI'nın yalnızca bir kısmı ısıya dönüşür, geri kalanı mekanik ya da kimyasal enerjiye geçer ve orada I = U/R geçerli değildir.

Tüm devrede güç. Üreteç toplam EI gücünü verir; dış devre çıkış gücünü P_çıkış = UI (输出功率) alır, I²r ise üretecin içinde kaybolur: EI = UI + I²r. Verim η = P_çıkış/P_toplam = U/E = R/(R + r)'dir. Büyük bir yük direnci yüksek verim ama az güç demektir; küçük bir direnç çok akım verir ama enerjinin çoğu üretecin içinde kaybolur.

Dinamik devreler: sürgü hareket edince

CSCA'da çok sık görülen bir soruda reostanın (滑动变阻器) sürgüsü hareket eder ve hangi aletlerin gösterdiği değerin arttığını, hangisininkinin azaldığını söylemen gerekir. Sayıya gerek yoktur, yalnızca bir neden-sonuç zinciri: değişen kısımdan tüm devreye, oradan da tekrar her bir kısma.

1. 1
   Toplam direncin değişimini bul

   Herhangi bir direnç (seri ya da paralel) artarsa dış devrenin toplam direnci de artar; tersi de doğrudur.

2. 2
   Ana akım ve uç gerilimi

   R artınca I = E/(R + r) azalır, U = E − Ir ise artar. (r = 0 ise U hep E'ye eşit kalır.)

3. 3
   Önce sabit kısımlar

   Ana koldaki sabit direnç: I azalır → onun U'su ve P'si azalır. Değişen kısma paralel bağlı sabit direnç: gerilimi, U'dan ana koldaki kısımların gerilimleri çıkarılarak bulunur; bu yüzden artar, akımı da artar.

4. 4
   Değişen kısım en son

   Onun akımı, ana akımdan diğer kolların akımları çıkarılarak bulunur; gerilimi ise geriye kalandır. Asla onun değişen R'si üzerinden doğrudan akıl yürütme; orada hem U hem R değişir.

CSCA bu konuyu nasıl soruyor

• Eşdeğer direnç ve oranlar: devreyi adım adım sadeleştir; oran sorularını tam hesap yapmadan U ∝ R (seri) ve I ∝ 1/R (paralel) ile cevapla.
• Tüm devre: I = E/(R + r), U = E − Ir; iki ölçüm (iki yük ya da U–I grafiğinin iki noktası) E ve r için iki denklem verir.
• Güç: anma değerlerinden R = U²/P; gerilimin yarısı → gücün dörtte biri; motorda UI'yı I²r ısısına ve mekanik güce ayır.
• En büyük çıkış gücü: R = r, P_max = E²/(4r), η = %50; R, r'ye ulaşamıyorsa r'ye en yakın değer kazanır; R₁R₂ = r² ise güçler eşittir.
• Hareket eden sürgü: toplam R → I → U → sabit kısımlar → değişen kısım ya da 串反并同; bazen “hangi değişim daha büyük” diye de sorulur (örneğin reostanın gerilimi, ona seri bağlı sabit direncinkinden daha çok değişir).
• Ölçü aletleri: ampermetre seri, voltmetre paralel; şönt ampermetre, seri ön direnç voltmetre yapar; gerçek voltmetre biraz az gösterir.
• Zaman kazandıranlar (soru başına yaklaşık 75 s): birimleri kontrol et (Ω · A = V, V · A = W), uç durumları dene (R → 0 kısa devre, R → ∞ açık devre) ve kurala aykırı şıkları ele; örneğin en küçük koldan büyük bir paralel eşdeğer direnç.

Sınava İngilizce ya da Çince girilebilir. Bu dersin terimleri her iki dilde: