Сопротивление напряжение сила тока мощность: Закон ома | Онлайн калькулятор

В частности, электрическая энергия начинается как электрическая потенциальная энергия — то, что мы с любовью называем напряжением. Когда электроны проходят через эту потенциальную энергию, она превращается в электрическую энергию. В большинстве полезных цепей эта электрическая энергия преобразуется в какую-либо другую форму энергии. Электрическая мощность измеряется путем объединения обоих сколько передается электроэнергии, и как быстро происходит эта передача.

Производители и потребители

Каждый компонент в цепи либо потребляет , либо производит электроэнергии. Потребитель преобразует электрическую энергию в другую форму. Например, когда загорается светодиод, электрическая энергия преобразуется в электромагнитную. В этом случае лампочка потребляет мощности. Электроэнергия производится при передаче энергии 9от 0057 до электрический из какой-либо другой формы. Батарея, питающая цепь, является примером источника питания .

Мощность

Энергия измеряется в джоулях (Дж). Поскольку мощность — это мера энергии в течение определенного периода времени, мы можем измерить ее в джоулей в секунду . Единицей СИ для джоулей в секунду является ватт , сокращенно Вт .

Очень часто перед словом «ватт» стоит один из стандартных префиксов системы СИ: микроватты (мкВт), милливатт (мВт), киловатты (кВт), мегаватты (МВт) и гигаватт (ГВт). ситуация.

Prefix Name	Prefix Abbreviation	Weight
Nanowatt	nW	10 -9
Microwatt	µW	10 -6
Milliwatt	mW	10 -3
WATT	W	10 0
Kilowatt	KW	3.		017																									.0171
Megawatt	MW	10 6
Gigawatt	GW	10 9

Microcontrollers, like the Arduino will usually operate in the the µW or mW range. Ноутбуки и настольные компьютеры работают в стандартном диапазоне мощности ватт. Энергопотребление дома обычно находится в диапазоне киловатт. Большие стадионы могут работать в мегаваттном масштабе. И гигаватт вступает в игру для крупных электростанций и машин времени.

Расчет мощности

Электрическая мощность — это скорость передачи энергии. Измеряется в джоулях в секунду (Дж/с) — ватт (Вт). Учитывая несколько основных терминов электричества, которые мы знаем, как мы можем рассчитать мощность в цепи? Что ж, у нас есть очень стандартное измерение, включающее потенциальную энергию — вольты (В), которые определяются в джоулях на единицу заряда (кулон) (Дж/Кл). Ток, еще один из наших любимых терминов в области электричества, измеряет ток заряда во времени в амперах (А) — кулонах в секунду (Кл/с). Соединяем вместе и что мы получаем?! Сила!

Чтобы рассчитать мощность любого конкретного компонента в цепи, умножьте падение напряжения на нем на ток, протекающий через него.

Например,

Ниже приведена простая (хотя и не очень функциональная) схема: 9-вольтовая батарея, подключенная к 10-омному проводу. резистор.

Как рассчитать мощность на резисторе? Сначала мы должны найти ток, протекающий через него. Достаточно просто… Закон Ома!

Хорошо, 900 мА (0,9 А) проходит через резистор и 9V через него. Какая мощность подается на резистор?

Резистор преобразует электрическую энергию в тепло. Таким образом, эта схема каждую секунду преобразует 8,1 Дж электрической энергии в тепло.

Расчет мощности в резистивной цепи

Когда дело доходит до расчета мощности в чисто резистивной цепи, достаточно знать два из трех значений (напряжение, ток и/или сопротивление).

Подключив закон Ома (V=IR или I=V/R) к нашему традиционному уравнению мощности, мы можем создать два новых уравнения. Первый, чисто по напряжению и сопротивлению:

Итак, в нашем предыдущем примере 9В ² /10Ом; (V ² /R) составляет 8,1 Вт, и нам не нужно рассчитывать ток, протекающий через резистор.

Второе уравнение мощности можно составить исключительно через ток и сопротивление:

Какое нам дело до мощности, падающей на резистор? Или любой другой компонент в этом отношении. Помните, что мощность – это передача энергии из одного вида в другой. Когда эта электрическая энергия, вытекающая из источника питания, попадает на резистор, энергия превращается в тепло. Возможно, больше тепла, чем может выдержать резистор. Что приводит нас к… номинальной мощности.

Номинальная мощность

Все электронные компоненты передают энергию от одного типа к другому. Желательна передача некоторой энергии: светодиоды излучают свет, вращаются двигатели, заряжаются батареи. Другие передачи энергии нежелательны, но также неизбежны. Эти нежелательные передачи энергии представляют собой потери мощности , которые обычно проявляются в виде тепла. Слишком большие потери мощности — слишком большой нагрев компонента — могут стать очень нежелательными.

Даже если передача энергии является основной целью компонента, все равно будут потери для других форм энергии. Светодиоды и двигатели, например, по-прежнему будут выделять тепло как побочный продукт других видов передачи энергии.

Большинство компонентов имеют рейтинг максимальной мощности, которую они могут рассеивать, и важно поддерживать их работу ниже этого значения. Это поможет вам избежать того, что мы с любовью называем «выпустить волшебство наружу».

Номинальная мощность резистора

Резисторы являются одними из наиболее печально известных виновников потери мощности. Когда вы сбрасываете некоторое напряжение на резисторе, вы также индуцируете ток через него. Больше напряжение, значит больше ток, значит больше мощность.

Вспомните наш первый пример расчета мощности, где мы обнаружили, что если 9V были пропущены через 10 Ом; резистор, этот резистор будет рассеивать 8,1 Вт. 8.1 это лот ватт для большинства резисторов. Большинство резисторов рассчитаны на мощность от ⅛W (0,125 Вт) до ½ Вт (0,5 Вт). Если вы сбросите 8 Вт на стандартный резистор ½ Вт, приготовьте огнетушитель.

Если вы уже видели резисторы, то наверняка видели и эти. Сверху — резистор ½ Вт, а под ним — ¼ Вт. Они не созданы для того, чтобы рассеивать очень много энергии.

Существуют резисторы, рассчитанные на большие перепады мощности. Они специально называются силовые резисторы .

Эти большие резисторы рассчитаны на рассеивание большой мощности. Слева направо: две 3 Вт 22 кОм; резисторы, два 5Вт 0.1Ом; резисторы и 25 Вт 3 Ом; и 2 Ом; резисторы.

Если вы когда-нибудь будете выбирать номинал резистора. Не забывайте и о его мощности. И, если ваша цель не состоит в том, чтобы что-то нагреть (нагревательные элементы в основном представляют собой действительно мощные резисторы), постарайтесь минимизировать потери мощности в резисторе.

Например,

Номинальная мощность резистора может иметь значение, когда вы пытаетесь определить значение токоограничивающего резистора светодиода. Скажем, например, вы хотите зажечь 10-миллиметровый сверхяркий красный светодиод с максимальной яркостью, используя батарею 9 В.

