TEMELJNE ZAKONITOSTI ENOSMERNIH ELEKTRIČNIH VEZIJ
V prejšnjem poglavju smo spoznali temeljne električne količine in njihove medsebojne povezave. Ugotovili smo, da električni vir vzpostavi električno polje, ki povzroči usmerjeno gibanje nabojev, električni potencial pa omogoča opis energijskega stanja posameznih točk v električnem polju. Razlika potencialov med dvema točkama določa električno napetost, ta pa predstavlja enega ključnih vzrokov za nastanek električnega toka. Spoznali smo tudi električno upornost kot lastnost elementa, ki določa, kako velik tok lahko pri določeni napetosti steče skozenj.
Poznavanje posameznih električnih količin pa še ne zadošča za razumevanje delovanja električnih vezij. Že zelo preprosto vezje, sestavljeno iz napetostnega vira in upora, odpira pomembno vprašanje: kako velik tok bo stekel skozi upor pri določeni napetosti? Še pomembnejše vprašanje se pojavi pri vezjih z več elementi: kako lahko že pred izdelavo vezja napovemo tokove, napetosti in električne moči posameznih elementov?
Odgovore bomo iskali eksperimentalno. Sestavili bomo vezje z nastavljivim enosmernim napetostnim virom in uporom (glej sliko @fig:ohm_experiment). Napetost med priključkoma upora bomo merili z voltmetrom, tok skozi upor pa z ampermetrom.
{#fig:ohm_experiment width=70%}
Napetost na uporu bomo obravnavali kot razliko električnih potencialov med priključkoma upora,
\[U_R = V_{+}-V_{-},\]kjer je $V_{+}$ električni potencial na priključku, skozi katerega tok vstopa v upor, $V_{-}$ pa potencial na priključku, skozi katerega tok iz upora izstopa. Z nastavljivim virom bomo postopoma spreminjali napetost med priključkoma upora, pri vsaki nastavitvi izmerili električni tok ter rezultate zapisali v preglednico in prikazali grafično.
Na podlagi izmerjenih rezultatov bomo razvili matematični model, ki opisuje povezavo med napetostjo, tokom in upornostjo. Ta model predstavlja Ohmov zakon in omogoča napoved električnega toka skozi ohmski element pri poljubni napetosti.
V nadaljevanju poglavja bomo ugotovili, da za analizo sestavljenih električnih vezij sam Ohmov zakon ni dovolj. Potrebovali bomo še dve splošni zakonitosti, ki izhajata iz ohranitve električnega naboja in ohranitve energije. Spoznali bomo Kirchhoffov prvi izrek, ki opisuje porazdelitev tokov v vozliščih električnega vezja, ter Kirchhoffov drugi izrek, ki povezuje spremembe električnega potenciala vzdolž sklenjene poti.
S kombinacijo Ohmovega zakona in Kirchhoffovih izrekov bomo izpeljali izraze za nadomestno upornost zaporedno in vzporedno vezanih uporov ter razvili sistematičen postopek za analizo preprostih enosmernih električnih vezij. Nazadnje bomo spoznali, kako v vezje pravilno priključimo ampermeter, voltmeter in osciloskop ter kako njihova notranja upornost vpliva na meritev. Cilj poglavja ni zgolj usvojiti nekaj enačb, temveč razviti način razmišljanja, ki omogoča razumevanje, napovedovanje in zanesljivo merjenje električnih vezij.