האטום הוא אבן הבניין הבסיסית של כל החומר, המורכב מגרעין מוקף בענן של אלקטרונים. הבנת מבנה האטום חיונית לתפיסת מושגים בסיסיים ומתקדמים בפיזיקה ובכימיה. להלן סקירה כללית של המבנה שלו: גַרעִין: הגרעין הוא הליבה של האטום, המכיל את רוב המסה שלו. הוא מורכב משני סוגים של חלקיקים: פרוטונים: חלקיקים בעלי מטען חיובי מגדירים את המספר האטומי של יסוד (מספר הפרוטונים בגרעין קובע את סוג היסוד). ניוטרונים הם חלקיקים ניטרליים (ללא מטען חשמלי) התורמים למסה של האטום. מספר הנייטרונים יכול להשתנות בתוך אטומים של אותו יסוד, מה שמוביל לאיזוטופים שונים. הגרעין צפוף וזעיר להפליא בהשוואה לשאר האטום, כאשר אלקטרונים מקיפים את המסה המרכזית הזו במרחקים עצומים יחסית. אלקטרונים: אלקטרונים הם חלקיקים בעלי מטען שלילי המקיפים את הגרעין בתוך ענני אלקטרונים או קונכיות. המשיכה בין המטען החיובי של הגרעין לבין האלקטרונים השליליים שומרת על האלקטרונים קשורים לאטום. סידור האלקטרונים ומספרם קובעים את התכונות הכימיות של האטום ואת יכולתו ליצור קשרים עם אטומים אחרים. קליפות ואורביטלים של אלקטרונים אלקטרונים מסודרים בקליפות מסביב לגרעין. כל קליפה יכולה להכיל מספר מסוים של אלקטרונים, וקליפות קרובות יותר לגרעין מתמלאות לפני שהאלקטרונים מתחילים לאכלס את הקליפות החיצוניות. בתוך הקליפות הללו, אלקטרונים תופסים תת-קונכיות ואורביטלים, שהם אזורים ספציפיים סביב הגרעין שבהם יש סיכוי גבוה יותר להימצא אלקטרונים. התפלגות האלקטרונים על פני הקליפות והאורביטלים הללו קובעת את ההתנהגות הכימית של האטום. מספר אטומי, מספר מסה ואיזוטופים מספר אטומי (Z): מספר הפרוטונים בגרעין של אטום, המזהה באופן ייחודי יסוד. מספר מסה (A): המספר הכולל של פרוטונים וניטרונים בגרעין האטום. מכיוון שהאלקטרונים תורמים באופן זניח למסה של אטום, הם אינם נספרים במספר המסה. איזוטופים: אטומים של אותו יסוד בעלי אותו מספר פרוטונים אך מספר שונה של נויטרונים. לאיזוטופים יש מספרי מסה שונים ויכולים להראות שינויים ביציבות הגרעינית. כוחות בתוך האטום מספר כוחות יסוד פועלים בתוך האטום, כולל: כוח אלקטרומגנטי: מושך אלקטרונים לגרעין תוך גורם לדחייה בין האלקטרונים הטעונים שלילי. כוח גרעיני חזק: כוח רב עוצמה הפועל בין פרוטונים לנייטרונים בגרעין, ומתגבר על הדחייה האלקטרומגנטית בין פרוטונים כדי להחזיק את הגרעין יחד. כוח גרעיני חלש: מעורב בסוגים מסוימים של תגובות גרעיניות ותהליכי ריקבון רדיואקטיביים. מכניקת הקוונטים ותורת האטום ההבנה המודרנית של המבנה האטומי נטועה עמוק במכניקת הקוונטים, המתארת את האלקטרונים במונחים של הסתברויות ולא של מסלולים קבועים. על פי תורת הקוונטים, אלקטרונים קיימים באורביטלים בעלי צורות וכיוונים ספציפיים, ולא ניתן לקבוע במדויק את מיקומם המדויק אלא ניתן לתאר על ידי התפלגות הסתברות. מבנה האטום מספק בסיס להבנת התחום העצום של הכימיה, כולל האופן שבו אטומים מקיימים אינטראקציה, יוצרים מולקולות ומולידים את התכונות המגוונות של החומר.

התנגדות חשמלית היא מושג בסיסי בתחום החשמל והאלקטרוניקה, המתאר את המידה שבה חומר מתנגד לזרימת זרם חשמלי. התנגדות גבוהה יותר פירושה פחות זרם זורם עבור מתח מופעל נתון, לפי חוק אוהם, הקובע כי הזרם (I) דרך מוליך בין שתי נקודות הוא פרופורציונלי ישר למתח (V) על פני שתי הנקודות ויחס הפוך ל- התנגדות (R) ביניהם. קשר זה מתבטא כ התנגדות חשמלית יחידה: יחידת ה-SI של ההתנגדות החשמלית היא האוהם (Ω). תופעה: התנגדות מתרחשת מכיוון שכאשר אלקטרונים נעים דרך מוליך, הם מתפזרים ומתנגשים באטומים, אלקטרונים אחרים או זיהומים בחומר. תהליך פיזור זה הופך חלק מאנרגיה חשמלית לחום, ובכך מתנגד לזרימת החשמל. גורמים המשפיעים על התנגדות: ההתנגדות של חומר תלויה באורכו, בשטח החתך שלו, בסוג החומר (התנגדות ספציפית) ובטמפרטורה שלו. ההתנגדות של חומרים היא מדד למידת עוצמתו של החומר מתנגד לזרימת הזרם החשמלי ומשתנה בהתאם לטמפרטורה. ‏ הנגד החשמלי: נגד חשמלי הוא רכיב דו-טרמינלי פסיבי המשמש במעגלים חשמליים ואלקטרוניים להכנסת התנגדות. תפקידו העיקרי הוא להגביל את זרימת הזרם החשמלי ולהוריד את רמות המתח בתוך המעגלים. סוגי נגדים: - נגדים קבועים: בעלי ערך התנגדות קבוע מראש. - נגדים משתנים (פוטנציומטרים וריאוסטטים): אפשר את התאמת ההתנגדות. נגדים מיוחדים: כולל תרמיסטורים (נגדים רגישים לטמפרטורה), וריסטורים (נגדים רגישים למתח), ונגדים תלויי אור (LDR), בין היתר. בְּנִיָה: נגדים יכולים להיות עשויים מחומרים שונים, כולל פחמן, סרט מתכת, פתיל תיל וקרמיקה. לכל סוג יש סט מאפיינים משלו המתאימים ליישומים שונים, כגון דיוק, טיפול בכוח ויציבות. יישומים: חלוקת מתח: ניתן להשתמש בנגדים בסדרה ליצירת מחלק מתח, פיצול מתח הכניסה למתחים קטנים יותר. הגבלת זרם: כדי למנוע יותר מדי זרם לזרום דרך רכיב, שעלול לגרום לו נזק. ייצור חום: ביישומים כמו גופי חימום שבהם החום שנוצר מהתנגדות מועיל. מיזוג אותות: התאמת רמות האות, עיצוב תגובות תדר ושליטה בהגבר במעגלים אלקטרוניים. חֲשִׁיבוּת: הבנת ההתנגדות וכיצד לשלוט בה באמצעות נגדים היא חיונית בתכנון וניתוח מעגלים חשמליים ואלקטרוניים. בין אם מדובר במשימות פשוטות כמו עמעום אור או תהליכים מורכבים במחשוב ותקשורת, נגדים ממלאים תפקיד מפתח בניהול אנרגיה חשמלית ואותות.