Этот светодиод имеет максимальный прямой ток 80 мА и прямое напряжение около 2,2 В. Таким образом, чтобы подать 80 мА на светодиод, вам понадобится 85 Ом; резистор для этого.

На резистор упало 6,8 В, а протекающие через него 80 мА означают потерю мощности 0,544 Вт (6,8 В * 0,08 А). Полваттному резистору это не очень понравится! Скорее всего не растает, но будет горячий . Не рискуйте и перейдите на резистор 1 Вт (или сэкономьте энергию и используйте специальный драйвер светодиодов).

Резисторы, безусловно, не единственные компоненты, для которых необходимо учитывать максимальную номинальную мощность. Любой компонент с резистивным свойством будет производить потери тепловой мощности. Работа с компонентами, которые обычно подвергаются воздействию высокой мощности, например, стабилизаторами напряжения, диодами, усилителями и драйверами двигателей, требует особого внимания к потерям мощности и тепловым нагрузкам.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Хотите узнать больше об основных темах?

См. нашу страницу Engineering Essentials , где представлен полный список краеугольных тем, связанных с электротехникой.

Отвези меня туда!

Теперь, когда вы знакомы с концепцией электроэнергии, ознакомьтесь с некоторыми из этих учебных пособий!

• Как усилить свой проект? Ну, вы знаете, что такое «мощность». Но как вы получаете это к вашему проекту?
• Light — это полезный инструмент для инженера-электрика. Понимание того, как свет связан с электроникой, является фундаментальным навыком для многих проектов.
• Что такое Arduino. В этом руководстве мы много говорили об этой штуке, связанной с Arduino. Если вы все еще не понимаете, что это такое, ознакомьтесь с этим руководством!
Диоды
• . Независимо от того, преобразуют ли они переменный ток в постоянный или просто зажигают светодиодный индикатор питания, диоды являются особенно удобным компонентом для питания проектов.
• Резисторы — самые основные электронные компоненты, резисторы необходимы практически в каждой схеме.
• Музыкальная шкатулка MP3 Player Shield — поговорим о передаче энергии! Этот проект сочетает в себе электричество, движение и звук, чтобы создать музыкальную шкатулку «Доктор Кто ».

Что такое электричество? – Learn.sparkfun.com

Авторы: Джимблом

Избранное Любимый 79

Приступая к работе

Электричество окружает нас повсюду, питая такие технологии, как мобильные телефоны, компьютеры, фонари, паяльники и кондиционеры. Избежать этого в нашем современном мире очень сложно. Даже когда вы пытаетесь убежать от электричества, оно все равно работает в природе, от молнии во время грозы до синапсов внутри нашего тела. Но что именно есть электричество ? Это очень сложный вопрос, и по мере того, как вы копаете глубже и задаете новые вопросы, на самом деле нет окончательного ответа, а есть только абстрактные представления о том, как электричество взаимодействует с нашим окружением.

Электричество — это природное явление, которое встречается повсюду в природе и принимает множество различных форм. В этом уроке мы сосредоточимся на текущем электричестве: материале, который питает наши электронные гаджеты. Наша цель — понять, как электричество течет от источника питания по проводам, зажигая светодиоды, вращая двигатели и приводя в действие наши устройства связи.

Электричество кратко определяется как поток электрического заряда, , но за этим простым утверждением скрывается так много всего. Откуда берутся обвинения? Как мы их перемещаем? Куда они переезжают? Как электрический заряд вызывает механическое движение или зажигает свет? Так много вопросов! Чтобы начать объяснять, что такое электричество, нам нужно перейти от материи и молекул к атомам, из которых состоит все, с чем мы взаимодействуем в жизни.

Этот учебник основан на некотором базовом понимании физики, силы, энергии, атомов и [полей] (http://en.wikipedia.org/wiki/Field_(физика)) в частности. Мы коснемся основ каждой из этих физических концепций, но также может оказаться полезным обратиться к другим источникам.

Становимся атомными

Чтобы понять основы электричества, нам нужно начать с изучения атомов, одного из основных строительных блоков жизни и материи. Атомы существуют в более чем сотне различных форм в виде химических элементов, таких как водород, углерод, кислород и медь. Атомы многих типов могут объединяться, образуя молекулы, которые создают материю, которую мы можем физически увидеть и потрогать.

Атомы — это крошечных , максимальная длина которых составляет около 300 пикометров (это 3×10 ^-10 или 0,0000000003 метра). Медный пенни (если он на самом деле сделан из 100% меди) содержал бы внутри 3,2×10 90 170 22 90 171 атомов (32 000 000 000 000 000 000 000 атомов) меди.

Даже атом недостаточно мал, чтобы объяснить действие электричества. Нам нужно нырнуть еще на один уровень вниз и посмотреть на строительные блоки атомов: протоны, нейтроны и электроны.

Строительные блоки атомов

Атом состоит из комбинации трех отдельных частиц: электронов, протонов и нейтронов. Каждый атом имеет центральное ядро, в котором плотно упакованы протоны и нейтроны. Вокруг ядра находится группа вращающихся электронов.

Очень простая модель атома. Это не в масштабе, но полезно для понимания того, как построен атом. Ядро ядра протонов и нейтронов окружено вращающимися электронами.

В каждом атоме должен быть хотя бы один протон. Количество протонов в атоме важно, потому что оно определяет, какой химический элемент представляет собой атом. Например, атом с одним протоном — это водород, атом с 29 протонами — это медь, а атом с 94 протонами — это плутоний. Это количество протонов называется атомным номером .

Партнеры ядра протона, нейтроны, служат важной цели; они удерживают протоны в ядре и определяют изотоп атома. Они не имеют решающего значения для нашего понимания электричества, поэтому давайте не будем о них беспокоиться в этом уроке.

Электроны имеют решающее значение для работы электричества (обратите внимание на общую тему в их названиях?) В наиболее стабильном, сбалансированном состоянии атом будет иметь такое же количество электронов, как и протоны. Как и в приведенной ниже модели атома Бора, ядро ​​с 29 протонами (что делает его атомом меди) окружено таким же количеством электронов.

По мере того, как развивалось наше понимание атомов, развивался и наш метод их моделирования. Модель Бора — очень полезная модель атома, когда мы изучаем электричество.

Электроны атома не навсегда связаны с атомом. Электроны на внешней орбите атома называются валентными электронами. При достаточной внешней силе валентный электрон может уйти с орбиты атома и стать свободным. Свободные электроны позволяют нам перемещать заряды, а это и есть электричество. Говоря о заряде…

Текущие заряды

Как мы упоминали в начале этого урока, электричество определяется как поток электрического заряда. Заряд — это свойство материи, такое же, как масса, объем или плотность. Это измеримо. Точно так же, как вы можете количественно определить массу чего-либо, вы можете измерить и его заряд. Ключевая концепция заряда заключается в том, что он может быть двух типов: положительный (+) или отрицательный (-) .

Для перемещения заряда нам нужно носителей заряда , и здесь нам пригодятся наши знания об атомных частицах, особенно об электронах и протонах. Электроны всегда несут отрицательный заряд, а протоны всегда положительно заряжены. Нейтроны (в соответствии со своим названием) нейтральны, у них нет заряда. И электроны, и протоны несут одинаковые сумма заряда, просто другой тип.

