מעגל חשמלי

מעגל חשמלי מורכב מאוסף של רכיבים חשמליים, כמו נגדים, קבלים, דיודות, טרנזיסטורים ועוד, המחוברים ביניהם בעזרת מוליכים, בצורה שמאפשרת זרימה של זרם חשמלי דרכם.

איור סכמטי של מעגל חשמלי

כדי שיזרום זרם במעגל צריכים להתקיים שני תנאים:

1. המעגל צריך להיות מחובר למקור אנרגיה. האנרגיה יכולה להיות מסופקת למעגל בצורה של מתח חשמלי (בעזרת מקור מתח), בצורה של זרם חשמלי (בעזרת מקור זרם), או בצורה של אנרגיה מכנית (בעזרת מנוע).
2. במעגל צריך להיות לפחות מסלול סגור אחד העובר דרך מקור האנרגיה.

מונחי יסוד

מקור מתח הוא רכיב שמייצר מתח חשמלי קבוע בין שתי נקודות המוצא שלו.

נתק במעגל חשמלי הוא מצב שבו שני רכיבים סמוכים במעגל אינם מחוברים ביניהם, ולא יכול לזרום ביניהם זרם. ישנם רכיבים, הנקראים מפסקים, המשמשים ליצירה מבוקרת של נתקים במעגל. בעזרת מפסק ניתן להפסיק באופן מבוקר את זרימת הזרם במעגל לצורך הפסקת פעולתו של רכיב חשמלי למשל. בשימוש יומיומי אנו משתמשים במפסקים להדלקה וכיבוי של נורות, למשל.

מעגל פתוח הוא מעגל חשמלי שיש בו נתק, ולכן לא זורם בו זרם חשמלי. מעגל חשמלי נקרא מעגל סגור אם אין בו אף נתק.

קצר הוא מצב בו שני רכיבים במעגל מחוברים זה לזה בעזרת מוליך בלבד.

מפל מתחים הוא הפרש המתחים (פוטנציאלים) בין שתי נקודות במעגל. במעגל חשמלי סגור יזרום זרם חשמלי במורד מפל המתחים, כלומר מנקודת המתח הגבוה אל נקודת המתח הנמוך. נקודת המתח הגבוה ביותר במעגל, ונקודת המתח הנמוך ביותר במעגל תהינה בדרך כלל ממוקמות בשני הקצוות (חיובי ושלילי בהתאמה) של מקור המתח במעגל. עוצמת הזרם במעגל תלויה בעוצמת המתח החשמלי של המקור ובתכונות הרכיבים המחוברים במעגל.

צומת חשמלי הוא נקודת מפגש של שלושה רכיבים או יותר במעגל חשמלי.

תצורות בסיסיות של מעגל חשמלי

• חיבור טורי בו סופו של צרכן אחד מהווה תחילתו של צרכן אחר. (כל שני רכיבים במעגל חשמלי מחוברים זה לזה ללא שום צומת ביניהם). אפשר לדמות זאת על ידי שרשרת שבה החוליות מחוברות אחת לשנייה, הזרם במעגלים כאלה הוא קבוע ואילו המתח שנופל על הרכיבים משתנה. עם זאת, סכום המתח הנופל על הרכיבים תמיד שווה למתח המקור (על פי חוק המתחים של קירכהוף).

• חיבור מקבילי בו הצרכנים מחוברים אחד במקביל לשני. צורה זו ניתן לדמות לשורה במחברת חשבון שבה המרובעים מחוברים אחד במקביל לשני. מכאן ניתן להסיק שבניגוד למעגל טורי שבו הזרם שווה, במעגל מקבילי הזרם מתפצל.

עם זאת, הזרם שנכנס לצומת תמיד שווה לסכום הזרמים שיוצאים ממנה (לפי חוק הזרמים של קירכהוף). כמו כן, מפל המתחים במעגל מקבילי שווה בין כל הצרכנים.

• מעגל משולב שכשמו כן הוא, ויש בו גם צרכנים שמחוברים אחד לשני בטור וגם צרכנים שמחוברים אחד לשני במקביל.

הערות:

1. ישנם רכיבים בעלי יותר משני נקודות חיבור למעגל (נקודות החיבור למעגל נקראות רגלי הרכיב).
2. ייתכן גם מצב בו שני רכיבים אינם בטור ואינם במקביל.

ממדים פיזיים

הממדים הפיזיים של מעגלים חשמליים משתנים בסקלה רחבה מאד:

מעגל חשמלי יכול להיות מאוד קטן, כמו מעגל משולב (הנקרא גם שבב או בשפת העם "ג'וק" או "צ'יפ"). גודלו של מעגל כזה, שיכול להכיל מיליוני רכיבים חשמליים, נמדד במילימטרים רבועים.

ישנם גם מעגלים חשמליים גדולים מאד, כגון רשת חשמל ארצית, שיכולה להכיל מיליוני משתמשים.

בין שני סדרי הגודל הקיצוניים האלה, ישנם גם מעגלים חשמליים בגדלי ביניים רבים, כגון רשת חשמל של בניין או מפעל. רשת החשמל הביתית בנויה באופן מקבילי, ובה החשמל מסופק בזרם חילופין.

מעגל מודפס הוא מעגל, שיכול להכיל עשרות רכיבים, וגודלו נע בין סנטימטרים רבועים ספורים לעשרות או מאות סנטימטרים רבועים. באלקטרוניקה משתמשים במעגלים מודפסים לשימושים רבים ושונים, ולכן מעגלים אלה נקראים גם כרטיסים אלקטרוניים.

חישובים במעגל חשמלי

את עוצמת הזרם הזורם דרך רכיבים שונים במעגל וגודל מפל המתח עליהם ניתן לחשב בעזרת:

• חוק הזרמים של קירכהוף - הקובע כי סכום הזרמים הנכנסים לצומת שווה לסכום הזרמים היוצאים ממנו. נוסח ב־1848.
• חוק המתחים של קירכהוף - הקובע שהסכום האלגברי של המתחים (כוון אחד חיובי, כוון שני שלילי) בלולאה במעגל חשמלי יהיה אפס. נוסח ב־1848.
• חוק אוהם - הקובע כי המתח על נגד אידאלי שווה לזרם הזורם דרכו כפול התנגדותו. הוצג ב־1826.
• המרת כוכב-משולש - המאפשרת להפוך מעגל המחובר בצורת כוכב, למעגל המחובר כמשולש ולהיפך, ללא שינוי תכונותיו החשמליות.
• משפטי נורטון-תבנין - הקובעים כי כל אוסף דו-קוטבי של מקורות מתח, מקורות זרם ונגדים שווה-ערך למקור זרם אידאלי במקביל לנגד יחיד (משפט נורטון) או למקור מתח יחיד בטור לנגד יחיד (משפט תבנין).