זרם חשמלי הוא מושג בסיסי בחקר החשמל, המייצג את זרימת המטען החשמלי דרך מוליך. זרימה זו מקבילה לזרימת מים בצינור והיא הבסיס להפקה, שידור ושימוש באנרגיה חשמלית באינספור יישומים. הבנת הזרם החשמלי חיונית להבנת אופן פעולת המעגלים החשמליים ולתכנון וניתוח מכשירים חשמליים ואלקטרוניים. הַגדָרָה זרם חשמלי מוגדר כקצב זרימת המטען במשטח. כיוון הזרם הקונבנציונלי נחשב לזרם מהמסוף החיובי לשלילי של מקור כוח, אם כי, במציאות, אלקטרונים (שנושאים מטען) נעים מהמסוף השלילי לחיובי. מדידה ויחידה יחידה: היחידה הסטנדרטית של זרם חשמלי היא אמפר (A), על שם אנדרה-מארי אמפר, מתמטיקאי ופיזיקאי צרפתי. אמפר אחד שווה לקולומב אחד של מטען שעובר דרך מוליך בשנייה אחת. מדידה: ניתן למדוד זרם באמצעות מכשיר הנקרא מד זרם, המחובר בטור עם מרכיבי המעגל שדרכם זורם הזרם. סוגי זרם חשמלי זרם ישר (DC): זרימת המטען החשמלי בכיוון קבוע. זהו סוג הזרם המסופק על ידי סוללות, תאים סולאריים ומחוללי DC. DC משמש באלקטרוניקה רבות מכיוון שהוא זורם בהתמדה, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור הפעלת מעגלים, מכשירים אלקטרוניים וטעינת סוללות. זרם חילופין (AC): זרימת המטען החשמלי שהופכת מעת לעת כיוון. ברוב המדינות, החשמל הביתי הוא AC, בדרך כלל מתנודד בקצב של 50 או 60 הרץ (מחזורים לשנייה). AC משמש להעברת כוח למרחקים ארוכים בשל יכולתו להפוך בקלות למתחים שונים עם אובדן אנרגיה מינימלי. גורמים המשפיעים על זרם חשמלי מתח (כוח אלקטרו-מוטיבי): הפרש הפוטנציאלים בין שתי נקודות במעגל הוא הכוח המניע שדוחף את הזרם דרך המעגל. לפי חוק אוהם, הזרם במעגל עומד ביחס ישר למתח שעליו וביחס הפוך להתנגדות. הִתנַגְדוּת: ההתנגדות שחומר מציג לזרימת הזרם החשמלי. התנגדות גבוהה יותר פירושה פחות זרם זורם עבור מתח נתון. מוליכות החומר: חומרים בעלי מוליכות גבוהה (כמו מתכות) מאפשרים לזרם לזרום בקלות רבה יותר בהשוואה לאלו בעלי מוליכות נמוכה (כגון גומי או זכוכית). יישומים וחשיבות: זרם חשמלי מניע בתים, תעשיות וגאדג'טים, מה שהופך אותו לאבן יסוד בחברה המודרנית. הוא מפעיל מכשירים, תאורה, מחשבים ומכונות, וזה העיקרון מאחורי האלקטרומגנטיות, שמניע מנועים וגנרטורים. הבנת הזרם החשמלי חיונית גם לאלקטרוניקה, שבה שליטה מדויקת על זרימת המטען נחוצה לפונקציונליות של מעגלים והתקנים

מקור מתח ישיר (מקור מתח DC) ומקור מתח מתח חילופין (מקור מתח AC) הם שני סוגים בסיסיים של מקורות חשמל, שכל אחד מהם מייצר סוג שונה של מתח וזרם. הם משרתים מטרות שונות במעגלים חשמליים ואלקטרוניים, ומפעילים מגוון רחב של מכשירים, החל ממכונות אלקטרוניות קטנות ועד למכונות תעשייתיות גדולות. מקור מתח ישיר (מקור מתח DC) מקור מתח ישיר מספק פלט מתח קבוע שאינו משנה קוטביות או גודל לאורך זמן. רמת המתח נשארת יציבה, מה שהופך את מקורות DC לאידיאליים להפעלת מכשירים אלקטרוניים שבהם אספקת חשמל יציבה ואחידה חיונית. מאפיינים: המתח נשאר קבוע ואינו הופך את הקוטביות שלו. משמש במכשירים הדורשים זרימה יציבה וחד כיוונית של זרם. דוגמאות: סוללות (למשל, AA, AAA, סוללות לרכב), תאים סולאריים, גנרטורים DC. יישומים: מכשירים אלקטרוניים כמו סמארטפונים, מחשבים ניידים ונורות LED. רכבים חשמליים וכלים נטענים המונעים על ידי סוללות. באלקטרוניקה כוח למנועי DC וכוננים. מקור מתח מתח חילופין (מקור מתח AC) מקור מתח מתחלף מספק מתח שמשתנה בגודלו ומדי פעם הופך כיוון. מקורות מתח AC מייצרים צורת גל סינוסואידלית (או לפעמים משולשת או מרובעת), המאופיינת במשרעת, בתדר ובפאזה שלה. שונות זו מאפשרת להפוך מתח AC בקלות למתחים גבוהים או נמוכים יותר, מה שהופך אותו לאידיאלי להעברת חשמל למרחקים ארוכים. מאפיינים: מתח מתחלף בגודל ובכיוון, בעקבות