Модель атома лития (3 протона) с помеченными зарядами.

Заряд электронов и протонов важен, потому что он дает нам возможность воздействовать на них силой. Электростатическая сила!

Электростатическая сила

Электростатическая сила (также называемая законом Кулона) — это сила, действующая между зарядами. Он гласит, что заряды одного типа отталкиваются друг от друга, а заряды противоположного типа притягиваются друг к другу. Противоположности притягиваются, а подобное отталкивается .

Величина силы, действующей на два заряда, зависит от того, насколько они удалены друг от друга. Чем ближе два заряда, тем больше становится сила (либо сталкивающая, либо отталкивающая).

Благодаря электростатической силе электроны будут отталкивать другие электроны и притягиваться к протонам. Эта сила является частью «клея», который удерживает атомы вместе, но это также и инструмент, который нам нужен, чтобы заставить электроны (и заряды) течь!

Обеспечение потока платежей

Теперь у нас есть все инструменты для обеспечения потока платежей. Электроны в атомах могут действовать как наши носители заряда , потому что каждый электрон несет отрицательный заряд. Если мы сможем освободить электрон от атома и заставить его двигаться, мы сможем создать электричество.

Рассмотрим атомную модель атома меди, одного из предпочтительных источников элементов для потока заряда. В сбалансированном состоянии медь имеет 29 протонов в ядре и такое же количество электронов, вращающихся вокруг него. Электроны вращаются на разных расстояниях от ядра атома. Электроны ближе к ядру испытывают гораздо более сильное притяжение к центру, чем те, которые находятся на дальних орбитах. Самые внешние электроны атома называются 9.0059 валентных электронов , они требуют наименьшего количества силы, чтобы освободиться от атома.

Это схема атома меди: 29 протонов в ядре, окруженные полосами вращающихся электронов. Электроны, находящиеся ближе к ядру, трудно удалить, в то время как валентному (внешнему кольцу) электрону требуется относительно небольшая энергия для выброса из атома.

Используя достаточную электростатическую силу на валентном электроне — либо отталкивая его другим отрицательным зарядом, либо притягивая его положительным зарядом, — мы можем сбросить электрон с орбиты вокруг атома, создав свободный электрон.

Теперь рассмотрим медную проволоку: вещество, наполненное бесчисленными атомами меди. Поскольку наш свободный электрон плавает в пространстве между атомами, его притягивают и подталкивают окружающие заряды в этом пространстве. В этом хаосе свободный электрон в конце концов находит новый атом, за который можно зацепиться; при этом отрицательный заряд этого электрона выбрасывает из атома другой валентный электрон. Теперь новый электрон дрейфует в свободном пространстве, пытаясь сделать то же самое. Этот цепной эффект может продолжаться и дальше, создавая поток электронов, называемый электрический ток .

Очень упрощенная модель зарядов, протекающих через атомы для создания тока.

Проводимость

Некоторые типы атомов лучше других выделяют свои электроны. Чтобы получить наилучший возможный поток электронов, мы хотим использовать атомы, которые не очень сильно удерживают свои валентные электроны. Электропроводность элемента измеряет, насколько прочно электрон связан с атомом.

Элементы с высокой проводимостью, которые имеют очень подвижные электроны, называются проводники . Это типы материалов, которые мы хотим использовать для изготовления проводов и других компонентов, способствующих электронному потоку. Такие металлы, как медь, серебро и золото, обычно являются лучшими проводниками.

Элементы с низкой проводимостью называются изоляторами . Изоляторы служат очень важной цели: они предотвращают поток электронов. Популярные изоляторы включают стекло, резину, пластик и воздух.

Прежде чем мы двинемся дальше, давайте обсудим две формы электричества: статическое или электрическое. При работе с электроникой токовое электричество будет гораздо более распространенным, но также важно понимать статическое электричество.

Статическое электричество

Статическое электричество возникает при накоплении противоположных зарядов на объектах, разделенных изолятором. Статическое (как в «покое») электричество существует до тех пор, пока две группы противоположных зарядов не найдут путь друг к другу, чтобы сбалансировать систему.

Когда заряды находят средства выравнивания, происходит статический разряд . Притяжение зарядов становится настолько сильным, что они могут течь даже через самые лучшие изоляторы (воздух, стекло, пластмассу, резину и т. д.). Статические разряды могут быть вредными в зависимости от того, через какую среду проходят заряды и на какие поверхности они переносятся. Выравнивание зарядов через воздушный зазор может привести к видимому удару, поскольку движущиеся электроны сталкиваются с электронами в воздухе, которые возбуждаются и выделяют энергию в виде света.

Воспламенители с искровым разрядником используются для создания контролируемого статического разряда. Противоположные заряды накапливаются на каждом из проводников, пока их притяжение не становится настолько большим, что заряды могут течь по воздуху.

Одним из самых ярких примеров статического разряда является молния . Когда облачная система набирает достаточно заряда по сравнению с другой группой облаков или земной поверхностью, заряды будут пытаться выровняться. Когда облако разряжается, огромное количество положительных (а иногда и отрицательных) зарядов распространяется по воздуху от земли к облаку, вызывая видимый эффект, с которым мы все знакомы.

Статическое электричество также знакомо нам, когда мы трём шарики о голову, чтобы волосы встали дыбом, или когда мы шаркаем по полу пушистыми тапочками и бьём током по домашнему коту (случайно, конечно). В каждом случае трение от трения различных типов материалов передает электроны. Объект, теряющий электроны, становится положительно заряженным, а объект, приобретающий электроны, становится отрицательно заряженным. Два объекта притягиваются друг к другу, пока не найдут способ уравнять.

Работая с электроникой, нам обычно не приходится иметь дело со статическим электричеством. Когда мы это делаем, мы обычно пытаемся защитить наши чувствительные электронные компоненты от статического разряда. Профилактические меры против статического электричества включают ношение браслетов ESD (электростатического разряда) или добавление специальных компонентов в цепи для защиты от очень высоких скачков заряда.

Текущее электричество

Текущее электричество — это форма электричества, которая делает возможными все наши электронные штуковины. Эта форма электричества существует, когда заряды способны постоянно течет . В отличие от статического электричества, где заряды собираются и остаются в покое, текущее электричество динамично, заряды всегда в движении. Мы сосредоточимся на этой форме электричества в оставшейся части урока.

Цепи

Для того, чтобы течь электричеству, требуется цепь: замкнутая, бесконечная петля из проводящего материала. Цепь может быть такой же простой, как токопроводящий провод, соединенный встык, но полезные цепи обычно содержат смесь проводов и других компонентов, которые контролируют поток электричества. Единственное правило, когда дело доходит до создания цепей, это не может иметь изолирующих промежутков .

