Аналогии электрических цепей – современные модели, рассказы и визуализации

Веревочная петля
Ленточная пила
Вода, текущая по трубе «Водяной контур»
Неровная поверхность
Кольцо людей, каждый из которых держит мяч
Количество автобусов на автобусный маршрут
Система горячего водоснабжения
Лошадь и кусок сахара
Поезд и грузовики с углем
Гравитация
Бурное море
Переполненное помещение

Веревочная петля

В этой аналогии цепь моделируется как большая петля из веревки. Один человек является батареей и протягивает петлю через руки. Другой человек оказывает сопротивление и сжимает веревку. Трение рук человека с сопротивлением означает, что он может чувствовать энергию, передаваемую в виде тепла.

В этой аналогии есть несколько приятных моментов. Например, ясно, что энергия передается очень быстро, хотя веревка может двигаться довольно медленно. Это идея о том, что заряды уже есть и все они одновременно начинают двигаться повсюду.

Вы также можете интуитивно понять, что большое сопротивление означает малый ток, и вы увидите, что энергия передается там, где есть большое сопротивление.

Не очень хорошо объясняет напряжение или мощность.

Если человек, занимающийся батареей, не очень дисциплинирован в поддержании натяжения он чувствует себя постоянным, вместо того, чтобы пытаться сделать скорость веревки постоянной, у вас может сложиться впечатление, что чем больше сопротивление, тем быстрее передается энергия.

Другими словами, у человека, работающего с аккумулятором, возникает соблазн тянуть все сильнее и сильнее по мере увеличения сопротивления. Поэтому они думали, что большие сопротивления заставляют батарею работать тяжелее. Это пример неправильного представления о постоянном токе.

На самом деле все наоборот. Если вы сделаете сопротивление очень большим, ток будет очень маленьким, а передача энергии будет очень медленной.

Ленточная пила

Ленточная пила представляет собой очень длинную гибкую пилу, изогнутую в виде петли. Петля натянута между двумя большими колесами, установленными над и под пилорамой. Двигатель, подключенный к одному из колес, приводит в движение петлю, поэтому пила непрерывно проходит через скамейку, чтобы вы могли что-то резать.

Это очень похожая аналогия с веревочной петлей. Аккумулятор является приводным двигателем, и энергия передается там, где пилится древесина.

Если вы думаете, что каждый сантиметр пилы представляет один кулон заряда, то вы можете смоделировать напряжение (которое представляет собой энергию на кулон) как энергию, передаваемую на сантиметр пилы.

Вы можете представить, что двигатель должен обеспечивать определенное количество энергии на каждый сантиметр прохода пилы, и вы также можете представить, что такое же количество энергии на сантиметр передается древесине.

Это дает вам представление о том, что напряжение батареи такое же, как и p.d. через нагрузку, т.е. лампочка.

Спасибо Джону Скэйфу из Шеффилдского университета за то, что он рассказал мне об этой аналогии.

Вода, текущая по трубе ‘Водяной контур’

В этой известной аналогии батарея рассматривается как насос, а сопротивления — как сужения в трубе. Трубы образуют цепь и уже заполнены водой.

Более мощный насос означает более высокое напряжение аккумулятора. Это хорошо показывает, что большое напряжение вызывает большой ток.

Узкое сужение означает большое сопротивление, поэтому у вас также есть соотношение: большое сопротивление означает малый ток.

Должен заявить о своем интересе и сказать, что я не поклонник аналогии с водой в трубах (мягко говоря), хотя я использую ванну , чтобы попытаться объяснить параллельные цепи.

С этим связано так много проблем, но самая основная из них заключается в том, что студенты и преподаватели имеют очень слабое представление о движении жидкости в трубах. Одного этого должно быть достаточно, чтобы осудить его.