צורת גל מחזורית (בדרך כלל סינוסואידלית). ניתן להמיר בקלות למתחים שונים באמצעות שנאים. דוגמאות: תחנות כוח המייצרות חשמל (הידרו-אלקטרי, פחם, גרעיני). שקעי קיר בבתים ובעסקים. ממירים הממירים DC ל-AC. יישומים: הפעלת מבני מגורים ומסחר. יישומים תעשייתיים הדורשים מכונות גדולות. העברת כוח חשמלי למרחקים ארוכים. הבדלים מרכזיים התנהגות מתח: מקורות מתח DC מספקים מתח קבוע, בעוד שמקורות מתח AC מציעים מתח המשתנה בצורה סינוסואידית לאורך זמן. שידור והמרה: ניתן להמיר בקלות AC בין מתחים, וזה יתרון להעברת כוח. DC משמש כאשר יש צורך במתח קבוע, כגון מכשירים אלקטרוניים וטעינת סוללות. יעילות ויישום: DC יעיל יותר עבור יישומי חשמל למרחקים קצרים ומועדף באלקטרוניקה דיגיטלית. AC מתאים יותר לחלוקת חשמל למרחקים ארוכים בגלל הפסדי אנרגיה נמוכים יותר כאשר עולים למתח גבוה. הבנת ההבדלים בין שני סוגי מקורות המתח הללו חיונית לתכנון והטמעה של מערכות חשמליות, שכן הבחירה בין מתח AC ו-DC משפיעה על היעילות, המורכבות והתאמתה של המערכת ליישומה המיועד.

מעגל חשמלי בסיסי הוא לולאה סגורה המורכבת ממוליכים והתקנים המאפשרת לזרם חשמלי לזרום דרכו. זרימה זו של זרם חשמלי מונעת על ידי מקור מתח וניתן להשתמש בה כדי להפעיל מכשירים, לבצע עבודה או לשדר אותות. הבנת המרכיבים של מעגל חשמלי בסיסי וכיצד הם מתקשרים היא הבסיס לחקר החשמל והאלקטרוניקה. רכיבים של מעגל חשמלי בסיסי מקור מתח: מספק את הכוח האלקטרו-מוטורי (EMF) הדרוש לדחיפת אלקטרונים דרך המעגל. דוגמאות כוללות סוללות וגנרטורים. נתיב מוליך: עשוי מחומרים המאפשרים לזרם חשמלי לזרום בקלות, כגון חוטי נחושת או אלומיניום. עומס: הרכיב שצורך אנרגיה חשמלית לביצוע עבודה, כגון נורה, נגד או מנוע. מתג (אופציונלי): מאפשר פתיחה או סגירה של המעגל, שליטה בזרימת החשמל. _ חוק אוהם חוק אוהם הוא עיקרון יסוד בתחום החשמל המתאר את הקשר בין מתח, זרם והתנגדות במעגל חשמלי. זה בא לידי ביטוי במשוואה: V=I×R איפה: V הוא המתח על פני המעגל (בוולט, V), I הוא הזרם הזורם במעגל (באמפר, A), R היא ההתנגדות של המעגל (באוהם, Ω). יישומים של חוק אוהם: קביעת זרם: אם אתה יודע את המתח על פני מעגל ואת ההתנגדות בתוכו, אתה יכול לקבוע את הזרם הזורם במעגל. חישוב מפל מתח: בהתחשב בזרם ובהתנגדות, ניתן לחשב את מפל המתח על פני כל רכיב במעגל. גודל נגד: עוזר בבחירת ערך הנגד הנכון להשגת זרימת זרם רצויה בהינתן אספקת מתח ספציפית. דוגמה למעגל פשוט דמיינו מעגל פשוט המורכב מסוללה (מקור מתח), נורה (עומס) וחוטים מוליכים המחברים ביניהם. כאשר המעגל סגור (למשל, באמצעות מתג), הסוללה דוחפת אלקטרונים דרך המעגל, וגורמת להדלקת הנורה. המשמעות של חוק אוהם בתכנון מעגלים: חוק אוהם חיוני לתכנון וניתוח מעגלים חשמליים ואלקטרוניים. זה עוזר למהנדסים וטכנאים: חזה כיצד יתנהגו מעגלים תחת מתחים שונים, תכנן מעגלים לטיפול בזרמים ספציפיים, בחר רכיבים שיעבדו יחד בבטחה וביעילות. הבנת המעגל החשמלי הבסיסי וחוק אוהם מניחה את הבסיס ללימודים מורכבים יותר בחשמל ואלקטרוניקה, כולל ניתוח מעגלים, תכנון מכשירים אלקטרוניים והנדסת חשמל. _ נלמד ביחידת לימוד זו: חישובים במעגל חשמלי פשוט עם נגד ומקור מתח ישר יחידות מידה

