Физика Зависимость силы тока от напряжения. Сопротивление. Закон Ома для участка цепи
Материалы к уроку
Конспект урока
Мы продолжаем изучение электрического тока. Вспомним, какая характеристика будет описывать это упорядоченное движение частиц?
Электрический ток в цепи – это упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле.
Следовательно, заряженные частицы приходят в движение (то есть появляется ток), только при условии, что существует электрическое поле, которое характеризуют еще одной физической величиной – напряжением U Установим зависимость, которая, существует между двумя этими величинами: силой тока и напряжением. Ведь чем больше электрическое поле, тем быстрее будут двигаться заряженные частицы, то есть сила тока будет больше. Проверим этот факт, проведя следующий опыт.
Соберем электрическую цепь, состоящую из источника тока, амперметра, лампочки, вольтметра и ключа. Напомню, что собирая цепь важно соблюдать полярность, клемму со знаком плюс на приборе нужно соединять с положительным полюсом источника тока, клемму со знаком минус с отрицательным полюсом. После того как все элементы цепи соединены, замкнем цепь. Показания приборов занесем в таблицу. Показания вольтметра 1,5В, сила тока 0,1А. Разомкнем цепь. И увеличим общее напряжение в цепи, присоединив еще одну батарею. Показания увеличились вдвое. Данные так же заносим в таблицу. Напряжение 3В, сила тока 0,2А. И еще раз увеличим напряжение, вцепи, добавив еще одну батарею. Замкнув ключ, получаем напряжение 4,5В, сила тока так же увеличилась и равна 0,3А. Эти данные так же занесем в таблицу. Очевидно, что во сколько раз увеличиваем напряжение, во столько же раз увеличивается и сила тока. Вам уже известно, что такая зависимость называется прямая зависимость или прямая пропорциональность. Говорят, что сила тока прямо пропорциональна напряжению.
Напомню, что последние показания были следующие: напряжение 4,5В, сила тока 0,3А. Замкнув цепь, мы видим, что напряжение осталось прежнее, а вот сила тока стала больше 1,5А. Как это можно объяснить? Оказывается, что различные тела пропускают ток по-разному. Можно сравнить течение тока с течением воды в трубе. В трубе, где много засоров, ржавчины на стенках будет слабый напор, так как вода при движение, будет испытывать сопротивление, в гладкой трубе такого сопротивления нет, и поэтому напор будет больше. Так и ток – в одном теле он будет протекать лучше, где сопротивление среды слабое, в другом теле сила тока станет меньше, так как сопротивление среды большое. Физическая величина, которая будет характеризовать способность проводника пропускать электрический ток называется сопротивлением.
За единицу сопротивления принимают один Ом – это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах 1 вольт сила тока равна 1 амперу. Очевидно, что зависимость между силой тока и сопротивлением будет обратная. То есть, чем большим сопротивлением обладает проводник, тем меньше будет сила тока. И наоборот, чем меньше сопротивление проводника – тем сила тока будет больше. Говорят, что сила тока обратна пропорциональна сопротивлению. Итак, мы получили зависимость силы тока от двух параметров – напряжения и сопротивления
Если известно сопротивление проводника и сила тока, то мы найдем напряжение на концах проводника.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ
Выбрать педагогаОставить заявку на подбор
Нелинейная проводимость
Добавлено 10 октября 2020 в 09:15
«Прогресс достигается за счет ответов на вопросы. Открытия делаются, задавая вопросы.»
Бернхард Хайш, астрофизик
Закон Ома – простой и мощный математический инструмент, помогающий нам анализировать электрические цепи, но у него есть ограничения, и мы должны понимать их, чтобы правильно применять его к реальным цепям. Для большинства проводников сопротивление является довольно стабильным свойством, на которое практически не влияют ни напряжение, ни ток.
По этой причине мы можем рассматривать сопротивление многих компонентов схемы как постоянную величину, при этом напряжение и ток напрямую связаны друг с другом.
Например, из нашего предыдущего примера схемы с лампой сопротивлением 3 Ом мы вычислили ток в цепи, разделив напряжение на сопротивление (I=E/R). С батареей на 18 вольт сила тока в нашей цепи составила 6 ампер. Удвоение напряжения батареи до 36 вольт привело к удвоению силы тока до 12 ампер. Конечно, всё это имеет смысл, пока лампа продолжает обеспечивать точно такое же противодействие (сопротивление) протеканию через нее тока: 3 Ом.