В частности, идею разности потенциалов часто объясняют как разность давлений по обе стороны от сужения. Можете вам объяснить, почему такая разница в давлении? Что такого физического в воде, что изменяет давление? Я бы предположил, что даже если вы можете с уверенностью ответить на эти вопросы, вряд ли ваши ученики смогут это сделать. Так зачем использовать его в качестве аналогии для чего-то еще?

Другая проблема заключается в том, что нет очевидного различия между тем, что циркулирует (вода), и тем, что передается (давление?). Юух!

Представьте себе группу людей, держащихся за руки и движущихся по кругу. Если есть участок ухабистой земли, по которому они должны пройти, это замедляет движение по всему кольцу.

Чем неровнее земля, тем выше сопротивление и медленнее ток.

Кольцо людей, каждый из которых держит мяч

В этой аналогии все стоят в кругу и держат мяч. Чтобы показать, как течет ток, каждый человек передает свой мяч человеку рядом с ним.

Вы можете оказать сопротивление, если кто-то подбросит мяч в воздух и поймает его до того, как его передадут. Это имеет тенденцию замедлять продвижение шаров по всей трассе.

Это очень простая аналогия, и она не годится ни для чего другого, кроме демонстрации того, что заряды уже есть и они перемещаются повсюду одновременно.

Количество автобусов на автобусном маршруте

Эта аналогия хороша для объяснения того, как изолятор работает на субатомном уровне. По сути, меньше зарядов, которые могут свободно перемещаться.

Подумайте о путешествии из a-b, затем b-c и, наконец, c-d на трех разных автобусах. На первом и третьем этапах ходит много автобусов, но на среднем этапе автобусы ходят очень редко.

Это ближе к модели сопротивления для цепи, где провод сужается, или, возможно, есть компонент из другого материала. Дело не в том, что средняя ветвь обязательно «сопротивляется» потоку автобусов, просто в некоторых частях цепи меньше мобильных носителей заряда (например, свободных электронов), чем в других.

Скорость движения от a до d зависит от частоты движения автобусов на среднем участке.

Для любого количества пассажиров, следующих из a в d средняя  скорость любого данного автобуса должна быть выше на среднем участке, чтобы количество ударов по автобусу было больше. Средняя нога — это место, где преобразуется больше всего энергии.

Система горячего водоснабжения

Эта аналогия пытается улучшить водяной контур. Вместо насоса с сужениями у вас котел с радиаторами. Котел подает тепловую энергию в систему, как батарея, а радиатор отводит тепловую энергию из системы.

Вопрос: если вы хотите, чтобы ваши радиаторы нагревали вашу комнату как можно быстрее, вы хотите, чтобы вода текла через них очень быстро или очень медленно? Даже если вы знаете ответ на этот вопрос, как вы думаете, учащиеся хорошо разбираются в установке отопления дома?

Это одна из тех аналогий, которая очень хорошо подходит для приблизительного описания того, что происходит. Что-то ходит по кругу, и есть передача энергии, но это очень быстро становится довольно громоздким инструментом, если вы пытаетесь заставить его объяснять слишком много вещей.

Лошадь и кусок сахара

Это еще одна очень простая аналогия. Представьте себе большой круг лошадей, идущих нос к хвосту. Вы кормите их кусочками сахара, когда они проходят мимо. Чем больше сахара вы дадите им, тем быстрее они все смогут ходить. Сопротивление моделируется как прыжок или какое-либо другое действие, которое означает, что им нужно затратить больше энергии.

Одна проблема с этой аналогией заключается в том, что передача энергии происходит медленно. Другими словами, энергия куска сахара движется так же быстро, как лошадь, которая его съела.

Поезд и вагонетки с углем

Это похоже на аналогию с лошадью и кусочком сахара. Представьте себе поезд такой же длины, как круговой путь. Проезжая точку, каждый грузовик забирает уголь из большой кучи (аккумулятор) и доставляет его туда, где он нужен (груз).