כוח חשמלי הוא מושג בסיסי הן בפיזיקה והן בהנדסה, המתאר את קצב העברת האנרגיה החשמלית על ידי מעגל חשמלי. יחידת ההספק SI היא הוואט (W), על שם המהנדס הסקוטי ג'יימס וואט. וואט אחד שווה לג'אול אחד לשנייה. במערכות חשמל, ניתן להשתמש בכוח כדי לכמת את צריכת האנרגיה של מכשירים ואספקת האנרגיה ממקורות חשמל. נוסחה עבור חשמל ניתן לחשב את הספק החשמלי באמצעות מספר נוסחאות, בהתאם למשתנים הידועים: שימוש במתח וזרם (I ו-V): P=V×I P הוא הספק בוואטים, V הוא מתח בוולט, ו אני זרם באמפר. שימוש בהתנגדות ובזרם (R ו-I): נוסחה זו נגזרת מחוק אוהם (V=I×R), המציינת כי ההספק פרופורציונלי לריבוע הזרם כפול ההתנגדות. שימוש במתח והתנגדות (V ו-R): זוהי גזירה נוספת מחוק אוהם, המראה שההספק הוא גם פרופורציונלי לריבוע המתח חלקי ההתנגדות. סוגי חשמל: הספק פעיל (P): זהו ההספק האמיתי בוואטים הנצרך על ידי מכשיר כדי לבצע עבודה או ליצור חום. זה הכוח שבעצם מומר לעבודה שימושית כמו סיבוב מנוע או הדלקת נורה. כוח תגובתי (Q): נמדד בוולט-אמפר תגובתי (VAR), זה ההספק שמתנדנד בין המקור לרכיבים התגובתיים של המעגל (כמו משרנים וקבלים). הוא אינו מבצע עבודה אך הוא הכרחי ליצירת שדות מגנטיים וחשמליים. - כוח לכאורה (S): השילוב של כוח פעיל ותגובתי, הנמדד בוולט-אמפר (VA), מייצג את סך ההספק הזורם במעגל. - מתח במעגלי AC במעגלי זרם חילופין (AC), חישוב ההספק הופך למורכב יותר עקב נוכחותם של הפרשי פאזה בין מתח לזרם. מקדם ההספק (PF), שהוא היחס בין הספק פעיל להספק לכאורה, נכנס לתמונה: P=V×I×PF מקדם ההספק יכול לנוע בין -1 ל-1, המציין באיזו יעילות נעשה שימוש בכוח החשמלי. משמעות ויישומים צריכת אנרגיה: דירוגי הספק של מכשירי חשמל מצביעים על צריכת האנרגיה שלהם, ומסייעים לצרכנים להבין את צריכת החשמל והעלויות שלהם. תכנון מערכות חשמל: מהנדסים משתמשים בחישובי הספק כדי לתכנן מערכות חשמל, ומבטיחים שרכיבים מדורגים כראוי להתמודדות עם עומסים צפויים. יעילות: ביישומים תעשייתיים, הבנה ואופטימיזציה של צריכת החשמל יכולה להוביל לחיסכון משמעותי באנרגיה וליעילות תפעולית. כוח חשמלי הוא מדד מפתח בתכנון, ניתוח וניצול של מערכות חשמל ואלקטרוניקה, המשפיע על כל דבר, החל ממכשירי חשמל ביתיים ועד לרשתות חלוקת חשמל בקנה מידה גדול.

מעגל חשמלי טורי, הוא תצורה בסיסית שבה רכיבים חשמליים מחוברים מקצה לקצה בנתיב אחד כדי שהזרם יזרום. הגדרה זו פירושה שאותו זרם זורם דרך כל רכיב במעגל, אך המתח על פני כל רכיב יכול להשתנות בהתאם להתנגדות שלו. מעגלים טוריים, הם בדרך כלל בניגוד למעגלים מקבילים, שבהם רכיבים חולקים את אותו המתח אך יכולים להיות זרמים שונים דרכם. מאפיינים של מעגל טורי: אותו זרם: הזרם זהה בכל הרכיבים מכיוון שיש רק נתיב אחד לזרם לזרום. אם רכיב אחד נכשל או מנותק, המעגל כולו נשבר, והזרם מפסיק לזרום. חלוקת מתח: המתח הכולל על פני המעגל הטורי (קרוי גם סדרתי-בלועזית), הוא סכום המתחים על פני כל רכיב. הסיבה לכך היא שמפל המתח (V) על פני כל רכיב הוא פרופורציונלי ישר להתנגדות שלו (R), כפי שמתואר בחוק אוהם (V=I×R), כאשר I הוא הזרם. התנגדות מצטברת: ההתנגדות הכוללת (סה"כ R) של המעגל היא סכום ההתנגדויות האישיות לאורך המעגל: R-total =R1+R2+R3+… _ I = 1.2A. זרם זה זורם דרך כל נגד. - נפילת מתח על פני כל נגד: ניתן לחשב את נפילת המתח על פני כל נגד באמצעות חוק אוהם.Ω I=1.2A×2Ω=2.4V, ובדומה עבור האחרים. יישומים ומגבלות: מעגלי תאורה פשוטים: מעגלים בטור, שימשו באורות חג המולד ישנים יותר, שבהם אם נורה אחת נכשלה, כל המיתר היה כבה. מטרות חינוכיות: הדגמת העקרונות הבסיסיים של זרם ומתח במסגרות חינוכיות. מחלקי מתח: במעגלים אלקטרוניים, נגדים בסדרה משמשים ליצירת מחלקי מתח, חשובים לעיבוד אותות. עם זאת, תצורת הטור, אינה משמשת בדרך כלל עבור כל הפריסה של חיווט חשמלי ביתי או מערכות תאורה מודרניות, בשל אי הנוחות של תקלה של המערכת כולה אם רכיב אחד נכשל. כמו כן, כל מכשיר בטור אינו מקבל את מלוא מתח המקור (למעט מקרים מיוחדים כמו מחלקי מתח), דבר שיכול להיות בלתי רצוי עבור יישומים רבים. הבנת מבנה מעגל טורי, היא חיונית לתפיסת עיצובים מורכבים יותר של מעגלים חשמליים ואלקטרוניים, שכן רכיבי סדרה הם לרוב חלק מתצורות מקבילות וסדרתיות מורכבות יותר.