Если у вас есть провод, полный атомов меди, и вы хотите вызвать поток электронов через него, все свободных электронов должны куда-то течь в одном и том же общем направлении. Медь — отличный проводник, идеально подходящий для протекания зарядов. Если цепь медного провода разорвана, заряды не могут течь по воздуху, что также предотвратит перемещение любых зарядов к середине.

С другой стороны, если бы провод был соединен встык, все электроны имели бы соседний атом и все могли бы течь в одном и том же общем направлении.

Теперь мы понимаем, как могут течь электронов, но как мы вообще можем заставить их течь? Затем, когда электроны текут, как они производят энергию, необходимую для освещения лампочек или вращающихся двигателей? Для этого нам нужно понять электрические поля.

Электрические поля

У нас есть представление о том, как электроны проходят через материю, создавая электричество. Вот и все, что касается электричества. Ну, почти все. Теперь нам нужен источник, чтобы индуцировать поток электронов. Чаще всего этот источник электронного потока исходит от электрического поля.

Что такое поле?

Поле — это инструмент, который мы используем для моделирования физических взаимодействий, не связанных с наблюдаемым контактом . Поля нельзя увидеть, так как они не имеют физической формы, но эффект, который они производят, вполне реален.

Мы все подсознательно знакомы с одним конкретным полем: гравитационное поле Земли, эффект притяжения массивного тела к другим телам. Гравитационное поле Земли можно смоделировать набором векторов, указывающих на центр планеты; независимо от того, где вы находитесь на поверхности, вы почувствуете силу, толкающую вас к ней.

Сила или интенсивность полей неодинакова во всех точках поля. Чем дальше вы находитесь от источника поля, тем меньше его влияние. Величина гравитационного поля Земли уменьшается по мере удаления от центра планеты.

Продолжая изучать электрические поля, вспомните, в частности, как работает гравитационное поле Земли. Оба поля имеют много общего. Гравитационные поля воздействуют на объекты с массой, а электрические поля воздействуют на объекты с зарядом.

Электрические поля

Электрические поля (е-поля) являются важным инструментом для понимания того, как возникает и продолжает течь электричество. Электрические поля описывают тянущую или толкающую силу в пространстве между зарядами . По сравнению с гравитационным полем Земли электрические поля имеют одно существенное отличие: в то время как поле Земли обычно притягивает только другие объекты массы (поскольку все значит значительно менее массивные), электрические поля отталкивают заряды так же часто, как и притягивают их.

Направление электрических полей всегда определяется как направление, в котором положительный пробный заряд сместится , если его уронить в поле. Пробный заряд должен быть бесконечно мал, чтобы его заряд не влиял на поле.

Мы можем начать с построения электрических полей для одиночных положительных и отрицательных зарядов. Если вы поместите положительный тестовый заряд рядом с отрицательным зарядом, тестовый заряд притянется к отрицательному заряду . Итак, для одного отрицательного заряда мы нарисуем наши стрелки электрического поля направлен внутрь во всех направлениях. Тот же тестовый заряд, брошенный рядом с другим положительным зарядом , приведет к отталкиванию наружу, что означает, что мы рисуем стрелок, выходящих из положительного заряда.

Электрические поля одиночных зарядов. Отрицательный заряд имеет внутреннее электрическое поле, потому что он притягивает положительные заряды. Положительный заряд имеет внешнее электрическое поле, отталкивающее заряды.

Группы электрических зарядов можно комбинировать для создания более полных электрических полей.

Однородное электронное поле вверху направлено от положительных зарядов к отрицательным. Представьте крошечный положительный тестовый заряд, упавший в электронное поле; он должен следовать направлению стрелок. Как мы видели, электричество обычно связано с потоком электронов — отрицательных зарядов — которые текут против электрических полей.

Электрические поля обеспечивают нас толкающей силой, необходимой для индукции электрического тока. Электрическое поле в цепи похоже на электронный насос: большой источник отрицательных зарядов, который может двигать электроны, которые будут течь по цепи к положительному заряду.

Электрический потенциал (энергия)

Когда мы используем электричество для питания наших цепей, устройств и гаджетов, мы действительно преобразуем энергию. Электронные схемы должны иметь возможность накапливать энергию и передавать ее в другие формы, такие как тепло, свет или движение. Запасенная энергия цепи называется электрической потенциальной энергией.

Энергия? Потенциальная энергия?

Чтобы понять потенциальную энергию, нам нужно понять энергию в целом. Энергия определяется как способность объекта делать работать с другим объектом, что означает перемещение этого объекта на некоторое расстояние. Энергия приходит в многих формах , некоторые мы можем видеть (например, механические), а другие мы не можем (например, химические или электрические). Независимо от того, в какой форме она находится, энергия существует в одном из двух состояний : кинетическом или потенциальном.

Объект имеет кинетическую энергию , когда он находится в движении. Количество кинетической энергии объекта зависит от его массы и скорости. Потенциальная энергия , с другой стороны, равна накопленная энергия , когда объект находится в состоянии покоя. Он описывает, какую работу может выполнить объект, если его привести в движение. Это энергия, которую мы обычно можем контролировать. Когда объект приводится в движение, его потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию.

Вернемся к примеру с гравитацией. Шар для боулинга, неподвижно сидящий на вершине башни Халифа, имеет много потенциальной (запасенной) энергии. После падения мяч, притягиваемый гравитационным полем, с ускорением устремляется к земле. По мере ускорения мяча потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию (энергию движения). В конце концов вся энергия мяча преобразуется из потенциальной в кинетическую, а затем передается тому, во что он попадает. Когда мяч находится на земле, его потенциальная энергия очень мала.

Электрическая потенциальная энергия

Точно так же, как масса в гравитационном поле обладает гравитационной потенциальной энергией, заряды в электрическом поле обладают электрической потенциальной энергией . Электрическая потенциальная энергия заряда описывает, сколько накопленной энергии он имеет, когда он приводится в движение электростатической силой, эта энергия может стать кинетической, и заряд может совершать работу.

Подобно шару для боулинга, находящемуся на вершине башни, положительный заряд в непосредственной близости от другого положительного заряда обладает высокой потенциальной энергией; оставленный свободным двигаться, заряд будет отталкиваться от такого же заряда. Положительный тестовый заряд, помещенный рядом с отрицательным зарядом, будет иметь низкую потенциальную энергию, аналогичную шару для боулинга на земле.

Чтобы наделить что-либо потенциальной энергией, мы должны выполнить работу , переместив это на расстояние. В случае с шаром для боулинга работа заключается в том, чтобы поднять его на 163 этажа против поля гравитации. Точно так же необходимо совершить работу, чтобы оттолкнуть положительный заряд от стрелок электрического поля (либо к другому положительному заряду, либо от отрицательного заряда). Чем дальше вверх по полю уходит заряд, тем больше работы вам предстоит сделать. Точно так же, если вы попытаетесь вытащить отрицательный заряд вдали от положительного заряда – против электрического поля – вы должны совершить работу.

Для любого заряда, находящегося в электрическом поле, его электрическая потенциальная энергия зависит от типа (положительный или отрицательный), количества заряда и его положения в поле. Электрическая потенциальная энергия измеряется в джоулях ( Дж ).