Рисунок 1 – Влияние удвоения напряжения батареиВзаимосвязь напряжения и силы тока при изменении сопротивления
Однако в действительности не всегда так просто. Одно из явлений, исследуемых в следующей главе, – это изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры. В лампе накаливания (в лампах, использующих принцип нагрева тонкой проволоки с помощью электрического тока до точки, в которой она раскаляется добела), сопротивление нити накаливания по мере ее нагрева от комнатной до рабочей температуры резко возрастает.
Если бы мы увеличили напряжение питания в цепи лампы, результирующее увеличение силы тока привело бы к повышению температуры нити накала, что, в свою очередь, увеличило бы ее сопротивление, тем самым предотвращая дальнейшее увеличение тока без дальнейшего увеличения напряжения батареи. Следовательно, напряжение и ток не подчиняются простому уравнению «I=E/R» (где R предполагается равным 3 Ом), поскольку сопротивление нити накала лампы накаливания не остается стабильным при различных токах.
Явление изменения сопротивления при изменении температуры присуще почти всем металлам, из которых сделано большинство проводов. Для большинства приложений эти изменения сопротивления достаточно малы, чтобы их можно было игнорировать. В случае металлических нитей накала в лампах это изменение оказывается довольно большим.
Это всего лишь один пример «нелинейности» в электрических цепях. И он далеко не единственный. «Линейная» функция в математике – это функция, которая при нанесении на график следует прямой линии.
Упрощенная версия схемы с лампой с постоянным сопротивлением нити накала 3 Ом формирует график, подобный этому:
Прямолинейный график зависимости силы тока от напряжения показывает, что сопротивление является стабильным и неизменным значением в широком диапазоне напряжений и токов цепи. В «идеальной» ситуации дело обстоит именно так. Резисторы, которые производятся для обеспечения определенного стабильного значения сопротивления, ведут себя очень похоже на график значений, показанный выше. Математик назвал бы их поведение «линейным».
Однако более реалистичный анализ цепи с лампой накаливания для нескольких различных значений напряжения батареи позволил бы создать график такой формы:
Рисунок 3 – Слева сила тока резко возрастает при увеличении напряженияГрафик больше не представляет прямую линию. Слева по мере увеличения напряжения он резко растет от нуля до низкого уровня. По мере продвижения вправо мы видим, что линия выравнивается, и схема требует всё большего и большего увеличения напряжения для достижения заданного значения увеличения силы тока.
Если мы попытаемся применить закон Ома, чтобы найти сопротивление этой цепи с лампой по значениям напряжения и тока, приведенными выше, мы придем к нескольким различным значениям. Можно сказать, что сопротивление здесь нелинейно, оно увеличивается по мере увеличения силы тока и напряжения. Эта нелинейность вызвана влиянием высокой температуры на металлический провод нити накала лампы.
Другой пример нелинейной проводимости тока – это прохождение тока через газы, такие как воздух. При обычных температурах и давлениях воздух является эффективным диэлектриком. Однако, если напряжение между двумя проводниками, разделенными воздушным зазором, увеличивается достаточно сильно, молекулы воздуха между зазором становятся «ионизированными», а их электроны отрываются силой высокого напряжения между проводами. После ионизации воздух (и другие газы) становятся хорошими проводниками электричества, обеспечивая поток электронов там, где его не было до ионизации. Если бы мы изобразили перенапряжение на графике вольт-амперной характеристики, как это было со схемой с лампой, эффект ионизации был бы явно нелинейным:
Рисунок 4 – Ионизация воздуха в малом зазореПредставленный график является приблизительным для небольшого воздушного зазора (менее одного дюйма).
Большой воздушный зазор приведет к более высокому потенциалу ионизации, но форма кривой I/E будет очень похожей: пока не будет достигнут потенциал ионизации, практически нет тока, а затем возникает существенная проводимость.