Так как грузовики не используют уголь, который они перевозят, вы немного теряете связь, что большое напряжение (т.е. много угля на грузовик) дает вам большой ток.

Эта аналогия приравнивает высоту к напряжению. Другими словами гравитационный потенциал с электрическим потенциалом.

Его часто можно увидеть с мячами, а иногда даже с водой.

Есть какой-то подъемник, который поднимает шарики (скажем) на заданную высоту, представляющую собой напряжение батареи. Чем выше он поднят, тем больше напряжение батареи. Шарики катятся под действием силы тяжести, часто вниз по лестнице разной высоты (что представляет сопротивление).

Вы можете видеть, что полная гравитационная потенциальная энергия (GPE), потерянная мячом, катящимся вниз по лестнице, равна GPE, полученному при подъеме на лифте.

Это скорее аналогия электрического сопротивления, чем всей цепи.

Лодка быстро плывет по бушующему морю по большому кругу (поэтому она никуда не уходит). Капитан медленно ковыляет с одного конца лодки на другой. Чем бурнее море и чем быстрее лодка, тем сильнее шатается капитан и тем медленнее он поднимается по лодке.

Общее движение капитана представляет собой движение электрона в цепи.

Скорость лодки представляет собой хаотическое тепловое движение электронов в проводе, которое очень быстрое. Скорость капитана представляет собой очень медленную скорость дрейфа электронов из-за батареи.

Если проволока горячее, то высокая случайная скорость электрона еще выше, т.е. лодка движется быстрее. Это означает, что ошеломляющая скорость капитана ниже. Это объясняет, почему сопротивление металла увеличивается с температурой.

Представьте, что вы идете по переполненной комнате. Это занимает больше времени, если толпа движется, а не стоит на месте.

Здесь вы представляете электрон, а другие люди представляют решетку положительных ионов в металле.

Как и в аналогии с бурным морем, это объясняет, почему сопротивление провода увеличивается с температурой, но это происходит с точки зрения движения ионной решетки , а не электронов.

Назад к преподаванию и изучению электричества

Глобальная электрическая цепь Земли | Центр научного образования

Park St. Animation, Teri Eastburn (UCSE) и исследовательская группа Frontiers of Earth System Dynamics (FESD)

Трудно представить себе мир до того, как электричество стало использоваться для питания наших домов, улиц и городов более 100 лет назад. Правда в том, что электричество всегда было с нами; до конца 1800-х годов его просто не использовали для человеческого замысла. Он проходит через атмосферу так же уверенно, как электрические синапсы соединяют мысль с чувствами и боль с горячей плитой в нервной системе нашего собственного тела. В атмосфере электрические токи в совокупности называются Глобальной электрической цепью. На самом деле вспышка молнии не является изолированным событием во время грозы.

Это часть этой системы, которая распространяется по всей атмосфере Земли, создавая падение потенциала от 200 000 до 500 000 вольт (от 200 до 500 кВ) между землей и ионосферой. Одни только грозы посылают ток силой 1 ампер (А) вверх. Но цепь проходит через атмосферу даже в дни с хорошей погодой, когда от каждого квадратного метра земли вверх течет слабый ток в 2 пикоампера (или 0,0000000000002 А).

Ученые давно заинтересованы в изучении различных частей Глобальной электрической цепи, но эта система обширна и изменчива во времени и пространстве. Понимание его во всей его полноте только началось. Но это не значит, что ученые не изучали его различные компоненты и не пытались разобраться в них.

С 1909 по 1929 год Карнеги, яхта с почти полностью немагнитным корпусом и деревянным корпусом, путешествовала с учеными по всему миру — почти триста тысяч миль через океаны — тщательно обнаруживая и измеряя неизвестные тогда магнитные влияния в атмосфере. . Многочисленные рейсы «Карнеги» были частью программы Института Карнеги, которая включала амбициозные магнитные, электрические и океанографические исследования в сочетании с магнитными и электрическими исследованиями суши во многих частях мира.