אחרי שנגענו בעקרונות הבסיסיים של חשמל, השלב הבא הוא להמשיך הלאה אל מקרה הקצה שיעניין אותנו ברוב המוחלט של המקרים באלקטרוניקה – מעגלים חשמליים.

מעגל חשמלי הוא אוסף של רכיבים חשמליים המחוברים ביניהם באמצעות מוליכים. כל מעגל חייב להכיל שלושה רכיבים בסיסיים שבלעדיהם הוא לא יוכל לעבוד: תווך מוליך (למשל חוט חשמל), מקור מתח (לדוגמה סוללה) וצרכן. צרכנים במעגל חשמלי יכולים להיות מסוגים רבים – נורות, מנועים, גופי חימום, משדרים וכו'.

מקור מתח

אז הבנו שהמתח והזרם פרופורציונליים אחד לשני, אך ראינו שכאשר אנו יוצרים במוליך מתח באופן מלאכותי, הזרם יזרום רגעית, ומהר מאוד המתח יתאפס בחזרה – ואיתו גם הזרם. במעגל חשמלי נרצה שהזרם יזרום לאורך זמן, ככל שנצטרך, ולא יפסק בפתאומיות. לשם כך אנחנו משתמשים במקור מתח:

למקור המתח שני הדקים, חיובי ושלילי, והוא דואג לכך שיתקיים הפרש מתחים קבוע בין ההדקים לאורך כל זמן פעולתו. הוא יעשה כל שביכולתו על מנת לשמר את מצב זה, ועל כן הוא צורך אנרגיה. הרבה פעמים להדק החיובי של מקור המתח נקרא "מתח עבודה", "פלוס", "Vcc" או "Vdd". פעמים רבות את ההדק השלילי של מקור המתח נכנה "אדמה", "GND", "Vss", או "מינוס". מקור המתח יכול להיות סוללה, דינמו, שנאי ועוד.

כזכור מתח חשמלי הוא הפרש פוטנציאלים, ולכן הוא גודל יחסי ולא אבסולוטי. מטעמי נוחות, במעגלים חשמליים נכייל את המתח אל ההדק השלילי של מקור המתח. כלומר – כל פעם שנדבר על מתח מבלי לציין ביחס לאיזו נקודה הוא נמדד, נזכור שהכוונה היא ביחס ל"אדמה".

זוהי דוגמה לשרטוט מעגל חשמלי. בצלע העליונה מחובר מקור המתח, כאשר הקו הארוך מסמל את ההדק החיובי והקצר את ההדק השלילי. בצלע התחתונה מחובר הצרכן – העיגול שבתוכו X מסמל נורה חשמלית.

דרך נוספת לשרטט את מקור המתח היא כאשר שני ההדקים מפוצלים לרכיבים שונים: בצד ימין למעלה משורטט ההדק החיובי, ובצד שמאל למטה ההדק השלילי (אדמה). חשוב לזכור כי שרטוט המעגל (סכימה) אינו מייצג בהכרח את המבנה הפיזי של המעגל אלא רק "מה מחובר למה ואיך". לכן בפועל שני ההדקים עשוים להיות צמודים זה לזה כחלק מאותו חפץ, כמו במקרה של סוללה.

בטריות
מטען טלפון
שנאי
ספק כוח של מחשב
מצבר רכב
ספק כוח למעבדה
סוגים של מקורות מתח

נגד

נדמיין מקרה בו המעגל החשמלי שלנו לא מכיל רכיבים מלבד מקור המתח, ושני הדקיו מחוברים ישרות אחד לשני:

במצב זה יש לנו תיל מוליך, שמצידו האחד מקור המתח יעשה הכל כדי לשמור על פוטנציאל גבוה, ומצידו השני המקור יעשה הכל כדי לשמור על פוטנציאל נמוך. מה יקרה לזרם?