Между прочим, именно по этой причине молнии существуют как мгновенные выбросы, а не как непрерывные потоки электронов. Прежде чем воздух ионизируется достаточно, чтобы поддерживать значительный поток электронов, напряжение, возникающее между землей и облаками (или между различными наборами облаков), должно увеличиться до значения, при котором оно превышает потенциал ионизации воздушного зазора. Как только это произойдет, ток будет продолжать проходить через ионизированный воздух до тех пор, пока статический заряд между двумя точками не исчезнет. Как только заряд уменьшается настолько, что напряжение падает ниже другого порогового значения, воздух деионизируется и возвращается в свое нормальное состояние с чрезвычайно высоким сопротивлением.
Многие твердые диэлектрические материалы демонстрируют аналогичные свойства сопротивления: чрезвычайно высокое сопротивление протеканию тока ниже некоторого критического порогового напряжения, а затем гораздо меньшее сопротивление при напряжениях, превышающих этот порог.
Как только твердый изоляционный материал подвергается воздействию высоковольтного пробоя, он, в отличие от большинства газов, часто не возвращается в свое прежнее изолирующее состояние. Он может снова изолировать при низких напряжениях, но его пороговое напряжение пробоя будет снижено до какого-то более низкого уровня, что может позволить в будущем произойти более легкому пробою. Это распространенный вид отказа высоковольтных кабелей: повреждение изоляции в результате пробоя. Такие нарушения можно обнаружить с помощью специальных измерителей сопротивления, работающих с высоким напряжением (1000 В и более).
Компоненты с нелинейным сопротивлением
Также существуют компоненты, специально разработанные для получения нелинейных кривых сопротивления. Одним из таких устройств является варистор. Эти устройства, обычно изготавливаемые из таких соединений, как оксид цинка или карбид кремния, поддерживают высокое сопротивление между своими выводами до тех пор, пока не будет достигнуто определенное напряжение «срабатывания» или «пробоя» (эквивалентное «потенциалу ионизации» воздушного зазора), после чего их сопротивление резко снижается.
В отличие от пробоя диэлектрика, пробой варистора повторяем: то есть он рассчитан на то, чтобы безотказно выдерживать многократные пробои. Ниже показан пример варистора:
Существуют также специальные газонаполненные лампы, предназначенные для того же самого и использующие тот же принцип, что и при ионизации воздуха молнией.
Другие электрические компоненты демонстрируют еще более странные графики зависимости силы тока от напряжения. Некоторые устройства при увеличении приложенного напряжения пропускают меньший ток. Поскольку наклон вольт-амперной характеристики для этого явления отрицательный (наклон вниз, а не вверх при движении слева направо), то оно известно как отрицательное сопротивление.
Рисунок 6 – Область отрицательного сопротивленияВ частности, вакуумные электронные лампы, известные как тетроды, и полупроводниковые диоды, известные как диоды Эсаки или туннельные диоды, демонстрируют отрицательное сопротивление в определенных диапазонах приложенного напряжения.
Для анализа поведения таких компонентов, где сопротивление изменяется в зависимости от напряжения и тока, закон Ома не очень полезен. Некоторые даже предлагали понизить «закон Ома» до статуса «закона», потому что он не универсален. Было бы правильнее назвать формулу (R=E/I) определением сопротивления, подходящим для определенного класса материалов в узком диапазоне условий.
Однако в интересах учащихся мы будем предполагать, что сопротивления, указанные в примерах схем, стабильны в широком диапазоне условий, если не указано иное. Я просто хотел показать вам немного сложностей реального мира, чтобы не создать у вас ложного впечатления, что все электрические явления можно описать в нескольких простых уравнениях.
Резюме
- Сопротивление большинства проводящих материалов стабильно в широком диапазоне условий, но это справедливо не для всех материалов.
- Любая функция, которая может быть изображена на графике в виде прямой линии, называется линейной функцией.
Для цепей со стабильным сопротивлением график зависимости тока от напряжения является линейным (I=E/R). - В схемах, в которых при изменении напряжения или тока изменяется и сопротивление, график зависимости силы тока от напряжения будет нелинейным (не прямой линией).
- Варистор – это компонент, который изменяет сопротивление в зависимости от величины приложенного к нему напряжения. При небольшом напряжении его сопротивление велико. Затем при определенном напряжении «пробоя» или «срабатывания» его сопротивление резко падает.
