EMK, iç direnç ve seri-paralel dirençler
Gerçek bir pilin uç gerilimi, maksimum güç aktarımı, eşdeğer direnç ve akım/gerilim paylaşımı. Kirchhoff'a geçmeden önce devrelerin çoğu bu yöntemle çözülür.
Bu hafta devre çözmeye başlıyorsun. Sınavda bu konudan iki tip soru gelir: gerçek bir pilin uç gerilimi ve iç direnci, bir de dirençlerden kurulu bir ağın eşdeğer direnci, akımı veya gücü. Seri ve paralel indirgemeyle çözülebilen her devreyi Kirchhoff’a girmeden bu yöntemle çöz; çok daha hızlıdır. Kirchhoff kuralları (14. hafta) sadece indirgenemeyen devreler için gerekir.
Altın kurallar:
- Seride akım ortaktır, paralelde gerilim ortaktır. Her şey bu iki cümleden türer.
- Seri eşdeğer en büyükten büyük, paralel eşdeğer en küçükten küçüktür. Cevabını bununla kontrol et.
- Pilin uç gerilimi emk’dan küçüktür: . Akım yoksa eşittir.
- İndirge, toplam akımı bul, geri aç. Her adımda yaz.
- Enerji kontrolü: pilin verdiği güç, dirençlerde harcanan güçlerin toplamına eşit olmalı.
Elektromotor kuvvet ve iç direnç
Bir pil kimyasal enerjiyi kullanarak yükleri düşük potansiyelden yüksek potansiyele taşır. Birim yük başına yaptığı bu iş emk’dır (electromotive force, emf), sembolü , birimi volt. Adı “kuvvet” olsa da bir kuvvet değil, potansiyel farkıdır.
Gerçek bir pilin içinde de yükler bir dirençle karşılaşır. Bunu ideal bir emk kaynağıyla seri bağlı küçük bir iç direnç (internal resistance) olarak modelleriz. Pile dış direnç (load resistance) bağlanınca:
pilin uçları arasında ölçülen uç gerilimidir (terminal voltage). Üç durum ezberlemen gereken üç uç noktadır:
| Durum | Akım | Uç gerilimi |
|---|---|---|
| Açık devre (hiçbir şey bağlı değil) | ||
| Normal yük | ||
| Kısa devre () |
Örnek. V, olan bir pil 4.1 Ω’luk bir dirence bağlı. Akım, uç gerilimi ve yükteki güç nedir?
I = ε/(R + r) = 9.0 / (4.1 + 0.40) = 2.0 A
ΔV = ε − I r = 9.0 − (2.0)(0.40) = 8.2 V (kontrol: I R = 8.2 V)
P = I² R = 4.0 × 4.1 = 16 W
TUZAK · emk ile uç gerilimi. Voltmetreyle akım çeken bir pilin uçlarını ölçersen değil okursun. “Pil 3.0 A verirken 11.4 V, boştayken 12.0 V” bilgisi doğrudan verir. yük direncidir, iç direnç değil.
Güç ve maksimum güç aktarımı
Güç dengesi şeklindedir: pilin kimyasal olarak ürettiği güç, yükte ve pilin içinde ısıya döner. Yükteki güç:
iken akım büyük ama sıfır olduğu için güç sıfır; iken akım sıfır, güç yine sıfır. Arada bir maksimum var. çözülünce:
Bu noktada verim : gücün yarısı pilin içinde ısıya gider. Yüksek verim istiyorsan olmalı.
Örnek. V, olan kaynağa üç farklı yük bağlayalım:
| () | Verim | ||
|---|---|---|---|
| 0.50 | 4.5 A | 10.1 W | %25 |
| 1.5 | 3.0 A | 13.5 W | %50 |
| 4.5 | 1.5 A | 10.1 W | %75 |
Güç ‘de tepe yapıyor ve ‘nin ile olduğu iki durumda aynı çıkıyor. Ama verim büyüdükçe sürekli artıyor. “En çok güç” ile “en verimli” aynı şey değil; soru hangisini soruyor, oku.
Seri bağlı dirençler
Dirençler uç uca, aralarında dallanma olmadan bağlıysa seridir (series combination). Bütün yük aynı yoldan geçmek zorunda olduğu için akım ortaktır, gerilimler toplanır:
Gerilim dirençlerle orantılı paylaşılır (gerilim bölücü): büyük direnç gerilimin büyük payını alır. Seri bir ampul zinciri ekledikçe her ampulün gücü karesel olarak düşer. Bir ampul koparsa devre açılır ve hepsi söner.