מעגל חשמלי מקביל הוא תצורה שבה הרכיבים מחוברים על פני נקודות או צמתים משותפים, ומספקים נתיבים מרובים לזרימת הזרם. שלא כמו במעגלים סדרתיים, שבהם הזרם זהה בכל הרכיבים, במעגלים מקבילים, המתח על פני כל נתיב זהה, אך הזרם יכול להשתנות בהתאם להתנגדות של כל רכיב. מאפיינים של מעגל מקביל אותו מתח: כל רכיב במעגל מקביל רואה את אותו המתח כמו המקור. הסיבה לכך היא שכל הרכיבים מחוברים ישירות דרך ספק הכוח. חלוקת זרם: סך הזרם המסופק מהמקור הוא סכום הזרמים דרך כל נתיב מקביל. זרם כולל: סה"כ הזרם שמספקת הסוללה הוא סכום הזרמים דרך כל נגד. I-total=3A+2A+1A=6A. התנגדות כוללת: שימוש בנוסחה להתנגדות כוללת במעגל מקביל. _ יישומים ומגבלות חיווט ביתי: בתים מחוברים במקביל כדי להבטיח שכל מכשיר חשמלי יקבל את אותו מתח ויכול לפעול באופן עצמאי. מכשירים אלקטרוניים: מעגלים מקבילים משמשים במכשירים אלקטרוניים כדי לנהל את חלוקת החשמל ולהבטיח שרכיבים פועלים ברמות המתח הנדרשות. מגבלות: בעוד שמעגלים מקבילים הם יתרון לשמירה על מתח אחיד על פני רכיבים ולאפשר פעולה עצמאית, הם יכולים למשוך זרמים גבוהים מהמקור, הדורשים חוטים ומקורות חשמל שיכולים להתמודד עם העומס. מעגלים מקבילים חיוניים במערכות חשמל פשוטות ומורכבות כאחד, ומציעים את הגמישות והאמינות הדרושים למכשירים חשמליים ואלקטרוניים מודרניים. הבנת אופן פעולתם חיונית לכל מי שעוסק בתכנון, בנייה או תחזוקה של מערכות חשמל

מעגל חשמלי מעורב, או מעגל טורי מקבילי, משלב אלמנטים של תצורות טוריות ומקבילות בתוך אותו מעגל. מורכבות זו מאפשרת עיצובים גמישים ויעילים יותר, המתאימים ליישומים חשמליים ואלקטרוניים שונים. במעגלים מעורבים, חלק מהרכיבים מחוברים בטור (מקצה לקצה), ויוצרים נתיב אחד לזרימת הזרם, בעוד שאחרים מחוברים במקביל (על פני נקודות או צמתים משותפות), ומציעים נתיבים מרובים לזרם. מאפיינים של מעגלים מעורבים שונות במתח ובזרם: בהתאם למיקומם במעגל, לרכיבים עשויים להיות מתחים שונים על פניהם (בחיבורים טוריים) או זרמים שונים דרכם (בחיבורים מקבילים). חישובים מורכבים: ניתוח מעגלים מעורבים כדי לקבוע מתחים, זרמים והתנגדות כוללת דורש שילוב של כללי מעגלים טוריים ומקבילים. גמישות בעיצוב: מאפשר עיצובי מעגלים מתוחכמים שיכולים לעמוד בדרישות ספציפיות למתח, זרם והתנגדות. ניתוח מעגל מעורב זיהוי טורים ומקטעים מקבילים: חלקו את המעגל לטורים ומקטעים מקבילים פשוטים יותר. נתח כל קטע לפי סוגו לפני שתתייחס למעגל כמכלול. שימוש בחוקי קירכהוף: חוק הנוכחי של קירכהוף (KCL) קובע שסך הזרם הנכנס לצומת שווה לזרם הכולל היוצא ממנו. חוק המתח של קירכהוף (KVL) קובע שסכום הפרשי הפוטנציאל החשמלי סביב כל לולאה במעגל סגור חייב להיות שווה לאפס. חוקים אלה חשובים לאין ערוך לניתוח מעגלים מורכבים. גישה זו מפרקת באופן שיטתי את המורכבות של מעגלים מעורבים, מה שהופך את הניתוח לניתן לניהול ומדגיש את הרבגוניות של תצורות מעורבות במתן מענה למגוון רחב של צרכים חשמליים. יישומים מעגלים מעורבים נמצאים בכל מקום במכשירים אלקטרוניים, מכשירי חשמל ביתיים, מערכות חשמל לרכב ומכונות תעשייתיות. גמישות התכנון שלהם מאפשרת למהנדסים להתאים מעגלים לפונקציות ספציפיות, כגון שליטה בפעולת רכיבים שונים בתוך התקן או חלוקת כוח ביעילות על פני מערכות מורכבות. ההבנה כיצד לנתח ולעבוד עם מעגלים מעורבים חיונית לכל מי שעוסק בהנדסת חשמל, תכנון אלקטרוניקה או תחזוקה של מערכות חשמל.

אותות וגלים בחשמל הם מושגים בסיסיים המתארים כיצד מידע, אנרגיה או כוח מועברים למרחקים. מושגים אלה חיוניים בהבנת ההתנהגות של מערכות חשמליות ואלקטרוניקות, כולל תקשורת, חלוקת כוח וטכנולוגיות עיבוד אותות. אותות בחשמל אות במונחים חשמליים הוא פונקציה המעבירה מידע על התנהגות או תכונות של תופעה כלשהי. בהנדסת חשמל, אותות מיוצגים בדרך כלל כמתחים או זרמים. האותות יכולים להשתנות לאורך זמן וניתן לסווג אותם לשני סוגים עיקריים: אותות אנלוגיים: מייצג מידע באמצעות טווח רציף של ערכים. אותות אלו מאופיינים ביכולתם להשתנות בצורה חלקה ומתמשכת לאורך זמן. דוגמאות כוללות קול אנושי בקו טלפון, קריאות טמפרטורה והאות בשידור רדיו מסורתי. אותות דיגיטליים: מייצגים מידע באמצעות קבוצה נפרדת של ערכים, בדרך כלל שניים - גבוהים ונמוכים, או 1 ו-0. אותות דיגיטליים משמשים במחשבים, טלפונים דיגיטליים ורוב מכשירי התקשורת המודרניים מכיוון שהם עמידים יותר בפני רעשים והפרעות בהשוואה ל- אותות אנלוגיים. גלים בחשמל גלים בחשמל מתייחסים להתפשטות של אותות חשמליים דרך מדיה שונים (כגון אוויר, ואקום או כבלים). המושג של גלים חיוני בהבנת האופן שבו אותות נעים וכיצד ניתן לאוונן, לשדר ולקבל אותם. גלים מאופיינים במספר פרמטרים: משרעת: ערך השיא של הגל, המייצג את העוצמה המקסימלית של האות. תדירות: מספר המחזורים לשנייה, נמדד בהרץ (הרץ), המציין כמה מהר הגל מתנודד. אורך גל: המרחק שבו חוזרת צורת הגל, תלוי בתווך שדרכו הגל עובר. שלב: מתאר את המיקום של נקודה אחת במחזור הגל ביחס לאחרת, חשוב לעתים קרובות בהקשר של הפרעות גל ואפנון אותות. גלים אלקטרומגנטיים אותות חשמליים יכולים להתפשט כגלים אלקטרומגנטיים, שהם גלים שאינם דורשים מדיום פיזי לעבור דרכם. גלים אלו מסוגלים להעביר אנרגיה ומידע דרך ואקום החלל במהירות האור. גלים אלקטרומגנטיים הם הבסיס לטכנולוגיות תקשורת אלחוטיות, לרבות רדיו, טלוויזיה, טלפונים סלולריים ותקשורת לוויינית. יישומים וחשיבות מערכות תקשורת: אותות וגלים הם עמוד השדרה של מערכות תקשורת קוויות ואלחוטיות, המאפשרות העברת קול, נתונים ווידאו ברחבי העולם. עיבוד אותות: מניפולציה וניתוח של אותות כדי לשפר, לשנות או לחלץ מידע. מערכות כוח: הבנת גלים חשמליים חיונית לתכנון ותפעול מערכות חלוקת כוח, במיוחד במערכות זרם חילופין (AC) שבהן תכונות הגלים משפיעות על יעילות העברת הכוח. מכשירים רפואיים: כלי הדמיה ואבחון רפואיים רבים מסתמכים על אותות וגלים, כגון EEG (אלקטרואנצפלוגרפיה) ו-ECG (אלקטרוקרדיוגרפיה). הבנת אותות וגלים חיונית למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה, שכן מושגים אלה עומדים בבסיס הפעולה של כמעט כל המכשירים והמערכות האלקטרוניות המודרניות.