- Отрицательное сопротивление – это когда ток через компонент на самом деле уменьшается по мере увеличения приложенного к нему напряжения. Некоторые электронные лампы и полупроводниковые диоды (в первую очередь, тетродная лампа и туннельный диод, соответственно) в определенном диапазоне напряжений демонстрируют отрицательное сопротивление.
Для цепей со стабильным сопротивлением график зависимости тока от напряжения является линейным (I=E/R).Оригинал статьи:
- Nonlinear Conduction
Теги
Закон ОмаИонизацияОбучениеПроводимостьСопротивлениеСхемотехникаТемпературный коэффициент сопротивления / ТКСНазад
Оглавление
Вперед
Напряжение, ампер, сопротивление и светодиоды (закон Ома) « Блог на дне моря
Я начал изучать электронику во время пандемии, и мне это очень понравилось.
Я занимаюсь программированием более 25 лет, поэтому приятно иметь возможность учиться и работать над чем-то другим, что по-прежнему является одновременно и техническим, и творческим. Круто получить более глубокое понимание того, как работают фундаментальные силы природы, а также иметь возможность МакГайверу использовать фонарик с ручным приводом от старого принтера, если это необходимо (посмотрите 40-секундное видео об этом здесь!). Также приятно иметь что-то физическое, чтобы показать в конце дня, хотя для этого требуются расходные материалы, так что есть плюсы и минусы по сравнению с созданием программного обеспечения.
Друзья (привет, Уэйн!) и YouTube помогли мне многому научиться, но поначалу тема показалась мне довольно чуждой, и я хотел попробовать свои силы в объяснениях с другой точки зрения. Этот пост начинает это путешествие, делая первые шаги в электронике постоянного тока.
Ultra Basics
Электричество течет, если есть путь для его прохождения и поток состоит из электронов.
Электроны заряжены отрицательно, поэтому они перемещаются от отрицательной стороны цепи к положительной.
Обычный ток идет в обратном направлении и говорит о том, что электричество течет с положительной стороны на отрицательную. В этом случае текут не электроны, а «дырки». Дырки — странная концепция, но это всего лишь место, куда может попасть электрон.
Вот обрыв, значит есть разрыв. Поскольку цепь не замкнута, электричество не может течь. (сделано на https://www.circuitlab.com/editor/#)
Если вы замкнете цепь, как показано ниже, электричество сможет течь.
Кружок слева — это источник питания с плюсом и минусом. Он помечен как 1,5-вольтовая батарея типа «двойной А».
Вот схема цепи с переключателем, который можно использовать для размыкания или замыкания цепи. Умение читать и составлять принципиальные схемы очень полезно при сборке вещей или попытке понять, как работают схемы.
Обратите внимание: чем выше напряжение, тем дальше электричество может прыгать через промежутки.
Таким образом, в то время как при низком напряжении цепь может быть разомкнута, повышение напряжения может привести к ее замыканию, когда электрическая дуга пересекает ее!
Закон Ома
ИЗОБРАЖЕНИЕ ПРЕДОСТАВЛЕНО: Eberhard Sengpiel
Самое полезное, что вы можете узнать об электричестве постоянного тока, — это закон Ома, который математически объясняет взаимосвязь между напряжением, силой тока и сопротивлением. Закон Ома:
В уравнении I обозначает интенсивность и означает ток, также известный как амперы, V обозначает напряжение, а R обозначает сопротивление.
Если бы электричество было водой, напряжение было бы давлением воды, сила тока была бы количеством воды, протекающей по трубе, а сопротивление было бы сжатием трубы, как на изображении выше.
Ток измеряется в амперах (амперах) или буквой А. 500 мА — это 500 миллиампер или половина ампера, а 1,2 А — это 1,2 ампера. Примечание: электричество опасно! Для смертельного исхода может потребоваться всего несколько сотен миллиампер, но для проникновения этих ампер в вашу кожу необходимо напряжение.
Напряжение измеряется в вольтах или букве V. Если вы видите 9В на батарее, это означает, что это 9-вольтовая батарея, и она способна обеспечить 9 вольт.
