מחלקי מתח
הוצג| English | משמעות |
|---|---|
| potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/ | מחלקת מתח |
| load/ləʊd/ | עומס |
| thermistor/ˈθɜːmɪstə/ | תרמיסטור |
| threshold/ˈθreʃəʊld/ | סף |
| potentiometer/pəˌtentɪˈɒmɪtə/ | פוטנציומטר |
| null method/nʌl ˈmeθəd/ | שיטת האפס |
| galvanometer/ˌɡælvəˈnɒmɪtə/ | גלבונית |
| balance length/ˈbæləns leŋθ/ | אורך איזון |
ידית העוצמה
- ידית עוצמה או דימר יכולה לקבוע את היציאה מכל רמת כיבוי ועד מלאה.
- בפנים יש מחלקת מתח — מנגנונים המחלקים את המתח.
- היא ממירה אספקת מתח קבועה לכל מתח שתרצה.
חלוקת המתח
- שני מנגנונים בסדר משתפים את האספקה ביחס להתנגדות שלהם.
- נלקח לאורך $R_2$: $V_{\text{out}} = V_{\text{in}}\dfrac{R_2}{R_1 + R_2}$.
חלוקת מתח בסדר
במעגל סדרתי הזרם זהה זורם בכל מקום והמתח של התא מתחלק על פני הרכיבים — חלוקה זו היא כיצד עובד מחלק המתח.
אספקת מתח $12\ \text{V}$ מופעלת על פני $R_1 = 2.0\ \text{k}\Omega$ ו-$R_2 = 4.0\ \text{k}\Omega$ בסדר. מהו המתח היציאתי על פני $R_2$?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$V_{\text{out}} = V_{\text{in}}\dfrac{R_2}{R_1+R_2} = 12 \times \dfrac{4.0}{2.0+4.0} = 8.0\ \text{V}$.
במחלק מתח, המתח על פני כל רזיסטור פרופורציונלי להתנגדות שלו.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
זרם זהה זורם בשניהם, ולכן $V = IR$ אומר שהעכבה הגדולה לוקחת את החלק הגדול יותר.
דוגמה פתורה: מחלקת מתח ולאחר מכן עומס
ספק $12\ \text{V}$ מחובר בין $R_1 = 3.0\ \text{k}\Omega$ ל-$R_2 = 1.0\ \text{k}\Omega$ בסדר. מצא את המתח ביציאה על $R_2$. לאחר מכן מחובר עומס $1.0\ \text{k}\Omega$ ביציאה.
- ללא עומס: $V_{\text{out}} = 12 \times \dfrac{1.0}{3.0 + 1.0} = 3.0\ \text{V}$.
- עם העומס: הוא נמצא במקביל ל-$R_2$, ומניב $\dfrac{1.0 \times 1.0}{1.0 + 1.0} = 0.50\ \text{k}\Omega$ במיקום זה.
- מתח יציאה בעומס: $V_{\text{out}} = 12 \times \dfrac{0.50}{3.0 + 0.50} = 1.7\ \text{V}$.
- בדיקה: חיבור העומס הנמיך את המתח ביציאה – המחלק מתאים רק למתח העיצוב שלו בעומס שההתנגדות שלו גדולה הרבה יותר מ-$R_2$.
אספקה $9.0\ \text{V}$ מונחת על $R_1 = 6.0\ \text{k}\Omega$ ו$R_2 = 3.0\ \text{k}\Omega$ בסדר, היציאה על $R_2$. עומד $3.0\ \text{k}\Omega$ מחובר על היציאה. מהו מתח היציאה עכשיו, בוולט?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
העומד במקביל ל$R_2$ נותן $1.5\ \text{k}\Omega$, ולכן $V_{\text{out}} = 9.0 \times \dfrac{1.5}{6.0 + 1.5} = 1.8\ \text{V}$ — יורד מ$3.0\ \text{V}$ ללא עומד.
מעגלי חיישנים
- החליפו נגד ב-תרמיסטור → המתח היציאה משתנה בהתאם לטמפרטורה.
- החליפו אותו ב-LDR → המתח היציאה משתנה בהתאם לאור.
תרמיסטור במחלקת מתח ממיר שינוי טמפרטורה לשינוי במתח היציאה
החלפת עכבה אחת במחלקת מתח בערך תלוי-אור (LDR) גורמת למתח היציאה לתלות ב:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
העכבה של LDR משתנה בהתאם לאור, ולכן החלק שלה במתח — היציאה — נעקב אחר הבהירות.
איפה היציאה הולכת?
- המתח מול נגד הוא ה-חלק מאספקת המתח שלו, והחלק גדל כאשר התנגדותו גדלה ביחס לנגד האחר.
- תרמיסטור כ$R_1$, מתח יציאה על $R_2$ קבוע: טמפרטורה ↑ → התנגדות תרמיסטור ↓ → חלק ה-$R_2$ ↑ → $V_{\text{out}}$ עולה.
- LDR כ$R_1$, אור יורד: התנגדות LDR ↑ → חלק ה-$R_2$ ↓ → $V_{\text{out}}$ ירד. החלף את שני המרכיבים כדי להפוך את ההתנהגות.