נראה שאולי יש קצת ערבוב במונח. ייתכן שאתה מתכוון ל"מגברי שרת" ולא ל"מגברי שרת". מגברי שרת, ממלאים תפקיד מכריע במערכות בקרה, במיוחד ביישומי בקרת תנועה מדויקת. בואו נתעמק במה זה מגברי סרוו ובמשמעותם. סקירה של מגברי שרת: מגבר סרוו, הנקרא לעתים קרובות רק "מגבר סרוו", הוא סוג של מגבר אלקטרוני המשמש להנעת מנגנוני סרוו חשמליים. הוא מקבל אות פקודה בהספק נמוך המייצג את מיקום הפלט או המהירות הרצויים ומגביר אותו כדי לספק זרם חשמלי בעל הספק גבוה יותר כדי להניע מנוע למיקום או למהירות שצוינו. למעשה, מגברי שרת, פועלים כמתווך בין מערכת הבקרה (כגון מיקרו-בקר או בקר תנועה) לבין מנוע הסרוו, ומתרגמים אותות בקרה בהספק נמוך לזרמים בעלי הספק גבוה הנחוצים להנעת המנוע. פונקציונליות הגברת אות: התפקיד העיקרי של מגבר שרת, הוא להגביר אות בקרה למנוע הסרוו כדי להשיג את התנועה או המיקום הרצויים בדיוק. בקרת משוב: מערכות סרוו משתמשות לעתים קרובות במנגנוני משוב (באמצעות מקודדים או חיישנים) המנטרים את הפלט (מיקום, מהירות או מומנט) ומכוונות את אות הבקרה בהתאם כדי למזער שגיאות. מגבר הסרוו מתאים את הספק המנוע על סמך משוב זה כדי לשלוט במדויק על תנועתו. הגנה: מגברי שרת רבים, כוללים תכונות להגנה על המנוע ועל עצמו מפני נזק עקב זרם יתר, התחממות יתר או בעיות פוטנציאליות אחרות. סוגי מגברי שרת: מגברי שרת אנלוגיים: מגברים אלה משתמשים באותות אנלוגיים כדי לשלוט במנוע. הם ידועים בפשטות ובתגובה המהירה שלהם, אבל אולי לא מציעים את אותה רמת דיוק כמו מגברים דיגיטליים. מגברי שרת דיגיטליים: אלה משתמשים באותות דיגיטליים, המספקים דיוק גבוה יותר, יכולת תצורה ואפשרויות משוב גבוהות יותר. ניתן לתכנת אותם למשימות ספציפיות והם מתאימים יותר לאלגוריתמי בקרה מורכבים. יישומים מגברי שרת, משמשים ביישומים שונים שבהם נדרשת בקרת תנועה מדויקת, כולל: רובוטיקה: לשליטה בתנועה המדויקת של זרועות ומפעילים רובוטיים. מכונות CNC: במכונות בקרה מספרית ממוחשבת (CNC) לשליטה מדויקת בנתיבי הכלים. פסי הרכבה אוטומטיים: מקום שבו מיקום ותנועה מדויקים הם קריטיים למשימות הרכבה. תעופה וחלל והגנה: במערכות הדורשות דיוק ואמינות גבוהים במשטחי בקרה ומנגנונים אחרים. קריטריונים לבחירה בעת בחירת מגבר שרת, יש לקחת בחשבון מספר גורמים: דרישות הספק: המגבר חייב להיות מסוגל לספק את הזרם והמתח הדרושים למנוע. סוג משוב: תואם למנגנון המשוב המשמש (למשל, מקודד, פותר) לבקרת מיקום או מהירות מדויקת. סוג אותות בקרה: האם המערכת משתמשת באותות בקרה אנלוגיים או דיגיטליים, ותאימות עם בקר התנועה. סביבה: טווח טמפרטורות הפעלה, עמידות בפני רעידות ותנאי סביבה אחרים. לסיכום, מגברי שרת הינם חלק בלתי נפרד מהביצועים והפונקציונליות של מערכות שרת ומספקים את ההגברה והשליטה הדרושים כדי להשיג בקרת תנועה מדויקת ויעילה במגוון רחב של יישומים

מוליכים למחצה ודיודות הם מרכיבים בסיסיים בתחום האלקטרוניקה, הממלאים תפקיד מכריע במגוון רחב של מכשירים, ממיישרים פשוטים ועד מערכות מחשוב מורכבות. הבנת המאפיינים והתפקודים שלהם היא המפתח לתפיסת מעגלים אלקטרוניים וטכנולוגיה מודרנית. מוליכים למחצה מוליכים למחצה הם חומרים בעלי מוליכות חשמלית הנופלת בין מוליכים (כמו נחושת) לבין מבודדים (כמו זכוכית). יכולתם להוביל חשמל יכולה להשתנות באופן משמעותי על ידי הוספת זיהומים (תהליך המכונה סימום), מה שהופך אותם למגוון מאוד עבור יישומים אלקטרוניים שונים. החומרים המוליכים למחצה הנפוצים ביותר הם סיליקון (Si) וגרמניום (Ge). נכסים מוליכות מבוקרת: באמצעות סימום, ניתן לגרום למוליכים למחצה להוליך חשמל בתנאים מסוימים אך לא באחרים, מה שמאפשר להם לפעול כמתגים ומגברים יעילים. להקות אנרגיה: למוליכים למחצה יש פסי ערכיות והולכה ברורים; פער האנרגיה בין הרצועות הללו הוא קריטי בקביעת התכונות החשמליות שלהן. סוגי מוליכים למחצה: סוג N: יש יותר אלקטרונים מאשר חורים (נשאי מטען שלילי). מושגת על ידי סימום עם אלמנטים שיש להם יותר אלקטרונים ערכיים מאשר