Электрический потенциал

Электрический потенциал основан на электрическом потенциале энергии , чтобы помочь определить, сколько энергии хранится в электрических полях . Это еще одна концепция, которая помогает нам моделировать поведение электрических полей. Электрический потенциал равен , а не , то же самое, что электрическая потенциальная энергия!

В любой точке электрического поля электрический потенциал равен количеству потенциальной электрической энергии, деленному на количество заряда в этой точке. Это убирает количество заряда из уравнения и оставляет нам представление о том, сколько потенциальной энергии могут обеспечить определенные области электрического поля. Электрический потенциал измеряется в джоулях на кулон ( J/C ), который мы определяем как вольт (В).

В любом электрическом поле есть две точки электрического потенциала, представляющие для нас значительный интерес. Есть точка с высоким потенциалом, где положительный заряд будет иметь максимально возможную потенциальную энергию, и есть точка с низким потенциалом, где заряд будет иметь наименьшую возможную потенциальную энергию.

Одним из наиболее распространенных терминов, которые мы обсуждаем при оценке электричества, является напряжение . Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле. Напряжение дает нам представление о том, какой толкающей силой обладает электрическое поле.

Имея за плечами потенциал и потенциальную энергию, у нас есть все ингредиенты, необходимые для производства электроэнергии. Давай сделаем это!

Электричество в действии!

Изучив физику элементарных частиц, теорию поля и потенциальную энергию, мы теперь знаем достаточно, чтобы заставить течь электричество. Сделаем цепь!

Сначала мы рассмотрим ингредиенты, необходимые для производства электричества:

• Определение электричества — это поток заряда . Обычно наши заряды переносятся свободно текущими электронами.
• Отрицательно заряженные электронов слабо связаны с атомами проводящих материалов. С небольшим толчком мы можем освободить электроны от атомов и заставить их течь в основном в одном направлении.
• Замкнутая цепь из проводящего материала обеспечивает путь для непрерывного потока электронов.
• Заряды приводятся в движение электрическим полем . Нам нужен источник электрического потенциала (напряжения), который толкает электроны из точки с низкой потенциальной энергией в точку с более высокой потенциальной энергией.

Короткое замыкание

Батареи являются распространенными источниками энергии, преобразующими химическую энергию в электрическую. У них есть две клеммы, которые подключаются к остальной части цепи. На одном выводе избыток отрицательных зарядов, а на другом сливаются все положительные заряды. Это разность электрических потенциалов, которая только и ждет, чтобы подействовать!

Если мы подключим наш провод, полный проводящих атомов меди, к батарее, это электрическое поле будет влиять на отрицательно заряженные свободные электроны в атомах меди. Одновременно отталкиваемые отрицательной клеммой и притягиваемые положительной клеммой, электроны в меди будут перемещаться от атома к атому, создавая поток заряда, который мы знаем как электричество.

Через секунду после протекания тока электроны действительно сместились очень мало – доли сантиметра. Однако энергия, производимая текущим потоком, огромна , тем более что в этой цепи нет ничего, что замедляло бы течение или потребляло энергию. Подключение чистого проводника непосредственно к источнику энергии — плохая идея . Энергия очень быстро перемещается по системе и превращается в тепло в проводе, которое может быстро превратиться в плавление провода или огонь.

Зажигание лампочки

Вместо того, чтобы тратить всю эту энергию впустую, не говоря уже о разрушении батареи и проводов, давайте создадим схему, которая сделает что-нибудь полезное! Обычно электрическая цепь преобразует электрическую энергию в какую-либо другую форму — свет, тепло, движение и т. д. Если мы подключим лампочку к батарее проводами между ними, мы получим простую функциональную цепь.

Схема: Батарея (слева) подключается к лампочке (справа), цепь замыкается, когда выключатель (вверху) замыкается. Когда цепь замкнута, электроны могут течь от отрицательной клеммы батареи через лампочку к положительной клемме.

В то время как электроны движутся со скоростью улитки, электрическое поле почти мгновенно воздействует на всю цепь (мы говорим о скорости света). Электроны по всей цепи, будь то с самым низким потенциалом, с самым высоким потенциалом или прямо рядом с лампочкой, находятся под влиянием электрического поля. Когда переключатель замыкается и электроны подвергаются воздействию электрического поля, все электроны в цепи начинают течь, казалось бы, в одно и то же время. Ближайшие к лампочке заряды сделают один шаг по цепи и начнут преобразовывать электрическую энергию в световую (или тепловую).

Ресурсы и дальнейшее развитие

В этом уроке мы раскрыли лишь малую часть верхушки пресловутого айсберга. Там еще тонна концепций осталась нераскрытой. Отсюда мы рекомендуем вам сразу перейти к нашему руководству по напряжению, току, сопротивлению и закону Ома. Теперь, когда вы знаете все об электрических полях (напряжении) и движущихся электронах (токе), вы уже на пути к пониманию закона, управляющего их взаимодействием.

Хотите узнать больше об основных темах?

Полный список основных тем, связанных с электротехникой, см. на нашей странице Engineering Essentials .

Отвези меня туда!

Для получения дополнительной информации и иллюстраций, объясняющих электричество, посетите этот сайт.

Вот еще несколько учебных пособий для начинающих, которые мы рекомендуем прочитать:

• Что такое схема?
• Электроэнергия
• Последовательные и параллельные цепи

Или, может быть, вы хотели бы узнать что-то практическое? В этом случае ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств по навыкам базового уровня:

• Как пользоваться мультиметром
• Работа с проволокой
• Шитье проводящей нитью

Серийные и параллельные цепи — Learn.sparkfun.com

• Главная
• Учебники
• Последовательные и параллельные цепи

≡ Страниц

Авторы: Пит-О

Избранное Любимый 56

Последовательные и параллельные цепи

Простые схемы (состоящие всего из нескольких компонентов) обычно довольно просты для понимания новичками. Но все может стать затруднительным, когда на вечеринку приходят другие компоненты. Куда течет ток? Что делает напряжение? Можно ли это упростить для лучшего понимания? Не бойся, бесстрашный читатель. Далее следует ценная информация.

В этом руководстве мы сначала обсудим разницу между последовательными и параллельными цепями, используя схемы, содержащие самые основные компоненты — резисторы и батареи — чтобы показать разницу между двумя конфигурациями. Затем мы рассмотрим, что происходит в последовательных и параллельных цепях при объединении различных типов компонентов, таких как конденсаторы и катушки индуктивности.

Описано в этом руководстве

• Как выглядят последовательные и параллельные схемы
• Как пассивные компоненты действуют в этих конфигурациях
• Как источник напряжения будет воздействовать на пассивные компоненты в этих конфигурациях

Рекомендуемая литература

Вы можете просмотреть эти руководства по основным компонентам, прежде чем углубляться в построение схем в этом руководстве.