התשובה תלויה בחומר ממנו התיל עשוי. כפי שראינו מתקיים יחס פרופורציה בין המתח לזרם: I \propto V, אך למעשה בקשר המדויק בין המתח לבין הזרם משתתף שחקן נוסף:

V=I\cdot R

משוואה זו נקראת "חוק אוהם", והאות R שמופיעה בה מייצגת מאפיין פיזיקלי שנקרא "התנגדות". ההתנגדות נמדדת ביחידות "אוהם" (\Omega). לחומרים שונים בטבע יש התנגדויות שונות.

באופן נאיבי אפשר לחשוב על חומרים שאינם מוליכים חשמליים כעל חומרים שההתנגדות שלהם היא אינסופית. כלומר R=\infty. אם כך, ניתן לסדר מעט את חוק אוהם לכדי הצורה:

I=\frac{V}{R}

וכאשר נציב R=\infty נקבל:

I=\frac{V}{\infty}=0

לא משנה כמה גבוה יהיה המתח שנפעיל על החומר, הזרם יהיה אפסי בגלל ההתנגדות האינסופית במכנה. כאמור, זוהי הסתכלות נאיבית שכן במציאות גם חומרים שאינם מוליכים יהפכו למוליכים במתחים גבוהים מספיק (גבוהים מאוד). מצב בו במעגל יש רכיב עם התנגדות אינסופית נקרא "נתק", שכן לא זורם בו זרם חשמלי והוא משול לשני תילים שאינם מחוברים ביניהם.

נחזור למקרה שאיתו התחלנו.

כשאנחנו בונים מעגל חשמלי, אנחנו מתייחסים אל החוטים החשמליים והתילים שלנו כאל מוליכים אידאליים – מולכים שעבורם R=0. בפועל אין חומר שהתנגדותו באמת אפסית, אבל היא בדרך כלל מספיק קטנה כדי שנוכל להזניח אותה. נחשב את הזרם במעגל שלנו:

I=\frac{V}{0}=\infty

נקבל זרם בעוצמה אינסופית הזורם במעגל. בפועל אין דבר כזה זרם בעוצמה אינסופית, וחלק מרכיבי המעגל שלנו ישרפו. לאחר מכן המעגל יעבור למצב נתק ויפסיק לזרום בו זרם. מצב שבו לרכיב יש התנגדות אפסית נקרא "קצר".

בדיוק בשביל זה יש לנו נגדים.

נגד הוא הסוג הכי פשוט של צרכן במעגל חשמלי, ולמעשה כל צרכן מתנהג גם כנגד. בשרטוט הוא מסומן כקו מזוגזג, והוא כל רכיב שהתנגדותו לא אפסית.

נזכור כי אנחנו מודדים מתחים במעגל ביחס אל ההדק השלילי של מקור המתח. לכן בתיל המחבר בין הנגד לבין ההדק השלילי, המתח הוא אפס (כי ההפרש בין ערך מסוים לבין עצמו הוא אפס – הם זהים). המתח בהדק החיובי של מקור המתח הוא 5V.

המשמעות היא שמצידיו השונים של הנגד מצוים מתחים שונים שהפרשם הוא 5V. במצב זה נגיד ש-"על הנגד נופל מתח של 5V". הפרש המתחים הזה לא יכול להיעלם סתם – כמו אנרגיה שנשמרת, גם המתח נשמר. בנגד פשוט, הפרש המתחים הזה מיתרגם לאנרגיה שעוזבת את המעגל שלנו בצורת חום.

בסוגי צרכנים אחרים, האנרגיה יכולה לעזוב את המעגל גם בצורות אחרות – בנורה האנרגיה מיתרגמת גם לאור, במנוע האנרגיה מיתרגמת גם לתנועה – אבל תמיד יפלט גם חום.

בחוק אוהם תמיד יהיו לנו שני משתתפים ודאיים, ומשתתף שלישי שערכו ייקבע על פי ערכי המשתתפים האחרים: ברוב המקרים נדע את המתח הנופל על הנגד ואת התנגדות הנגד, ובעזרתם נחשב את הזרם החשמלי בנגד. אך ניתן להשתמש בחוק זה גם כדי למצוא את ההתנגדות כאשר המתח והזרם ידועים, או את המתח כאשר הזרם וההתנגדות ידועים.