בכל מחלקת מתח, היציאה ניטלת על העכבה הקבועה. התאם את השינוי לכך שהיציאה עושה.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
כשעוצמת ההתנגדות של החיישן יורדת (תרמיסטור חם יותר, LDR בהיר יותר), ההתנגדות הקבועה לוקחת חלק גדול יותר מהמתח המקור והתפוקה מעליה עולה.
הפעלה סף (Threshold Switching)
- שלחו את המתח היציאה המשתנה למטרזל או למשווה.
- ניתן להפעיל עומס כיוון או כיבוי כאשר הטמפרטורה או האור עוברים סף מוגדר (למשל, מנורת רחוב בשעת שקיעה).
מחלקת סנסורים יכולה להפעיל עומד כשהגודל הנמדד חוצה סף 📐 מוגדר.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
להזין את היציאה למשווה/טרנזיסטור; הוא מפעיל את העומד כשהמתח עובר את הסף (למשל, מנורה בערב).
הפוטנציומטר (שיטת האיפוס)
- חוט אחיד מספק מתח $V_x = V_{\text{full}}\dfrac{x}{L_0}$ לאורך כל אורכו — משום שברמת חוט אחיד $R \propto L$, ומשום שהזרם הוא זהה בכל נקודה $V = IR \propto L$.
- כדי להשוות כוחות חשמליים (e.m.f.), הזז את המגע עד שהגלבנומטר מראה אפס — באיזון אין זורם בתא הבדיקה, ולכן התנגדותו הפנימית אינה רלוונטית: $\dfrac{\varepsilon_1}{\varepsilon_2} = \dfrac{l_1}{l_2}$.
הזז את המגע עד שהגלבנומטר מראה אפס — באיזון האורך המופקד פרופורציונלי לכוח החשמלי.
נקודת האיזון של פוטנציומטר, הזרם דרך תא המנופח נמדד הוא:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
בעת איזון, הפרש הפוטנציאל בחוט נגד בדיוק את כוחה האלקטרומניטיבי של התא, ולכן אין זרם הזורם דרכו (אפס).
בעת איזון, העכבה הפנימית של התא הנמדד אינה משפיעה על התוצאה.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
עם זרם אפס דרך התא, אין ירידת מתח $Ir$ — ולכן לעכבה הפנימית אין השפעה. זוהי היתרון של שיטת אפס.
דוגמה פתורה: אורך איזון
תא מוביל יוצר מתח של $2.0\ \text{V}$ על פני חוט אחיד בעל אורך של $100\ \text{cm}$. תא בדיקה מאוזן באורך איזון של $64\ \text{cm}$.
- כוח חשמלי של התא הנבדק: $\varepsilon = 2.0 \times \dfrac{64}{100} = 1.28\ \text{V}$.
- אם לתא הנבדק יש התנגדות פנימית: אין שינוי — באיזון אין זורם בתוך התא, ולכן אין אובדן מתח.
- אם לתא המוביל יש התנגדות פנימית: המתח על פני החוט יהיה פחות מ$2.0\ \text{V}$, ולכן נדרש אורך ארוך יותר עבור אותו $1.28\ \text{V}$: נקודת האיזון תזוז רחוק יותר לאורך החוט.
- בדיקה: אורך האיזון לעולם לא יכול להיות גדול מהחוט עצמו, ולכן תא הנבדק עם כוח חשמלי הגבוה מהמתח על פני החוט לא ניתן לאיזון כלל.
תא דוחף מפעיל מתח של $1.5\ \text{V}$ על נוגד-חשמל אחיד בעל אורך $100\ \text{cm}$. תא בדיקה מאוזן ב$80\ \text{cm}$. מהו כוח החשמלי שלו, ב-V?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
ההפרש הפוטנציאל לאורך החוט פרופורציונלי לאורך: $\varepsilon = 1.5 \times \dfrac{80}{100} = 1.2\ \text{V}$.
היציאה ממחלקת מתח היא רק $V_{\text{in}}\dfrac{R_2}{R_1 + R_2}$ כשהוא לא מחובר לשימוש — עומס המקביל ל$R_2$ מוריד אותה. בפוטנציומטר, "אין זרם באיזון" הוא מה שהופך אותו לשיטת אי-סימון: התנגדות הפנימית של התא הנבדק ביטול, אך זו של תא המוביל אינה ביטול. ו"אורך האיזון פרופורציונלי לכוח החשמלי" נכון רק כי החוט הוא אחיד.
הבנתך מושלמת
- מחלקת מתח מחלקת מתח לפי התנגדות: $V_{\text{out}} = V_{\text{in}}\dfrac{R_2}{R_1 + R_2}$; עומס על היציאה מוריד את המתח
- תרמיסטור או LDR גורמים ליציאה להגיב לחום או לאור — המתח על פני ההתנגדות הקבועה עולה כאשר התנגדות החיישן יורדת
- שיטת האי-סימון: איזון עבור זרם אפס, כך שהתנגדות הפנימית של התא הנבדק אינה משפיעה; $\dfrac{\varepsilon_1}{\varepsilon_2} = \dfrac{l_1}{l_2}$