Сопротивление измеряется в Омах или символом омега. Итак, если вы видите, что это означает сопротивление 5 Ом. Если вы видите, это означает 5 кОм, что в 1000 раз больше сопротивления. Если вы видите с заглавной буквой М, это означает 5 мегаом, что снова в 1000 раз больше сопротивления.
Закон Ома пригодится, когда вы знаете два из этих трех значений и пытаетесь вычислить третье.
Как было написано, формула показала, как рассчитать силу тока, когда вы знаете напряжение и сопротивление, но вы можете использовать алгебру, чтобы преобразовать ее в формулу для любой из трех:
часто — если вы знаете, какое напряжение имеет батарея, и знаете, сколько ампер вам нужно, вы можете использовать это для расчета значения резистора, чтобы получить желаемые ампер.
Диоды, светодиоды и резисторы
Светодиод означает светоизлучающий диод.
Диод — это то, что позволяет электричеству течь только в одном направлении, и у него есть несколько распространенных применений:
- Защита цепей от электричества, протекающего в неправильном направлении.
- Преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (AC) путем его выпрямления (предотвращение прохождения отрицательной части переменного тока. То же, что и в последнем пункте списка) определенное значение «вытекает» из схемы.
Вот набор различных диодов, которые я купил на Amazon за 10$. Существует довольно много разных типов диодов, которые полезны для разных ситуаций.
Вот диоды крупным планом. Черный — выпрямительный диод IN4001, а более цветной — коммутационный диод 1N4148. Эти номера деталей на самом деле написаны на самих диодах, но их немного трудно увидеть. Вы можете использовать эти числа, чтобы найти лист данных для деталей, чтобы понять, как они работают, каковы их свойства, какое напряжение и силу тока они могут выдержать, а часто даже увидеть простые принципиальные схемы по их использованию для общих задач.
Листы данных очень полезны, и если вы работаете с электроникой, вы будете гуглить немало из них! Вот таблица данных для 1N4148, которую я нашел, погуглив «Технические данные 1N4148» и щелкнув первую ссылку. 1N4148 Технический паспорт.
Вот две принципиальные схемы с диодами. Черный треугольник с линией на нем — это диод. Стрелка показывает направление, в котором он позволяет двигаться обычному потоку. Линия на стрелке соответствует полосам справа от диодов на изображении выше, что является отрицательной стороной диода (катода). Левая цепь представляет собой замкнутую цепь и позволяет течь электричеству. Этот диод смещен в прямом направлении. В схеме справа диод смещен в обратном направлении, что не позволяет электричеству течь.
Светодиоды могут выполнять многие функции обычных диодов, поскольку они являются диодами, но у них есть свойство загораться, когда через них проходит электричество. Поскольку они являются диодами и позволяют электричеству течь только в одном направлении, у светодиодов есть сторона + и сторона -, и вы должны правильно подключить их в цепь, чтобы они загорелись.
Если вы подключите их неправильно, это не повредит их, но они не загорятся и не замкнут цепь для прохождения электричества. Символом светодиода является символ диода, но со стрелками, выходящими из него.
Вот набор светодиодов, которые у меня есть, они входят в состав большого комплекта электроники. Вы можете получить пару сотен светодиодов разных цветов на Amazon примерно за 10 долларов. Некоторые светодиоды в цветных пластиковых корпусах, некоторые в прозрачных корпусах. Есть даже светодиоды, которые светят в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Светодиоды также бывают разных размеров. Этот пакет имеет 3 мм и 5 мм светодиоды.
Вот крупный план белого светодиода. Более длинная ножка — это положительная сторона, а это значит, что вам нужно подключить к ней положительную сторону цепи, если вы хотите, чтобы она загорелась. отрицательная сторона имеет более короткую ножку, но отрицательная сторона также имеет плоскую сторону на круглом кольце внизу, что не очень видно на этом изображении.