המוליך למחצה. סוג P: בעל יותר חורים מאלקטרונים (נושאים מטען חיובי). מושגת על ידי סימום עם יסודות שיש להם פחות אלקטרוני ערכיות. דיודות דיודה היא התקן מוליכים למחצה המאפשר לזרם לזרום בכיוון אחד אך חוסם אותו בכיוון ההפוך, ומתפקד כשסתום סימון אלקטרוני. זה מיוצר על ידי חיבור של מוליך למחצה מסוג N למוליך למחצה מסוג P, ויוצר צומת PN. מאפיינים ופונקציות מוליכות חד-כיוונית: דיודות מוליכות זרם כשהן מוטות קדימה (מתח חיובי המופעל על הצד מסוג P) וחוסמות זרם כשהן מוטות לאחור. תיקון: דיודות נמצאות בשימוש נרחב לתיקון, שהוא המרה של זרם חילופין (AC) לזרם ישר (DC). ויסות מתח: דיודות זנר יכולות לפעול בהטיה הפוכה ולשמור על מתח יציב על פניהן, שימושי לוויסות מתח במעגלים. עיבוד אותות: דיודות משמשות במעגלים עבור אפנון אותות, דמודולציה וערבוב. סוגי דיודות דיודות סטנדרטיות: משמשות לתיקון למטרות כלליות. דיודות זנר: תוכננו לפעול בהטיה הפוכה לוויסות מתח. נוריות (דיודות פולטות אור): פולטות אור כשהן מוטות קדימה, משמשות בתאורה ותצוגות. דיודות שוטקי: בעלות מפל מתח קדימה נמוך יותר ומהירויות מיתוג מהירות יותר, מתאימות ליישומים במהירות גבוהה. פוטודיודות: מייצרות זרם בעת חשיפה לאור, בשימוש בפוטו-גלאי ותאים סולאריים. יישומים מעגלי אספקת חשמל: להמרת AC ל-DC. מעגלים לוגיים דיגיטליים: מוליכים למחצה מהווים את הבסיס לטרנזיסטורים, שהם חלק בלתי נפרד ממעגלים לוגיים דיגיטליים במחשבים ובמכשירים דיגיטליים אחרים. התקני תקשורת: במכשירי רדיו, טלוויזיות וטלפונים סלולריים לעיבוד אותות. תאורה: נוריות LED מחוללות מהפכה בתאורה על ידי מתן מקורות אור חסכוניים באנרגיה ועמידים לאורך זמן. מוליכים למחצה ודיודות הם הבסיס לתעשיית האלקטרוניקה, ומאפשרים פיתוח של מגוון רחב של מכשירים וטכנולוגיות המהווים חלק בלתי נפרד מהחיים המודרניים. המאפיינים הייחודיים והיישומים הרב-תכליתי שלהם ממשיכים להניע חדשנות באלקטרוניקה, ממרכיבי מעגל בסיסיים ועד למערכות דיגיטליות מתקדמות.

טרנזיסטור הוא התקן מוליכים למחצה בסיסי המשמש להגברה או החלפת אותות אלקטרוניים במעגל חשמלי. זהו אחד הרכיבים החשובים ביותר באלקטרוניקה אנלוגית ודיגיטלית, בשל הרבגוניות והיעילות שלו. טרנזיסטורים יכולים לשלוט בזרימת הזרם בין שתי נקודות תוך שליטה בכמות המתח המופעלת על נקודה שלישית. ישנם בעיקר שני סוגים של טרנזיסטורים: טרנזיסטור צומת דו-קוטבי (BJT): בעל שלושה טרמינלים הנקראים הפולט, הבסיס והקולטן. BJTs מגיעים בשני סוגים: NPN ו-PNP, המתייחסים לסידור החומרים המוליכים למחצה מסוג n (שלילי) ו-p-type (חיוביים) מהם הם עשויים. BJTs הם מכשירים מבוקרים בזרם. טרנזיסטור אפקט שדה (FET): כולל טרנזיסטורי אפקט שדה מתכת-תחמוצת-מחצה (MOSFET), ל-FET יש שלושה מסופים הידועים כמקור, שער וניקוז. FETs הם התקנים מבוקרי מתח, מה שהופך אותם לשימושיים במיוחד במעגלים שבהם יש למזער את צריכת החשמל. כיצד פועל טרנזיסטור במעגל הגברה: ביישומי הגברה, מתח כניסה קטן המופעל על אחד מהטרמינלים של הטרנזיסטור (בסיס עבור BJT או שער עבור FET) שולט על זרימת זרם גדולה יותר דרך שני הטרמינלים האחרים (מפיץ לקולט עבור BJT או מקור לניקוז עבור FET). זה מאפשר לטרנזיסטור להגביר אותות חלשים. מיתוג: טרנזיסטורים יכולים לתפקד כמתגים. על ידי הפעלת מתח על הבסיס או השער, ניתן להפעיל את הטרנזיסטור "להפעיל", ולאפשר לזרם לזרום דרכו. לעומת זאת, ללא מתח מופעל, הטרנזיסטור "מכבה", חוסם את זרימת הזרם. יכולת הדלקה-כיבוי זו היא בסיסית במעגלים דיגיטליים, כולל מיקרו-מעבדים והתקני זיכרון. יישומים של טרנזיסטורים התקני מחשוב: טרנזיסטורים הם אבני הבניין של שבבים, כולל מעבדים, שבבי זיכרון ומעגלים לוגיים דיגיטליים. מגברים: משמשים בכל דבר, החל ממגברי שמע קטנים ועד למערכות שמע בקנה מידה גדול והגברת אותות מורכבת בתקשורת. החלפת ספקי כוח: מאפייני המיתוג היעילים שלהם הופכים אותם לאידיאליים להמרת חשמל וויסות במכשירים אלקטרוניים שונים. יישומי תדר רדיו (RF): כולל