İçeriğe geç
Educora
İleri10–11. sınıf20 dk32 / 44

Devreler: emk, güç ve Kirchhoff kuralları

Bir üretecin emk'sını ve iç direncini, tüm devre için Ohm yasasını, elektriksel gücü ve karmaşık devreler için Kirchhoff kurallarını öğren.

Kendini test et
Bu derste öğreneceklerin
  • Tüm devre için Ohm yasasıyla akımı ve uç gerilimini bulmak
  • Akımın işini, gücünü ve açığa çıkan ısıyı bulmak
  • Kollu devreleri Kirchhoff kurallarıyla çözmek

Bir arabanın motoru çalıştırılırken farlar bir an kararır. Akü aynı aküyken bu neden olur? Çünkü üretecin kendisinin de bir direnci vardır. Bu derste gerçek üreteçlerle çalışmayı ve her türlü karmaşık devreyi hesaplamayı öğreneceksin.

Emk ve iç direnç

Tanım
Elektromotor kuvvet (emk, ℰ)

Üretecin içindeki elektrostatik olmayan kuvvetlerin birim yükü taşırken yaptığı iş. Birimi volttur. Adına rağmen emk bir kuvvet değil, birim yük başına enerjidir.

I = ℰ / (R + r), U = ℰ − I · r = I · RI = ℰ / (R + r), U = ℰ − I · r = I · R
burada:
  • ℰüretecin emk'sı, V cinsinden
  • Rdış devrenin direnci, Ω cinsinden
  • rüretecin iç direnci, Ω cinsinden
  • Uüretecin uçları arasındaki gerilim, V cinsinden

Tüm devre için Ohm yasası. R = 0 olduğunda kısa devre akımı elde edilir: I = ℰ / r.

Örnek 1: akü ve lamba

Emk'sı 12 V, iç direnci 0,5 Ω olan bir aküye 5,5 Ω'luk bir lamba bağlanmış. Akımı, uç gerilimini ve kısa devre akımını bul.

Çözümü göster
I = 12 / (5,5 + 0,5) = 2 A.
U = I · R = 2 · 5,5 = 11 V (1 V üretecin içinde “kaybolur”).
Kısa devrede: I = 12 / 0,5 = 24 A; teller ısınır ve yangın tehlikesi doğar.
Örnek 2: emk ve r'yi bulmak

Bir üretece 4 Ω'luk direnç bağlanınca akım 1 A, 9 Ω'luk direnç bağlanınca 0,5 A oluyor. Üretecin emk'sını ve iç direncini bul.

Çözümü göster
Emk iki durumda da aynıdır, bu yüzden iki denklem yazarız: ℰ = I₁ · (R₁ + r) = I₂ · (R₂ + r).
1 · (4 + r) = 0,5 · (9 + r) → 4 + r = 4,5 + 0,5r → r = 1 Ω.
ℰ = 1 · (4 + 1) = 5 V.
Etkileşimli
Simülasyon yükleniyor…
Gerçek bir üreteçte R yerine R + r al: örneğin ℰ = 12 V ve R + r = 6 Ω iken akım 2 A olur. Direnç azaldıkça akımın ne kadar hızlı arttığını izle.

Akımın işi ve gücü

P = U · I = I² · R = U² / R, Q = I² · R · tP = U · I = I² · R = U² / R, Q = I² · R · t
burada:
  • Pelektriksel güç, W cinsinden
  • Qiletkende t sürede açığa çıkan ısı, J cinsinden (Joule yasası)

Elektrik sayacı enerjiyi kilovatsaat ile ölçer: 1 kWh = 3,6 · 10⁶ J.

Örnek 3: elektrikli su ısıtıcısı

220 V için tasarlanmış 2 kW'lık bir su ısıtıcısı 5 dakika çalışıyor. Akımı, ısıtıcının direncini ve harcanan enerjiyi bul.

Çözümü göster
I = P / U = 2000 / 220 ≈ 9,1 A.
R = U² / P = 220² / 2000 = 24,2 Ω.
Harcanan enerji: E = P · t = 2000 · 300 = 600 000 J = 600 kJ ≈ 0,17 kWh.

Dış devreye aktarılan güç P = ℰ² · R / (R + r)² ile bulunur. Bu güç R = r olduğunda en büyüktür ve Pmax = ℰ² / (4r) olur. Aşağıdaki grafikte bunu kontrol et.

Etkileşimli
Simülasyon yükleniyor…
x dış direnç R (Ω), y ona aktarılan güç (W); u emk, r iç dirençtir. Tepe noktası her zaman x = r'dedir: ℰ = 12 V ve r = 2 Ω için Pmax = 18 W.

Kirchhoff kuralları

  1. Düğüm kuralı: bir düğüme giren akımların toplamı, çıkan akımların toplamına eşittir (yük birikmez). ∑Igiren = ∑Içıkan.
  2. İlmek kuralı: her kapalı ilmekte emk'ların cebirsel toplamı, gerilim düşmelerinin (I · R) cebirsel toplamına eşittir. ∑ℰ = ∑I · R.
Örnek 4: iki üreteçli devre

A ve B noktaları üç kolla bağlanmış: 1) ℰ₁ = 10 V'luk üreteç ve R₁ = 2 Ω; 2) ℰ₂ = 4 V'luk üreteç ve R₂ = 2 Ω; 3) R₃ = 4 Ω. İki üretecin de “+” ucu A'ya bakıyor, iç dirençler ihmal ediliyor. Kollardaki akımları bul.

Çözümü göster
Akımları üreteçlerden A'ya doğru (I₁, I₂) ve R₃'te A'dan B'ye doğru (I₃) seçelim.
A düğümü: I₃ = I₁ + I₂.
İlmek 1 (ℰ₁, R₁, R₃): 10 = 2I₁ + 4I₃.
İlmek 2 (ℰ₂, R₂, R₃): 4 = 2I₂ + 4I₃.
Buradan I₁ = 5 − 2I₃, I₂ = 2 − 2I₃, I₃ = 7 − 4I₃ → I₃ = 1,4 A, I₁ = 2,2 A, I₂ = −0,8 A.
Eksi işaret, ℰ₂'den geçen akımın ters yönde aktığını gösterir: 4 V'luk üreteç şarj oluyor.

Önemli noktalar

  • Tüm devre için Ohm yasası: I = ℰ / (R + r); uç gerilimi U = ℰ − I · r.
  • Kısa devre akımı I = ℰ / r çok büyük ve tehlikelidir.
  • Güç P = U · I = I² · R = U² / R; dış devreye en büyük güç R = r iken aktarılır.
  • Kirchhoff kuralları: düğümde ∑Igiren = ∑Içıkan, ilmekte ∑ℰ = ∑I · R.

Kendini test et

10 soru. Her doğru cevap XP kazandırır.

1 / 10
Emk'sı 9 V, iç direnci 1 Ω olan bir pile 8 Ω'luk direnç bağlanmış. Akım nedir?