Все диоды имеют падение напряжения, которое представляет собой величину напряжения, потребляемую диодом. Если вы обеспечиваете меньшее напряжение, чем это, диод будет действовать как открытый переключатель, и электричество не будет проходить через него. Удельное падение напряжения для диодов можно найти в таблицах данных, но мне было трудно найти таблицы данных для светодиодов. К счастью, я купил тестер компонентов «Mega328» на Amazon за 15 долларов. Он позволяет подключить компонент, нажать синюю кнопку, а затем сообщить информацию о компоненте. Это очень удобно! Здесь вы можете увидеть падение напряжения двух разных светодиодов. Меньший красный светодиод имеет падение напряжения 1,88 В, а больший зеленый светодиод имеет падение напряжения 2,5 В. Если вы подаете на них меньшее напряжение, чем это, они не загорятся!
Так что же произойдет, если мы попытаемся подключить светодиоды к батареям внизу?
Падение напряжения на большом зеленом светодиоде составляет 2,5 В, в то время как на батарее типа ААА напряжение всего 1,5 В, как видно на этикетке.
Это означает, что светодиод не горит.
Меньший красный светодиод имеет падение напряжения 1,88 В и подключен к батарее 9 В, поэтому на нем достаточно напряжения, и он должен загореться. Давайте воспользуемся законом Ома, чтобы рассчитать, какой ток — в амперах — проходит через светодиод.
I = V/R и в нашем случае V равно 9и R равно 0, потому что у нас нет сопротивления.
Ой, у нас бесконечный ток! Светодиод довольно быстро выходит из строя после его включения.
На самом деле не существует бесконечного тока, потому что металлические провода, подключенные к светодиоду, имеют очень небольшое сопротивление, как и все провода, а батарея имеет предел того, сколько ампер он может дать. Так что в любом случае это не бесконечное количество ампер, а очень большое число, ограниченное тем, сколько ампер на самом деле может выдать 9-вольтовая батарея. Светодиод фактически будет уничтожен. В основном вы всегда должны использовать резистор со светодиодом, чтобы ограничить ток и предотвратить его разрушение.
Вот интересное чтение о том, как рассчитать внутреннее сопротивление батареи, которое затем скажет вам, сколько ампер она может вам дать: Измерение внутреннего сопротивления батарей.
Когда у вас есть цепь с таким низким сопротивлением, это считается коротким замыканием, и если светодиод не разрушится, батарея начнет нагреваться, и это может стать опасной ситуацией. Вот почему короткие замыкания сами по себе являются плохой новостью. Через них проходит МНОГО тока, который может привести к нагреву, плавлению и возгоранию.
3-мм и 5-мм светодиодам обычно требуется максимум 20 миллиампер (20 мА или 0,02 А) при полной яркости. Если вы дадите им меньше, они будут менее яркими, но все равно будут функционировать.
Мы можем вычислить, какое сопротивление они хотят, чтобы они были максимально яркими, если мы знаем напряжение источника питания, который мы используем, и падение напряжения светодиода, который мы пытаемся запитать.
Давайте возьмем большой зеленый светодиод с падением напряжения 2,5 В и запитаем его от батареи на 9 В, стремясь получить 20 мА.
Сначала мы вычитаем падение напряжения из источника питания, чтобы увидеть, с каким напряжением мы должны работать: 9В – 2,5В = 6,5В.
Затем мы знаем, что нам нужно 20 мА, а у нас есть 6,5 В, и мы просто пытаемся найти сопротивление, поэтому используем закон Ома: R = V/I.
Итак, нам нужно сопротивление 325 Ом, чтобы получить 20 мА в нашем светодиоде от 9В батарейки. Вот пачка резисторов, которые я купил на амазоне за 12$.
На резисторах есть забавные цветные полосы, указывающие на их номинал. Таблицы для их расшифровки можно найти повсюду, но опять же, «Мега328» подскажет и это.
На самом деле вам покажет и мультиметр. Мультиметры не очень дорогие. Вот один, который я получил от Amazon за 35 долларов, он имеет множество функций и работает очень хорошо.
У меня нет резисторов на 325 Ом, но есть резисторы на 470 Ом, поэтому я просто использую один из них. Это 14 мА, если посчитать, что немного ниже 20 мА, но он по-прежнему работает нормально, несмотря на то, что он не такой яркий, как мог бы быть.