• Что такое электричество
• Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома
• Что такое цепь?
• Конденсаторы
• Катушки индуктивности
• Резисторы
• Как пользоваться макетной платой
• Как пользоваться мультиметром

Видео

Цепи серии

Узлы и ток

Прежде чем мы углубимся в это, нам нужно упомянуть, что такое узел . Ничего особенного, просто представление электрического соединения между двумя или более компонентами. Когда цепь моделируется на схеме, эти узлы представляют собой провода между компонентами.

Пример схемы с четырьмя узлами уникального цвета.

Это полдела на пути к пониманию разницы между последовательным и параллельным. Нам также необходимо понять , как ток течет по цепи. Ток течет от высокого напряжения к более низкому напряжению в цепи. Некоторое количество тока будет протекать по каждому пути, который может пройти, чтобы добраться до точки с самым низким напряжением (обычно называемой землей). Используя приведенную выше схему в качестве примера, вот как будет протекать ток, когда он проходит от положительной клеммы батареи к отрицательной:

Ток (обозначен синей, оранжевой и розовой линиями), протекающий по той же схеме, что и выше. Разные токи обозначены разными цветами.

Обратите внимание, что в некоторых узлах (например, между R ₁ и R ₂ ) ток на входе такой же, как на выходе. В других узлах (в частности, в трехстороннем соединении между R ₂ , R ₃ и R ₄ ) основной (синий) ток разделяется на два разных. Это ключевое различие между последовательным и параллельным!

Определение последовательных цепей

Два компонента соединены последовательно, если они имеют общий узел и через них протекает один и тот же ток . Вот пример цепи с тремя последовательными резисторами:

В приведенной выше цепи ток может протекать только одним способом. Начиная с положительной клеммы аккумулятора, ток сначала встретит R ₁ . Оттуда ток будет течь прямо к R ₂ , затем на R ₃ и, наконец, обратно на отрицательную клемму аккумулятора. Обратите внимание, что ток может следовать только по одному пути. Эти компоненты расположены последовательно.

Параллельные цепи

Параллельные цепи определены

Если компоненты имеют два общих узла , они параллельны. Вот пример схемы трех резисторов, подключенных параллельно к батарее:

От положительной клеммы батареи ток течет к R ₁ … и R ₂ и R ₃ . Узел, который соединяет батарею с R ₁ , также связан с другими резисторами. Другие концы этих резисторов аналогичным образом соединяются вместе, а затем снова соединяются с отрицательным полюсом батареи. Есть три различных пути, по которым ток может пройти, прежде чем вернуться в батарею, и говорят, что соответствующие резисторы включены параллельно.

Там, где все последовательные компоненты имеют одинаковые токи, протекающие через них, все параллельные компоненты имеют одинаковое падение напряжения на них — последовательно:ток::параллельно:напряжение.

Последовательные и параллельные цепи работают вместе

Отсюда мы можем смешивать и сочетать. На следующей картинке мы снова видим три резистора и батарейку. С положительной клеммы аккумулятора ток сначала встречает R ₁ . Но на другой стороне R ₁ узел разделяется, и ток может идти как на R ₂ , так и на R ₃ . Пути тока через R ₂ и R ₃ затем снова соединяются вместе, и ток возвращается к отрицательной клемме батареи.

В этом примере R ₂ и R ₃ параллельны друг другу, а R ₁ последовательно соединены с параллельной комбинацией R ₂ и R ₃ .

Расчет эквивалентных сопротивлений в последовательных цепях

Вот некоторая информация, которая может оказаться для вас более полезной. Когда мы соединяем резисторы вместе, последовательно и параллельно, мы меняем способ прохождения через них тока. Например, если у нас есть питание 10 В через 10 кОм; резистор, закон Ома говорит, что у нас есть ток 1 мА.

Если потом поставить еще 10кОм резистор последовательно с первым и оставить питание без изменений, мы сократили ток наполовину, потому что сопротивление удвоилось.

Другими словами, у тока по-прежнему есть только один путь, и мы только еще больше усложнили течение тока. Насколько сложнее? 10 кОм + 10 кОм = 20 кОм. И вот как мы вычисляем резисторы последовательно — просто добавляем их значения .

Если выразить это уравнение в более общем виде: общее сопротивление N — произвольное количество — резисторов – их общая сумма.

Расчет эквивалентных сопротивлений в параллельных цепях

Как насчет параллельных резисторов? Это немного сложнее, но ненамного. Рассмотрим последний пример, где мы начали с источника питания 10 В и резистора 10 кОм. резистор, но на этот раз мы добавляем еще 10 кОм; параллельно, а не последовательно. Теперь у тока есть два пути. Поскольку напряжение питания не изменилось, по закону Ома первый резистор по-прежнему будет потреблять 1 мА. Но то же самое и со вторым резистором, и теперь у нас есть в общей сложности 2 мА, поступающие от источника питания, что вдвое превышает исходный 1 мА. Это означает, что мы сократили общее сопротивление вдвое.

Пока можно сказать, что 10кОм; || 10 кОм = 5 кОм («||» примерно переводится как «параллельно с»), у нас не всегда будет 2 одинаковых резистора. Что тогда?

Уравнение для параллельного добавления произвольного числа резисторов:

Если вам не нравятся обратные величины, мы также можем использовать метод, называемый «произведение на сумму», когда у нас есть два резистора, соединенных параллельно:

Однако это Метод хорош только для двух резисторов в одном расчете. С помощью этого метода мы можем комбинировать более 2 резисторов, взяв результат R1 || R2 и вычисление этого значения параллельно с третьим резистором (опять же как произведение на сумму), но обратный метод может быть менее трудоемким.

Время эксперимента. Часть 1 резисторы

Мультиметр

Макет

Давайте проведем простой эксперимент, чтобы доказать, что эти вещи работают именно так, как мы говорим.

Во-первых, мы собираемся подключить 10 кОм. резисторы последовательно и наблюдайте, как они складываются самым незагадочным образом. С помощью макетной платы поместите один 10кОм; сопротивление, как показано на рисунке, и измерить мультиметром. Да, мы уже знаем, что это будет 10 кОм, но это то, что мы в бизнесе называем «проверкой работоспособности». Как только мы убедим себя, что мир существенно не изменился с тех пор, как мы в последний раз смотрели на него, поместите еще один таким же образом, но с проводами от каждого резистора, электрически подключенными через макетную плату, и снова измерьте. Теперь измеритель должен показать что-то близкое к 20 кОм.

Вы можете заметить, что сопротивление, которое вы измеряете, может быть не совсем таким, каким должен быть резистор. Резисторы имеют определенный допуск , что означает, что они могут быть отклонены на определенный процент в любом направлении. Таким образом, вы можете прочитать 9,99 кОм; или 10,01 кОм. Пока оно близко к правильному значению, все должно работать нормально.

Читатель должен продолжать это упражнение до тех пор, пока не убедится, что он знает, каким будет результат, прежде чем повторить его снова, или пока не закончатся резисторы, чтобы воткнуть их в макетную плату, в зависимости от того, что наступит раньше.