Paralel bağlı dirençler
Dirençlerin iki ucu da aynı iki düğüme bağlıysa paraleldir (parallel combination). Hepsi aynı iki noktaya bağlı olduğu için gerilim ortaktır, akımlar toplanır:
İki direnç için kısayol: (“çarpım bölü toplam”). özdeş direnç için .
Akım dirençle ters orantılı paylaşılır (akım bölücü, current divider):
Küçük direnç büyük akımı alır. Evdeki prizler paraleldir: her cihaz şebeke gerilimini görür ve bir cihazı açıp kapamak diğerlerini etkilemez.
İPUCU · paralelde tersini almayı unutma. bulup “0.5 Ω” yazmak çok yaygın. Bu ‘dur. . Sonucun en küçük dirençten küçük mü, kontrol et.
Çözümlü örnek: indirge ve geri aç
Devre şöyle: V, olan pilin artı ucundan çıkan tel önce ‘dan geçiyor. Sonra P düğümünde ikiye ayrılıyor: bir dalda , diğer dalda . İki dal Q düğümünde birleşiyor, oradan üzerinden pilin eksi ucuna dönüyor. Bütün akımları ve pilin uç gerilimini bul.
1. İndirge. ile P ve Q arasında paralel:
Geriye seri bir zincir kalıyor: .
2. Toplam akım.
3. Geri aç.
Uç gerilimi: ΔV = ε − I r = 18 − 2.0 = 16 V
R1'de: 2.0 × 3.0 = 6.0 V
P-Q arası: 2.0 × 2.0 = 4.0 V (R2 ve R3 aynı gerilimi görür)
R4'te: 2.0 × 3.0 = 6.0 V (6 + 4 + 6 = 16 V, uç gerilimi tuttu)
I2 = 4.0/6.0 = 0.67 A
I3 = 4.0/3.0 = 1.33 A (0.67 + 1.33 = 2.0 A, düğüm tuttu)
4. Enerji kontrolü.
Pilin ürettiği: ε I = 18 × 2.0 = 36 W
Harcanan: r: 4.0 R1: 12 R2: 2.7 R3: 5.3 R4: 12 → toplam 36 W
İki kontrol de (gerilimler toplamı ve güç dengesi) tuttuğu için cevaplardan eminsin. Sınavda bu kontrol 20 saniye sürer ve yanlış cevabı yakalar.
Ampul soruları
Ampulleri sabit dirençli direnç gibi düşün; parlaklık harcanan güçtür.
- Paralel ampul eklemek (ideal pil): her ampulün gerilimi , değişmez. Parlaklıklar aynı kalır, pilden çekilen akım artar.
- Seri ampul eklemek: toplam direnç artar, akım düşer, hepsi söner. İki ampulden üçe çıkınca her birinin gücü katına iner.
- Pilin iç direnci varsa: paralel ampul eklemek pil akımını artırır, büyür, uç gerilimi düşer. Diğer ampuller biraz sönükleşir.
Sık yapılan hatalar
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| Pilin uç gerilimi her zaman emk’ya eşittir | Akım varken |
| Kısa devrede akım sonsuzdur | ile sınırlıdır |
| Maksimum güç iken | iken, |
| bulunca iş bitti | Tersini al: |
| Paralel dallarda akım eşit bölünür | Dirençle ters orantılı bölünür |
| Seride büyük direnç daha az gerilim alır | Daha çok alır: , ortak |
| Paralel ampul eklemek diğerlerini söndürür | İdeal pilde değiştirmez |
| Seri ampul eklenince güç ‘e iner | Akım ‘e iner, güç ‘a |
| Çizimde yan yana duran dirençler paraleldir | Paralel olmaları için iki ucunun da aynı iki düğüme bağlı olması gerekir |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
A battery with emf 12.0 V and internal resistance 0.50 Ω is connected to a 5.5 Ω load resistor. What is the terminal voltage of the battery?
- 12.0 V
- 11.0 V
- 1.0 V
- 10.9 V
- 13.0 V
Cevabı göster
A. V. Kontrol: V.
1.0 V iç dirençteki düşüş; 13.0 V işareti ters alınca çıkar.
The terminal voltage of a battery is 12.0 V when no current flows and 11.4 V when it delivers 3.0 A. What is its internal resistance?
- 3.8 Ω
- 4.0 Ω
- 0.20 Ω
- 0.60 Ω
Cevabı göster
Akım yokken uç gerilimi emk'ya eşittir: V..