בדוגמה הנוכחית, המתח הנופל על הנגד הוא 5V. התנגדות הנגד היא 10\Omega. לכן הזרם הזורם בנגד הוא

I=\frac{5[V]}{10[\Omega]}=0.5[A]

נגדים מסוגים שונים

מפסק

מפסק הוא רכיב די טריוויאלי שאנחנו מכירים מחיי היום יום. למפסק שני מצבים – פתוח או סגור. כאשר המפסק פתוח, חלקי המעגל מנותקים זה מזה והזרם לא יעבור ביניהם. כלומר המפסק מתפקד כנתק. למצב זה אנחנו קוראים "מעגל פתוח". כאשר המפסק סגור הוא מתפקד כקצר בין חלקי המעגל, והזרם יזרום דרכו. למצב זה נקרא "מעגל סגור".

כפתור הוא גם סוג של מפסק, אשר שואף להיות במצב פתוח כל עוד אנחנו לא לוחצים עליו, ויהיה במצב סגור רק כשנחזיק אותו לחוץ.

קיימים גם מפסקים שמצביהם השונים מחווברים למעגלים שונים.

דיודה

דיודה היא סוג של נגד עם התנגדות קטנה מאוד, אך בניגוד לנגד רגילה היא רכיב מקוטב. רכיב מקוטב הוא רכיב המאפשר זרימת זרם חשמלי בכיוון אחד בלבד (כיוון החץ). ההדק החיובי נקרא קתודה. ההדק השלילי נקרא אנודה. מכך, אנו משתמשים בדיודות כאשר נרצה להגביל את כיוון הזרם מבלי להשפיע על המתח שנופל על הדיודה.

בשרטוט לעיל הזרם יזרום דרך הדיודה (מהמתח הגבוה לנמוך) והיא תתפקד כקצר, אך בשרטוט הבא לא יזרום זרם כלל כיוון שהוא נוגד את כיוון הדיודה, והיא תתפקד כנתק.

סוג מסוים של דיודה היא נורת ה-LED. זוהי דיודה אשר פולטת אור כאשר זרם חשמלי עובר בה, ובניגוד לנורות אחרות תידלק רק כאשר המתח יתאים לכיוון הדיודה. בסכימות של מעגלים חשמליים, נורת לד תסומן בדרך כלל כדיודה היוצאים ממנה חצים (המייצגים את האור הנפלט ממנה).

דיודות מסוגים שונים

קבל

קבל (מסומן כשני קווים מקבילים במעגל) הוא רכיב חשמלי שאינו נגד (או לפחות, ההתנגדות שלו כל כך נמוכה עד שאפשר להתעלם ממנה). הקבל מורכב משני מוליכים (הדקים) אשר מופרדים על ידי חומר מבודד, כך שהמרחק בין המוליכים קטן מאוד. כאשר מופעל מתח על הקבל, הוא אוגר בתוכו מטען חשמלי לפי הקשר

Q=V\cdot C

כאשר Q הוא המטען שנאגר בקבל, V הוא המתח הנופל על הקבל ו-C היא תכונה של הקבל הנקרא "קיבול" ונמדדת ביחידות פאראד (F). ככל שהמתח על הקבל גדל, גדל גם המטען שנאגר עליו. כל עוד המתח על הקבל קבוע, הקבל יתפקד כנתק ולא יזרום דרכו זרם. לכן בינתיים, כל עוד אנחנו מתעסקים במעגלים חשמליים סטטיים (בעלי מתח קבוע) הוא פחות רלוונטי, אך עדיין שווה להכיר אותו. ניתן לקרוא עוד על קבלים כאן.

סוגים שונים של קבלים

זהו רק קצה הקרחון – קיימים עוד רכיבים רבים מסוגים שונים ומשונים – חיישנים, זמזמים, טרנזיסטורים, מנועים והיד עוד רחבה. בפוסט הבא בסדרה נעסוק במעגלים חשמליים מורכבים יותר.