Вы можете получить различные сопротивления, соединив резисторы параллельно или последовательно и проведя некоторые математические вычисления, но пока это работает. Я использовал мини-макет (зеленая штука), чтобы подключить эту схему. Каждая горизонтальная линия из 5 отверстий электрически связана друг с другом. Это хороший способ поиграть со схемами без необходимости их спаивания. По соглашению красный цвет используется для положительного вывода, а черный или синий — для отрицательного.
Кстати, забавный факт. Батарейка AA 1,5 В считается разряженной, если ее напряжение упало до 1,35 В. На данный момент в нем все еще есть энергия! Если вы хорошо разбираетесь в электронике, вы можете сделать схему, чтобы использовать эту мощность от разряженных батарей, чтобы получить 1,5 В или выше, и вы могли бы разряжать так называемые разряженные батареи еще больше.
Светодиоды, превращающие свет в энергию
Многие вещи в электронике оказываются обратимыми. Динамики работают как плохие микрофоны, а микрофоны работают как плохие динамики.
Точно так же светодиоды могут работать как плохие солнечные элементы и превращать свет в энергию. Хотеть увидеть? Здесь я подключаю свой мультиметр к светодиоду и настраиваю его на считывание вольт. Он показывает 48,7 мВ. Энергия течет вокруг нас от радиоволн и т. д., так что она улавливает часть этого.
Когда я помещаю светодиод в луч фонарика, напряжение подскакивает до 1,644 В. Довольно круто, да?
Вам понравился этот пост?
Это немного отличается от того, о чем я обычно пишу, но, надеюсь, вам понравилось. Осторожно, однако, этот материал быстро обостряется. Прежде чем вы это узнаете, вы будете собирать оптопары и катушки из старых принтеров, чтобы сделать рельсовую пушку.
Нравится:
Нравится Загрузка…
График зависимости падения напряжения от сопротивления на резисторе и физика разности электрических потенциалов
Я студент и пытаюсь понять взаимосвязь между падением напряжения и сопротивлением, а также физику, лежащую в основе закона Кирхгофа о напряжении.
Я знаю закон Ома и интуитивно понимаю, что при фиксированном напряжении питания, если увеличить общее сопротивление цепи, то ток везде упадет. Имеет смысл рассматривать поток электронов как один цепной поток, так что, если что-то происходит в одном месте цепи, затрагивается вся цепь. И я могу интерпретировать напряжение как разницу в электрическом потенциале, так что, когда напряжение не равно нулю между двумя точками, должна быть разница в электрической потенциальной энергии зарядов в двух точках, что означает, что какая-то работа была совершена. сделано в промежутке, или энергия потока как-то трансформировалась в тепло, например.
Следующее больше похоже на мысленный эксперимент, состоящий из двух частей. Это будет довольно длинный вопрос, так как я постараюсь как можно яснее объяснить, в чем заключается мое замешательство, так что потерпите меня. Если есть что-то, что не имеет смысла или неверно в моих рассуждениях или каких-либо предпосылках, пожалуйста, укажите на это.
Первая часть:
Учитывая, что проводники и изоляторы — это материалы, различающиеся своей способностью сопротивляться протеканию тока, мы можем сказать, что проводник — это материал с очень низким, но конечным сопротивлением, а изолятор — это материал.
с очень высоким, но конечным сопротивлением. Скажем, у нас есть переменный резистор, сопротивление которого мы можем изменить от очень низкого до очень высокого, так что мы можем заставить его вести себя как медный провод на всем пути до куска дерева или воздуха.
Теперь скажем, что у нас есть батарея 5 В, закороченная медным проводом фиксированной длины. Ток в цепи должен быть максимально достижимым. Мы выбираем два места, А и В, на этом проводе и измеряем падение напряжения вольтметром, который должен показывать ноль. Теперь мы отрезаем часть провода от A до B и заменяем его нашим переменным резистором с минимальным сопротивлением (равным медному проводу): мы фактически заменили кусок провода чем-то, что действует точно так же, как это с точки зрения сопротивления, так что это все еще похоже на непрерывный медный провод, замыкающий накоротко клеммы батареи. Ток в цепи по-прежнему имеет максимальное значение, так как сопротивление не добавлялось, и вольтметр по-прежнему показывает ноль от А до В.
График зависимости I от R при постоянном напряжении питания 5 В должен представлять собой прямую линию от $I=I_{max}$, когда сопротивление уменьшено до сопротивления «медного провода», до $I= 0$, когда сопротивление набирается до сопротивления «изолятора». Поправьте меня, если я ошибаюсь.
Меня смущает профиль графика зависимости $V_{voltmeter}$ от $R$. Когда сопротивление уменьшено до сопротивления «медной проволоки», вольтметр должен показывать ноль.
Когда сопротивление находится в режиме полного «изолятора», вольтметр должен показывать то же значение подаваемого напряжения (5 В): мне имеет смысл теперь видеть провода как «продолжения» анода и катода батареи, как переменную резистор действует как своего рода конденсатор, где два проводника (провода) разделены чем-то настолько устойчивым, что действует как изолятор. Если все это звучит хорошо, то каков профиль графика между ними? Я не верю, что это прямая линия, во-первых, потому что ток в цепи не остается постоянным при увеличении сопротивления, а во-вторых, потому что это привело бы к другой проблеме: где-то между сопротивлением «медного провода» и «изолятора». имеют значение реальных резисторов, например 100 Ом. Если бы профиль графика был прямой линией, линейная интерполяция дала бы нам показания вольтметра, которые ниже, чем напряжение, подаваемое на 5 В … но не будет ли это противоречить закону напряжения Кирхгофа, который гласит, что падение напряжения на нашей нагрузке должно быть такое же, как подаваемое напряжение? Теперь, как я это вижу, даже если мы скажем, что для этого промежуточного значения сопротивления 100 Ом вольтметр все равно должен показывать то же значение подаваемого напряжения, 5 В, что мы получаем из $V_{drop}=I R $, когда мы набираем значение сопротивления до значения «медного провода», показание вольтметра в конечном итоге должно дать нам показание нулевого вольта.
Вторая часть:
Теперь рассмотрим тот же пример выше, где падение напряжения от A до B на нашем резисторе не является незначительным, и поэтому между ними есть некоторое важное сопротивление. Ненулевое падение напряжения указывает на то, что на резисторе была совершена работа, а также на то, что электрический потенциал зарядов в точке B ниже, чем зарядов в точке A. Теперь предположим, что вы сделали снимок состояния заряда в 1 кулон в точке А перед входом в резистор и снимок состояния того же заряда в 1 кулон в точке В после выхода из резистора и сравнили их. Какую ощутимую разницу вы можете заметить в состоянии этих двух сумм заряда? Можно ли каким-либо образом заключить, что заряд в точке B потерял часть энергии по сравнению с зарядом в точке A? Если мы рассмотрим следующее, которое приравнивает ток в двух точках:
$I_{A} = I_{B}$
$n_{A} V_{d_{A}} A_{A} e_{A} = n_{B} V_{d_{B}} A_{B } e_{B}$
Где $n=$ плотность заряда, $A=$ поперечное сечение среды, $V_{d}=$ дрейфовая скорость и $e=$ заряд 1 электрона.
Заряд одного электрона является постоянной величиной, поэтому $e_{A}=e_{B}$, а значит:
$n_{A} V_{d_{A}} A_{A} = n_{B} V_ {d_{B}} A_{B}$
Приведенное выше очень похоже на аналог выражения для массового расхода $\dot{m} = ρVA$. Имеет смысл считать, что это значение одинаково в точках A и B. Кроме того, сечение провода до и после резистора одинаково, поэтому $A_{A}=A_{B}$, а значит:
$n_{A} V_{d_{A}} = n_{B} V_{d_{B}}$
Теперь тот факт, что ток одинаков во всей цепи, имеет для меня смысл. Но означает ли приведенное выше выражение, что скорость дрейфа и плотность заряда остаются постоянными? Если они не останутся постоянными, это приведет к некоторой разнице между входом и выходом резистора, что каким-то образом объяснит разницу в потенциальной энергии. Ведь если взять аккумулятор, то есть некоторая разница в плотности заряда между анодом и катодом, что и объясняет разницу потенциалов.
Если это не так и действительно $n_{A} = n_{B}$ и $V_{d_{A}}=V_{d_{B}}$, то должен быть какой-то другой вид качественных разность зарядов точек А и В, что объясняется потерей энергии за счет работы, совершаемой внутри резистора.
