OSNOVE ELEKTROTEHNIKE
INTERAKTIVNI NASTAVNI MATERIJALI
animacije · pokusi · lab. vježbe · simulacije · test pitanja · zadaci

Istosmjerni strujni krugovi · Ravnoteža mosta

Slika $1$

Slika $2$

Na Slici $1$ prikazan je mosni spoj otpornika. Ako je mosni spoj u ravnoteži onda su točke $\text{a}$ i $\text{b}$ na istom potencijalu pa kroz otpornik $R_5$ ne teče struja. Želimo istražiti pod kojim će uvjetom most biti u ravnoteži $\left( U_\text{ab} = 0 \text{ V} \right)$ pa privremeno odstranimo iz kruga otpornik $R_5$ (Slika $2$). Na Slici $2$ su ucrtani i pretpostavljeni smjerovi struja $I$, $I_1$ te $I_2$, kao i odgovarajući polariteti padova napona na otpornicima, ako znamo da je priključnica otpornika na koju struja ulazi na višem potencijalu $\left( + \right)$ od one iz koje struja izlazi $\left( - \right)$. Obije grane paralele su na naponu izvora $U$, a kroz donju paralelnu granu (serija $R_1$ i $R_3$) prolazi struja $I_1$: $$I_1 = {U \over {R_1 + R_3}}$$ Kroz gornju paralelnu granu (serija $R_2$ i $R_4$) prolazi struja $I_2$: $$I_2 = {U \over {R_2 + R_4}}$$ Za potencijal točke $\text{a}$ idemo od mase preko izvora $U$ i otpornika $R_2$ do točke $\text{a}$: $$\varphi_\text{a} = U - U_2$$ Isto tako, za potencijal točke $\text{b}$ idemo od mase preko izvora $U$ i otpornika $R_1$ do $\text{b}$: $$\varphi_\text{b} = U - U_1$$ Potom izračunamo napon $U_\text{ab}$ koji u ravnoteži mora biti jednak $0 \text{ V}$: $$U_\text{ab} = \varphi_\text{a} - \varphi_\text{b} = U - U_2 - U + U_1 = U_1 - U_2 = 0 \text{ V} \,\, \longrightarrow \,\, U_1 = U_2$$ Dobivenu jednakost $U_1 = U_2$ raspišemo preko Ohmovog zakona i potom uvrstimo izraze za struje $I_1$ i $I_2$: $$\begin{align} U_1 &= U_2 \\[5pt] R_1 \cdot I_1 &= R_2 \cdot I_2 \\[5pt] {R_1 \cdot {U \over {R_1 + R3}}} &= {R_2 \cdot {U \over {R_2 + R4}}} \\[5pt] {R_1 \cdot \left( R_2 + R4 \right)} &= {R_2 \cdot \left( R_1 + R3 \right)} \end{align}$$ Nakon sređivanja dobili smo uvjet za ravnotežu mosta: $$R_1 \cdot R_4 = R_2 \cdot R_3$$

Pripazite — navedeni uvjet je čvrsto povezan s oznakama otpora na Slici $2$! Lakše je upamtiti uvjet kao jednakost umnožaka unakrsno postavljenih otpornika kao je skicirano na Slici $3$:

Slika $3$


Ako u uravnoteženi most vratimo otpornik $R_5$, jasno je da će struja kroz taj otpornik biti jednaka nuli. Umjesto otpornika možemo između točaka $\text{a}$ i $\text{b}$ spojiti voltmetar ili ampermetar. U oba slučaja, ako je most u ravnoteži instrumenti pokazuju nulu!

Slika $4$ — Wheatstoneov most

Druga je situacija ako most nije u ravnoteži. Zamislimo da je jedan od otpornika, npr. $R_3$ namjestiv (promjenjiv). Tada bismo promjenom tog otpornika mogli dovesti most u ravnotežno stanje što bismo ustanovili očitanjem nule na instrumentu (ampermetar ili voltmetar) spojenom između točaka $\text{a}$ i $\text{b}$:

Na tom načelu napravljeni su tzv. mjerni mostovi — kao na primjer Wheatstoneov most prikazan na Slici $4$. Neka je otpornik $R_2$ nepoznat i želimo odrediti njegov otpor. Potrebno je most dovesti u ravnotežu $\left( U_\text{V} = 0 \text{ V} \right)$ i ustanoviti pri kojem smo otporu $R_3$ postigli ravnotežu. Iz uvjeta ravnoteže jednostavno nađemo točnu vrijednost nepoznatog otpora: $$R_2 = {{R_1 \cdot R_4} \over R_3}$$ U ovakvom spoju su poznati otpornici $R_1$ i $R_4$, a promjenjivi otpornik $R_3$ mora biti napravljen sa skalom na kojoj možemo očitavati namještenu vrijednost.