משדרים, מקלטים ומתנדים בתקשורת אלחוטית. מערכות בקרה: משמשת במערכות בקרה אוטומטיות עבור מנועים, אורות ומפעילים אחרים. קריטריוני בחירה לשימוש בטרנזיסטור בעת שילוב טרנזיסטור במעגל חשמלי, יש לקחת בחשבון מספר גורמים: סוג ותצורה: בחר בין BJT ו-FET בהתבסס על הצרכים הספציפיים של האפליקציה, כגון מתח, זרם והאם עדיפה בקרת זרם או מתח. דירוגי זרם ומתח: ודא שהטרנזיסטור יכול להתמודד עם הזרם והמתח המרביים שהוא יפגוש במעגל. תגובת תדר: עבור יישומים הכוללים תדרי רדיו או מיתוג מהיר, בחר טרנזיסטור עם תגובת תדר מתאימה. פיזור הספק: שקול כמה כוח יתפזר הטרנזיסטור כחום והאם יש צורך בשקיעת חום נוספת. טרנזיסטורים חוללו מהפכה במעגלים אלקטרוניים עם יכולתם הכפולה להגביר ולמתג, מה שאפשר את הפיתוח של כמעט כל המכשירים האלקטרוניים המודרניים. גודלם הקטן, האמינות והעלות הנמוכה אפשרו את המיניאטור ושיפורי הביצועים באלקטרוניקה שנראו בעשורים האחרונים.

הנדסת מערכות היא גישה ממושמעת ומובנית שמטרתה להבטיח פיתוח, תפעול ותחזוקה מוצלחים של מערכות מורכבות. זהו תחום בינתחומי המתמקד בהבנה ובניהול המורכבות של פרויקטים הנדסיים הכוללים מרכיבים, דיסציפלינות ובעלי עניין רבים ושונים. הנדסת מערכות משלבת את כל הדיסציפלינות וקבוצות ההתמחות במאמץ צוות היוצר תהליך פיתוח מובנה המתקדם מהרעיון לייצור לתפעול ולבסוף, לסילוק. היא מתחשבת הן בצרכים העסקיים והן בצרכים הטכניים של כלל הלקוחות, במטרה לספק מוצר איכותי העונה על צרכי המשתמש. מה כוללת הנדסת מערכות: הנדסת דרישות: תהליך הגדרה, תיעוד ותחזוקה של דרישות. זה מבטיח שהמערכת ממלאת את כל הצרכים שזוהו, כולל ביצועים, פונקציונליות, אמינות ואבטחה. עיצוב וארכיטקטורת מערכת: יצירת ארכיטקטורה ועיצוב מערכת כולל העונים על הדרישות שצוינו. זה כולל את פירוק המערכת לרכיבים או תת-מערכות וכיצד הם מתקשרים. אינטגרציה: תהליך חיבור מרכיבי המערכת למערכת אחת והבטחת שתת המערכות פועלות יחד כמכלול. זה כולל גם אינטגרציה עם מערכות חיצוניות במידת הצורך. אימות ואימות: הנדסת מערכות כוללת אימות ואימות קפדניים כדי להבטיח שהמערכת עומדת בכל הדרישות ופועלת כמתוכנן בסביבתה. האימות בודק שהמערכת בנויה נכון, ואילו האימות בודק שהמערכת הנכונה בנויה. ניהול סיכונים: זיהוי, ניתוח וניהול סיכונים לאורך כל מחזור החיים של המערכת. זה מבטיח שכל בעיה פוטנציאלית מטופלת באופן יזום ולא באופן תגובתי. ניתוח החלטות: קבלת החלטות מושכלות ואופטימליות הנוגעות למערכת בפיתוח, תוך התחשבות בכל החלופות האפשריות, האילוצים ומחזור החיים של המערכת. ניהול מחזור חיים: פיקוח על כל מחזור החיים של המערכת משלב התפיסה דרך התכנון, הפיתוח, התפעול, התחזוקה והשלכה בסופו של דבר. זה כולל התחשבות בקיימות והשפעה סביבתית. ניהול תצורה: שמירה על שלמות ועקיבות תצורת רכיבי המערכת לאורך כל חייה. ניהול פרויקטים: הנדסת מערכות חופפת לניהול פרויקטים בתכנון, תזמון, תקצוב והקצאת משאבים כדי להבטיח שהפרויקט עומד ביעדים שלו במסגרת המגבלות הנתונות. גורמים אנושיים ושימושיות: הבטחת שהמערכת מתוכננת מתוך מחשבה על משתמש הקצה, תוך התמקדות באינטראקציה בין אדם למחשב, ארגונומיה וחווית משתמש. חשיבה מערכתית: גישה הוליסטית לפתרון בעיות המתמקדת באופן שבו חלקים המרכיבים של המערכת קשורים זה בזה וכיצד מערכות פועלות לאורך זמן ובמסגרת של מערכות גדולות יותר. יישומים של הנדסת מערכות הנדסת מערכות מיושמת במגוון רחב של תחומים ותעשיות, כולל תעופה וחלל, ביטחון, רכב, טכנולוגיית מידע, טלקומוניקציה, שירותי בריאות ותשתיות. העקרונות שלו הם אוניברסליים וניתן להתאים אותם לכל פרויקט פיתוח מערכת מורכב. חשיבות הנדסת מערכות חשיבותה של הנדסת מערכות טמונה ביכולתה לטפל במערכות מורכבות על ידי פירוק ממגורות הדיסציפלינות והתחשבות במערכת כמכלול. זה מבטיח שכל ההיבטים של הפרויקט יהיו מותאמים ואופטימליים מלכתחילה, מפחית את הסבירות לכישלון הפרויקט, מזעור עלויות ומבטיח שהמוצר הסופי עונה על צרכי המשתמשים ובעלי העניין.