Время эксперимента. Часть 2

Теперь давайте попробуем с резисторами в конфигурации параллельно . Поместите один 10кОм; резистор на макетной плате, как и раньше (надеемся, что читатель уже полагает, что один резистор на 10 кОм будет измерять что-то близкое к 10 кОм на мультиметре). Теперь поместите второй 10кОм. резистор рядом с первым, следя за тем, чтобы выводы каждого резистора находились в электрически соединенных рядах. Но прежде чем измерять комбинацию, рассчитайте либо методом произведения на сумму, либо обратным методом, каким должно быть новое значение (подсказка: оно будет 5 кОм). Затем измерьте. Это что-то близкое к 5кОм? Если это не так, дважды проверьте отверстия, в которые подключены резисторы.

Повторите упражнение с резисторами 3, 4 и 5. Расчетные/измеренные значения должны быть 3,33 кОм, 2,5 кОм; и 2кОм соответственно. Все ли вышло так, как планировалось? Если нет, вернитесь и проверьте свои соединения. Если это так, EXCELSIOR! Иди выпей молочный коктейль, прежде чем мы продолжим. Ты заслужил это.

Практические рекомендации для последовательных и параллельных резисторов

Есть несколько ситуаций, которые могут потребовать некоторых творческих комбинаций резисторов. Например, если мы пытаемся установить очень конкретное опорное напряжение, вам почти всегда потребуется очень конкретное соотношение резисторов, значения которых вряд ли будут «стандартными». И хотя мы можем получить очень высокую степень точности в значениях резисторов, мы, возможно, не захотим ждать X дней, необходимых для отправки чего-либо, или платить цену за нестандартные значения, которых нет в наличии. Так что в крайнем случае мы всегда можем создать свои собственные номиналы резисторов.

Совет №1: Одинаковые резисторы в параллельном соединении

Добавление N резисторов с одинаковыми номиналами R в параллельном соединении дает нам R/N Ом. Допустим, нам нужен 2,5 кОм; резистор, но все, что у нас есть, это ящик, полный 10 кОм. Объединение четырех из них параллельно дает нам 10 кОм/4 = 2,5 кОм.

Совет № 2. Терпимость

Знайте, какую терпимость вы можете терпеть. Например, если вам нужен 3,2 кОм; резистор, можно поставить 3 10кОм резисторы параллельно. Это даст вам 3,3 кОм, что составляет около 4% допуска от необходимого вам значения. Но если схема, которую вы строите, должна иметь допуск ближе 4%, мы можем измерить наш запас 10 кОм, чтобы увидеть, какие из них являются самыми низкими значениями, потому что у них тоже есть допуск. По идее, если заначка 10кОм; все резисторы имеют допуск 1%, мы можем получить только 3,3 кОм. Но производители деталей, как известно, допускают именно такие ошибки, так что стоит немного поковыряться.

Совет № 3: номинальная мощность при последовательном/параллельном соединении

Такое последовательное и параллельное сочетание резисторов работает и для определения номинальной мощности. Допустим, нам нужен 100 Ом; резистор рассчитан на 2 Вт (Вт), но все, что у нас есть, это куча 1 кОм; резисторы на четверть ватта (¼ Вт) (и сейчас 3 часа ночи, вся горная роса закончилась, а кофе остыл). Вы можете комбинировать 10 из 1 кОм, чтобы получить 100 Ом; (1 кОм/10 = 100 Ом), а номинальная мощность будет 10×0,25 Вт или 2,5 Вт. Некрасиво, но это поможет нам завершить финальный проект и может даже принести нам дополнительные баллы за способность думать на ходу.

Нам нужно быть немного более осторожными, когда мы соединяем резисторы разных номиналов параллельно, когда речь идет об общем эквивалентном сопротивлении и номинальной мощности. Это должно быть совершенно очевидно для читателя, но…

Совет № 4: Параллельное подключение разных резисторов

Суммарное сопротивление двух резисторов разного номинала всегда меньше резистора наименьшего номинала. Читатель был бы поражен тем, сколько раз кто-то комбинирует значения в своей голове и приходит к значению, которое находится посередине между двумя резисторами (1 кОм; || 10 кОм; НЕ равняется ничему около 5 кОм!). Общее параллельное сопротивление всегда будет приближаться к резистору с наименьшим значением. Сделайте себе одолжение и прочитайте совет № 4 10 раз.

Совет № 5: Рассеиваемая мощность при параллельном подключении

Мощность, рассеиваемая при параллельном соединении резисторов разного номинала, распределяется неравномерно между резисторами, поскольку токи не равны. Используя предыдущий пример (1 кОм; || 10 кОм), мы можем видеть, что 1 кОм; будет потреблять в 10 раз больше тока, чем 10 кОм. Поскольку закон Ома гласит, что мощность = напряжение x ток, отсюда следует, что 1 кОм; резистор будет рассеивать в 10 раз больше мощности, чем 10 кОм.

В конечном счете, уроки советов 4 и 5 заключаются в том, что мы должны уделять больше внимания тому, что мы делаем при параллельном соединении резисторов разного номинала. Но советы 1 и 3 предлагают несколько удобных сокращений, когда значения совпадают.

Последовательные и параллельные конденсаторы

Объединение конденсаторов аналогично объединению резисторов, только наоборот. Как ни странно это звучит, это абсолютно верно. С чего бы это?

Конденсатор — это всего лишь две пластины, расположенные очень близко друг к другу, и его основная функция — удерживать целую кучу электронов. Чем больше значение емкости, тем больше электронов она может удерживать. Если размер пластин увеличивается, емкость увеличивается, потому что физически появляется больше места для электронов. И если пластины раздвинуты дальше друг от друга, емкость уменьшается, потому что напряженность электрического поля между ними уменьшается по мере увеличения расстояния.

Теперь предположим, что у нас есть два конденсатора по 10 мкФ, соединенных последовательно, и допустим, они оба заряжены и готовы разрядиться на друга, сидящего рядом с вами.

Помните, что в последовательной цепи есть только один путь для протекания тока. Из этого следует, что количество электронов, выходящих из нижней крышки, будет равно количеству электронов, выходящих из верхней части. Значит, емкость не увеличилась?

На самом деле все еще хуже. Поместив конденсаторы последовательно, мы фактически разнесли пластины дальше друг от друга, потому что расстояние между пластинами двух конденсаторов суммируется. Так что у нас нет 20 мкФ или даже 10 мкФ. У нас есть 5 мкФ. Результатом этого является то, что мы добавляем значения последовательных конденсаторов так же, как мы добавляем значения параллельных резисторов. Для последовательного добавления конденсаторов применимы как метод произведения на сумму, так и обратный метод.

Может показаться, что последовательно добавлять конденсаторы нет смысла. Но следует отметить, что мы получили вдвое большее напряжение (или номинальное напряжение). Как и в случае с батареями, когда мы соединяем конденсаторы последовательно, напряжения складываются.

Добавление конденсаторов параллельно похоже на последовательное добавление резисторов: значения просто складываются, никаких хитростей. Почему это? Параллельное размещение эффективно увеличивает размер пластин без увеличения расстояния между ними. Чем больше площадь, тем больше емкость. Простой.