3.8 Ω, yük direnci ; iç direnç değil.
A source has emf 9.0 V and internal resistance 1.5 Ω. What is the maximum power it can deliver to an external load resistor?
- 54 W
- 27 W
- 13.5 W
- 6.75 W
- 81 W
Cevabı göster
Yükteki güç , iken maksimum. W.
54 W, kısa devre durumu sanıp yazınca çıkar; o durumda yükte güç sıfırdır.
Three identical 6.0 Ω resistors are connected in parallel. What is the equivalent resistance?
- 18 Ω
- 6.0 Ω
- 2.0 Ω
- 0.50 Ω
Cevabı göster
, yani .
0.50 Ω, tersini almayı unutunca çıkar. eş direnç paralelde: .
A 4.0 Ω resistor is connected in series with a parallel combination of 6.0 Ω and 12 Ω. What is the equivalent resistance of the whole network?
- 22 Ω
- 8.0 Ω
- 2.9 Ω
- 4.0 Ω
- 12 Ω
Cevabı göster
Paralel kısım: .
Seri: . 22 Ω hepsini seri toplamak; 2.9 Ω hepsini paralel almak.
An ideal 24 V battery is connected to a 6.0 Ω resistor in series with a parallel pair of 3.0 Ω and 6.0 Ω resistors. What is the current in the 3.0 Ω resistor?
- 1.0 A
- 2.0 A
- 3.0 A
- 8.0 A
- 4.0 A
Cevabı göster
Paralel kısım: . Toplam: , A.
Paralel kısmın gerilimi: V. A (6.0 Ω'luk paralel dalda 1.0 A). Akım küçük dirençten daha çok geçer.
3.0 A toplam akım; 1.0 A diğer dal.
Two resistors have an equivalent resistance of 25 Ω when connected in series and 4.0 Ω when connected in parallel. Find the two resistances.
Cevabı göster
ve . veya .
Kontrol: .
Two identical bulbs are connected in parallel to an ideal battery. A third identical bulb is added in parallel. What happens to the brightness of the original two bulbs and to the current supplied by the battery?
- Bulbs dimmer, battery current unchanged
- Bulbs unchanged, battery current increases
- Bulbs unchanged, battery current unchanged
- Bulbs brighter, battery current increases
Cevabı göster
İdeal pilde her paralel ampulün uçlarındaki gerilim 'dur ve değişmez; aynı kalır.
Eşdeğer direnç 'den 'e düşer, pilin verdiği akım artar (1.5 katına çıkar).
Pilin iç direnci olsaydı uç gerilimi biraz düşer, ampuller biraz sönükleşirdi.
Two identical bulbs are in series with an ideal battery. A third identical bulb is added in series. By what factor does the power of each original bulb change?
- 1 (unchanged)
- 2/3
- 4/9
- 1/3
- 9/4
Cevabı göster
Akım 'den 'ye düşer, oran .
Her ampulün gücü : . Ampuller belirgin şekilde sönükleşir.
2/3 diyen gücü akımla doğru orantılı sandı.
A battery ( V, ) drives a 3.0 Ω load. What power is delivered to the load, and what fraction of the battery's total power output () is that? Give both.
Cevabı göster
A. W. Toplam: W, iç dirençte W.
Verim: .
Between terminals A and B, a 12 Ω resistor is connected directly. Also between A and B is a second path: an 8.0 Ω resistor from A to point C, then from C to B a parallel pair of 6.0 Ω and 3.0 Ω. What is the equivalent resistance between A and B?
- 29 Ω
- 10 Ω
- 5.5 Ω
- 4.0 Ω
- 1.3 Ω
Cevabı göster
İçten dışa indirge. C-B arası: .
İkinci yol: .
A-B: .
10 Ω, son paralel adımı atlayınca çıkar.
A 1.5 V cell with internal resistance 0.30 Ω is accidentally short-circuited by a thick wire of negligible resistance. What current flows?
- 0 A
- 0.45 A
- 5.0 A
- Infinite current
Cevabı göster
Kısa devrede (short circuit) dış direnç sıfır: A.
Akımı sınırlayan tek şey iç direnç. Uç gerilimi olur, pil hızla ısınır.
Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/PHY1002/13.mjs, çözücü verify/PHY1002/solve.mjs): eşdeğer dirençler formülle ve ayrıca Gauss eleme ile düğüm analizi (nodal analysis) yapılarak, maksimum güç R taranarak sayısal olarak, örnek devrede kaynak gücü ile harcanan güç toplamı karşılaştırılarak.