Время эксперимента. Часть 3

Что вам потребуется: резистор

Три конденсатора по 100 мкФ

A Держатель 3-элементной батарейки AA

Три элемента типа АА

Макет

Мультиметр

Зажимы-провода

Давайте посмотрим на некоторые последовательно и параллельно соединенные конденсаторы в действии. Это будет немного сложнее, чем примеры резисторов, потому что сложнее измерить емкость напрямую с помощью мультиметра.

Давайте сначала поговорим о том, что происходит, когда конденсатор заряжается от нуля вольт. Когда ток начинает идти в одном из выводов, равное количество тока выходит из другого. А если последовательно с конденсатором сопротивления нет, то может быть довольно большой ток. В любом случае ток течет до тех пор, пока конденсатор не начнет заряжаться до значения приложенного напряжения, более медленно стекая до тех пор, пока напряжения не сравняются, когда ток полностью прекращается.

Как указано выше, потребляемый ток может быть довольно большим, если последовательно с конденсатором отсутствует сопротивление, а время зарядки может быть очень коротким (например, миллисекунды или меньше). Для этого эксперимента мы хотим иметь возможность наблюдать за зарядкой конденсатора, поэтому мы собираемся использовать 10 кОм; резистор последовательно, чтобы замедлить действие до точки, где мы можем легко это увидеть. Но сначала нам нужно поговорить о том, что такое постоянная времени RC.

Приведенное выше уравнение говорит о том, что одна постоянная времени в секундах (называемая тау) равна сопротивлению в омах, умноженному на емкость в фарадах. Простой? Нет? Мы продемонстрируем на следующей странице.

Время эксперимента. Часть 3, продолжение…

В первой части этого эксперимента мы будем использовать один резистор на 10 кОм и один на 100 мкФ (что соответствует 0,0001 фарад). Эти две части создают постоянную времени, равную 1 секунде:

резистора, мы можем ожидать, что напряжение на крышке поднимется примерно до 63% от напряжения питания за 1 постоянную времени, которая составляет 1 секунду. После 5 постоянных времени (в данном случае 5 секунд) максимальное значение составляет около 99% заряда до напряжения питания, и он будет следовать кривой заряда, примерно как на графике ниже.

Теперь, когда мы это знаем, мы собираемся соединить цепь на схеме (убедитесь, что на этом конденсаторе соблюдена полярность!).

С помощью нашего мультиметра, настроенного на измерение напряжения, проверьте выходное напряжение батареи при включенном выключателе. Это наше напряжение питания, и оно должно быть около 4,5 В (будет немного больше, если батареи новые). Теперь подключите цепь, позаботившись о том, чтобы переключатель на батарейном блоке находился в положении «ВЫКЛ», прежде чем подключать его к макетной плате. Кроме того, позаботьтесь о том, чтобы красный и черный провода находились в правильных местах. Если это более удобно, вы можете использовать зажимы типа «крокодил», чтобы прикрепить измерительные щупы к ножкам конденсатора для измерения (вы также можете немного раздвинуть эти ножки, чтобы было проще).

Как только мы убедимся, что схема выглядит правильно, а наш мультиметр включен и настроен на считывание напряжения, переведите переключатель на батарейном блоке в положение «ON». Примерно через 5 секунд показания счетчика должны быть близки к напряжению аккумуляторной батареи, что свидетельствует о правильности уравнения и о том, что мы знаем, что делаем. Теперь выключите выключатель. Он все еще довольно хорошо держит это напряжение, не так ли? Это потому, что ток не может разрядить конденсатор; у нас разомкнутая цепь. Для разрядки конденсатора можно параллельно подключить еще один резистор 10К. Примерно через 5 секунд он вернется к довольно близкому к нулю.

Время эксперимента.

Часть 3, еще больше…

Теперь мы переходим к интересным частям, начиная с последовательного соединения двух конденсаторов. Помните, что мы сказали, что результат будет аналогичен соединению двух резисторов параллельно. Если это правда, мы можем ожидать (используя произведение на сумму)

Что это сделает с нашей постоянной времени?

Имея это в виду, подключите еще один конденсатор последовательно к первому, убедитесь, что счетчик показывает ноль вольт (или около того), и переведите переключатель в положение «ON». Потребовалось ли примерно в два раза меньше времени, чтобы зарядить аккумуляторную батарею до напряжения? Это потому, что емкость в два раза меньше. Электронный бензобак стал меньше, поэтому для его зарядки требуется меньше времени. Для этого эксперимента предлагается третий конденсатор, просто чтобы доказать это, но мы держим пари, что читатель увидит надпись на стене.

Теперь попробуем подключить конденсаторы параллельно, помня, что мы сказали ранее, что это будет похоже на добавление резисторов последовательно. Если это правда, то мы можем ожидать 200 мкФ, верно? Тогда наша постоянная времени станет

. Это означает, что теперь потребуется около 10 секунд, чтобы увидеть, как параллельные конденсаторы заряжаются до напряжения питания 4,5 В.

Для проверки начните с нашей оригинальной схемы на 10 кОм; резистор и один конденсатор на 100 мкФ последовательно, как показано на первой схеме для этого эксперимента. Мы уже знаем, что конденсатор зарядится примерно через 5 секунд. Теперь добавьте второй конденсатор параллельно. Убедитесь, что показания мультиметра близки к нулю вольт (разрядите через резистор, если показания не равны нулю), и установите переключатель на батарейном блоке в положение «ON». Занимает много времени, не так ли? Разумеется, мы увеличили резервуар для электронного газа, и теперь его заполнение занимает больше времени. Чтобы убедиться в этом, попробуйте добавить третий конденсатор емкостью 100 мкФ и понаблюдайте, как он заряжается в течение длительного времени.

Серийные и параллельные катушки индуктивности

Серийные и параллельные катушки индуктивности

Случаи, когда катушки индуктивности необходимо добавлять последовательно или параллельно, довольно редки, но не являются чем-то исключительным. В любом случае, давайте обратимся к ним, чтобы быть полным.

В двух словах, они складываются так же, как и резисторы, то есть они складываются со знаком плюс при последовательном соединении и с произведением на сумму при параллельном. Сложность возникает, когда они расположены близко друг к другу, чтобы иметь взаимодействующие магнитные поля, намеренно или нет. По этой причине предпочтительнее иметь один компонент, а не два или более, хотя большинство катушек индуктивности экранированы для предотвращения взаимодействия магнитных полей.

В любом случае достаточно сказать, что они складываются, как резисторы. Дополнительная информация, касающаяся катушек индуктивности, выходит далеко за рамки данного руководства.

Хотите узнать больше об основных темах?

См. нашу страницу Engineering Essentials , где представлен полный список краеугольных тем, связанных с электротехникой.

Отвези меня туда!

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь, когда вы знакомы с основами последовательных и параллельных схем, почему бы не ознакомиться с некоторыми из этих руководств?

• Делители напряжения.

  Оставить комментарий Отменить ответ

  Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

  Меню

  Поиск: