Warum "brauchen" wir Widerstände (ich verstehe, was sie tun, nur nicht warum ...)? [geschlossen]

Ihr Verständnis davon, wie Strom durch einen Stromkreis fließt, muss angepasst werden.

1. Wie viel Strom durch einen Stromkreis fließt und von der Batterie oder Stromquelle entnommen wird, hängt davon ab, wie viel Strom durch diesen Stromkreis fließt.

2. Wie viel Strom durch den Stromkreis fließt, hängt davon ab, wie leitfähig der Stromkreis ist. Wenn ein Stromkreis einen hohen Widerstand hat, ist er weniger leitfähig und es fließt weniger Strom/Leistung.

Also, füge diese beiden zusammen und schaue auf deine Fragen...

1.Was passiert mit dem Rest des Stroms, der nicht verwendet wird (wegen des Widerstands)?

Es gibt keinen "Reststrom", der Strom wird durch den Widerstand des Stromkreises definiert.

2.Verwendet die LED dann den GESAMTEN Strom, der in der Schaltung verfügbar ist? Wenn nicht, wo bleibt der Rest? (Zurück in die Stromquelle recycelt?)

Auch hier definieren die LED und ihr Widerstand den Strom, den sie nehmen. Es gibt keine "Ruhe".

3.Warum „fällt die Spannung“ einer LED um einen bestimmten Betrag ab? Und was passiert mit den restlichen Komponenten in Reihe, fällt die Spannung für jede Komponente ab, bis nichts mehr übrig ist?

Die LED hat bei einem bestimmten Strom eine mehr oder weniger feste Durchlassspannung. Der Rest der Spannung fällt über dem Widerstand ab. Das definiert den Strom durch die LED.

4. Ich habe kürzlich ein Video gesehen, in dem der Typ, der Widerstände erklärt, eine Skizze gezeichnet hat, die 12 V zeigt --> Widerstand --> LED --- 0 V (Wählen Sie Ihren Widerstand so, dass er "den gesamten Strom / die gesamte Spannung verbraucht" bevor es zum Ende der Schaltung kommt? Youtube Video

In jeder Reihenschaltung wird die angelegte Spannung auf die Elemente dieser Reihenschaltung aufgeteilt. Der Strom wird durch den Bedarf der Schaltungselemente definiert und ist in der gesamten Reihenschaltung konstant.

Denken Sie daran, dass die Spannung einfach ein Maß für das Potenzial ist, dass Elektronen zwischen zwei Punkten fließen. Es wird immer zwischen zwei Punkten gemessen, und ein Wert von 0 Volt sagt uns, dass es zwischen diesen beiden Punkten keinen Strom geben würde.

5.Warum geht eine Batterie in einen Kurzschluss, wenn Sie die Klemmen direkt verbinden, aber wenn Sie eine Glühbirne (Widerstand) hinzufügen, nicht?

Ein toter Kurzschluss hat praktisch keinen Widerstand und nimmt viel Strom aus der Versorgung. Eine Glühbirne hat einen Widerstand und nimmt viel weniger Strom auf.

6. Ich habe stundenlang recherchiert und verstehe, was ein Widerstand tut, aber ich verstehe nicht, warum er benötigt wird (um eine Batterie nicht kurzzuschließen? .. bedeutet dies, dass sie vorher die gesamte Energie "frisst". es kehrt zur Anode zurück?)

Widerstände werden benötigt, um Ströme einzustellen und Spannungspegel über eine Reihenschaltung anzupassen. Sie werden auch für andere Funktionen verwendet, wie als Teil von Frequenzfiltern, Oszillatoren usw. usw.

7.Warum funktionieren verschiedene Glühbirnen mit derselben Batterie (unterschiedlicher Widerstand, aber kein Kurzschluss?)

Unterschiedliche Glühbirnen haben unterschiedliche Widerstände.

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Um all dies zu verstehen, müssen Sie sich mit dem Ohmschen Gesetz und dem Kirchhoffschen Spannungsgesetz vertraut machen .

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BEARBEITEN: Kommentarfrage hinzufügen, da sie für sich genommen nützlich ist und möglicherweise migriert wird.

Bin ich richtig, wenn ich Folgendes sage: "Wenn ich eine LED direkt an eine 600-mAh-Stromquelle anschließe, "verbraucht" sie alles, was verfügbar ist (600 mAh). Muss ich dann kalibrieren, damit der Widerstand genügend Strom widersteht, um die zu speisen? LED nur was es braucht?

Eine 600-mAh-Stromquelle ist hier ziemlich bedeutungslos. mAh ist ein Maß dafür, wie viel Ladung und effektive Gesamtleistung eine Batterie zu einem bestimmten Zeitpunkt liefert. Wenn Ihr Stromkreis 1 mA benötigt, hält die Batterie 600 Stunden. Wenn Ihr Stromkreis 1A benötigt, hält die Batterie nur 36 Minuten. Beachten Sie die Einheiten... mA * Stunden.

Ein größerer Akku mit gleicher Technologie und Spannung hat mehr mAh.

Wie viel Leistung er zu einem bestimmten Zeitpunkt liefern kann, hängt vom Anschlusswiderstand der Batterie ab und davon, wie schnell die Chemie im Inneren der Batterie reagieren kann. Ein 3,7 V 600 mAh Li-Ion-Akku liefert viel mehr Rohleistung als ein 1,5 V 600 mAh Alkaline-Akku. Kraft und Energie ist nicht dasselbe. Letztendlich bestimmt jedoch die Last, die Schaltung, wie viel sie aus der Batterie saugt und wie schnell, vorausgesetzt, sie zieht nicht zu schnell, an welchem ​​​​Punkt die Batteriespannung abfällt.

Sie müssen sich eine Batterie wie den Benzintank Ihres Autos vorstellen. Wie schnell das Gas nachlässt, hängt davon ab, wie hart und schnell Sie fahren. 600mAh definieren nur, wie groß der "Gastank" ist. Das Gas muss vom Tank durch ein Rohr und die Einspritzdüsen zum Motor gelangen. Wenn Sie zu viel Gas verlangen, kommt es nicht schnell genug durch diese und der Motor bekommt keinen Sprit mehr.

Hier ist eine physikbasierte Einführung in die EE-Konzepte, die Sie zu verstehen versuchen.

Ihre Fragen werden unten beantwortet.

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Alles ergibt sich aus dem Fluss der "Ladung"

Elektronik ist, wie das Wurzelwort Elektron bezeichnet, in hohem Maße eine Untersuchung des Elektronenflusses in einem bestimmten System.

Elektronen sind die grundlegenden "Ladungsträger" in einem typischen Schaltkreis; dh sie sind die Art und Weise, wie Ladung in den meisten Schaltungen "herumbewegt" wird.

Wir übernehmen eine Unterschriftskonvention, die besagt, dass Elektronen eine "negative" Ladung haben. Darüber hinaus stellt ein Elektron die kleinste Ladungseinheit auf atomarer (klassischer Physik) Ebene dar. Dies wird als "elementare" Ladung bezeichnet und liegt bei$-1.602{\times}{10}^{-19}$Coulomb.

Umgekehrt haben Protonen eine "positive" vorzeichenbehaftete Ladung von$+1.602{\times}{10}^{-19}$Coulomb.

Protonen können sich jedoch nicht so leicht bewegen, weil sie typischerweise durch die nukleare starke Kraft an Neutronen innerhalb der Atomkerne gebunden sind. Um Protonen aus Atomkernen (übrigens die Grundlage der Kernspaltungstechnologie) zu entfernen, wird viel mehr Energie benötigt als um Elektronen zu entfernen.

Andererseits können wir Elektronen ziemlich leicht aus ihren Atomen herauslösen. Tatsächlich basieren Solarzellen vollständig auf dem photoelektrischen Effekt (einer von Einsteins bahnbrechenden Entdeckungen), weil „Photonen“ (Lichtteilchen) „Elektronen“ aus ihren Atomen lösen.

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Elektrische Felder

Alle Ladungen üben ein elektrisches Feld "auf unbestimmte Zeit" in den Raum aus. Das ist das theoretische Modell.

Ein Feld ist einfach eine Funktion, die an jedem Punkt eine Vektorgröße erzeugt (eine Größe, die sowohl Größe als auch Richtung enthält ... um Despicable Me zu zitieren ).

Ein Elektron erzeugt ein elektrisches Feld, bei dem der Vektor an jedem Punkt des Feldes mit einer dem Coulombschen Gesetz entsprechenden Größe auf das Elektron (Richtung) zeigt:

$$\lvert \vec E\rvert~~=~~\underbrace{\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}}_{ \begin{array}{c} \text{constant} \\ \text{factor} \end{array} }~~\underbrace{\frac{\lvert q\rvert}{r^{2}}}_{ \begin{array}{c} \text{focus on} \\ \text{this part} \end{array} }$$

Die Richtungen können wie folgt visualisiert werden:

Diese Richtungen und Größen werden basierend auf der Kraft (Richtung und Größe) bestimmt, die auf eine positive Testladung ausgeübt würde. Mit anderen Worten, die Feldlinien stellen die Richtung und Größe dar, die eine positive Testladung erfahren würde.

Eine negative Ladung würde eine gleich große Kraft in entgegengesetzter Richtung erfahren.

Wenn sich ein Elektron in der Nähe eines Elektrons oder ein Proton in der Nähe eines Protons befindet, stoßen sie sich nach dieser Konvention ab.

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Superposition: Sammlungen von Gebühren

Wenn Sie alle elektrischen Felder aufsummieren, die einzeln von allen Ladungen in einem Bereich an einem bestimmten Punkt ausgeübt werden, erhalten Sie das gesamte elektrische Feld, das an diesem Punkt von allen Ladungen ausgeübt wird.

Dies folgt dem gleichen Prinzip der Superposition, das verwendet wird, um kinematische Probleme mit mehreren Kräften zu lösen, die auf ein einzelnes Objekt einwirken.

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Positive Ladung ist das Fehlen von Elektronen; negative Ladung ist der Überschuss an Elektronen

Dies gilt insbesondere für die Elektronik, wo es um den Ladungsfluss durch feste Materialien geht.

Um es noch einmal zu wiederholen: Elektronik ist das Studium des Flusses von Elektronen als Ladungsträger; Protonen sind nicht die primären Ladungsträger.

Nochmals: Bei Schaltkreisen bewegen sich Elektronen , Protonen nicht.

Eine "virtuelle" positive Ladung kann jedoch durch das Fehlen von Elektronen in einem Bereich eines Schaltkreises erzeugt werden, da dieser Bereich netto mehr Protonen als Elektronen aufweist .

Erinnern Sie sich an das Valenzelektronenmodell von Dalton, bei dem Protonen und Neutronen einen kleinen Kern besetzen, der von umlaufenden Elektronen umgeben ist.

Die Elektronen, die in der äußersten "Valenz"-Schale am weitesten vom Kern entfernt sind, haben die schwächste Anziehung zum Kern, basierend auf dem Coulomb-Gesetz, das angibt, dass die elektrische Feldstärke umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ist.

Indem wir z. B. auf einem Teller oder einem anderen Material Ladung ansammeln (z. B. durch kräftiges Aneinanderreiben wie in der guten alten Zeit), können wir ein elektrisches Feld erzeugen. Wenn wir Elektronen in dieses Feld platzieren, bewegen sich die Elektronen makroskopisch in eine Richtung entgegengesetzt zu den elektrischen Feldlinien.

Hinweis: Wie die Quantenmechanik und die Brownsche Bewegung beschreiben werden, ist die tatsächliche Flugbahn eines einzelnen Elektrons ziemlich zufällig. Alle Elektronen zeigen jedoch eine makroskopische "durchschnittliche" Bewegung, basierend auf der Kraft, die durch das elektrische Feld angezeigt wird.

So können wir genau berechnen, wie eine makroskopische Elektronenprobe auf ein elektrisches Feld reagiert.

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Elektrisches Potenzial

Erinnern Sie sich an die Gleichung, die auf dem Coulombschen Gesetz basiert, das die Größe der Kraft angibt$\lvert \vec E\rvert$auf eine positive Prüfladung ausgeübt:

$$\lvert \vec E\rvert = \frac{1}{4\pi\epsilon_{0}} \frac{\lvert q\rvert}{r^{2}}$$

Aus dieser Gleichung sehen wir als$r \to 0$,$\lvert \vec E\rvert \to \infty$. Das heißt, die Kraft, die auf eine positive Testladung ausgeübt wird, wird größer , je näher wir dem Ursprung des elektrischen Feldes kommen.

Im Gegenteil gesagt, wie$r \to \infty$,$\lvert \vec E\rvert \to 0$: Wenn man sich unendlich weit vom Ursprung eines elektrischen Feldes entfernt, geht die Feldstärke gegen Null.

Betrachten Sie nun die Analogie eines Planeten. Mit zunehmender Gesamtmasse des Planeten nimmt auch seine Schwerkraft zu. Die Überlagerung der Gravitationskräfte aller Materie, die in der Masse des Planeten enthalten ist, erzeugt Gravitationsanziehung.

Nebenbei: Die Masse deines Körpers übt eine Kraft auf den Planeten aus, aber die Masse des Planeten übersteigt die Masse deines Körpers bei weitem$\left(M_{\text{planet}} \gg m_{\text{you}}\right)$dass Ihre Anziehungskraft durch die Anziehungskraft des Planeten in den Schatten gestellt wird.

Erinnern Sie sich aus der Kinematik, dass das Gravitationspotential die Menge an Potential ist, die ein Objekt aufgrund seiner Entfernung vom Gravitationszentrum des Planeten hat . Das Gravitationszentrum des Planeten kann als Punktgravitationsquelle behandelt werden.

In ähnlicher Weise definieren wir das elektrische Potential als wie viel Energie erforderlich ist, um eine positive Testladung zu bewegen$q$von unendlich weit bis zu einem bestimmten Punkt.

Beim Gravitationspotential nehmen wir an, dass das Gravitationsfeld unendlich weit vom Planeten entfernt Null ist.

Wenn wir eine Masse haben$m$das beginnt unendlich weit weg, das Gravitationsfeld des Planeten$\vec g_{\text{planet}}$funktioniert, um die Masse näher zu ziehen. Daher "verliert das Gravitationsfeld an Potential", wenn sich eine Masse dem Planeten nähert. Währenddessen beschleunigt die Masse und gewinnt kinetische Energie.

Ebenso, wenn wir eine positive Testladung haben, die unendlich weit von einer Quellenladung entfernt beginnt$q_{\text{source}}$die ein elektrisches Feld erzeugt$\vec E_{\text{source}}$, das elektrische Potential an einem Punkt gibt an, wie viel Energie erforderlich wäre, um die Testladung über eine gewisse Entfernung zu bewegen$r$aus der Quellladung.

Das führt zu:

• Negative Ladungen gewinnen elektrisches Potential, wenn sie sich in Richtung des elektrischen Feldes bewegen$\vec E$und weg von einer positiven Quellenladung.
• Negative Ladungen verlieren elektrisches Potential, wenn sie sich entgegen der Richtung des elektrischen Feldes bewegen$\vec E$und zu einer positiven Quellenladung.
• Umgekehrt verlieren positive Ladungen elektrisches Potential, wenn sie sich in Richtung des elektrischen Feldes bewegen$\vec E$und weg von einer positiven Quellenladung.
• Positive Ladungen gewinnen elektrisches Potential, wenn sie sich in die dem elektrischen Feld entgegengesetzte Richtung bewegen$\vec E$und zu einer positiven Quellenladung.

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Elektrisches Potential in Leitern

Betrachten Sie das Modell von Leitern oder Übergangsmetallen wie Kupfer oder Gold mit einem „Meer aus Elektronen“. Dieses „Meer“ besteht aus Valenzelektronen, die lockerer gekoppelt sind und von mehreren Atomen „geteilt“ werden.

Legt man an diese "losen" Elektronen ein elektrisches Feld an, neigen sie im makroskopischen Mittel dazu, sich mit der Zeit in eine bestimmte Richtung zu bewegen.

Denken Sie daran, Elektronen bewegen sich in die dem elektrischen Feld entgegengesetzte Richtung.

In ähnlicher Weise führt das Platzieren eines Drahtleiters in der Nähe einer positiven Ladung zu einem Ladungsgradienten über die Drahtlänge.

Die Ladung an jedem Punkt auf dem Draht kann unter Verwendung ihres Abstands von der Quellenladung und bekannter Eigenschaften des in dem Draht verwendeten Materials berechnet werden.

Eine positive Ladung aufgrund des Fehlens von Elektronen erscheint weiter weg von der positiven Quellenladung, während eine negative Ladung aufgrund der Ansammlung und des Überschusses an Elektronen näher an der Quellenladung gebildet wird.

Aufgrund des elektrischen Feldes entsteht zwischen zwei Punkten des Leiters eine „Potenzialdifferenz“. So erzeugt ein elektrisches Feld Spannung in einem Stromkreis.

Spannung ist definiert als elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Feld.

Schließlich erreicht die Ladungsverteilung entlang der Drahtlänge ein "Gleichgewicht" mit dem elektrischen Feld. Dies bedeutet nicht, dass die Ladung aufhört sich zu bewegen (erinnern Sie sich an die Brownsche Bewegung); nur dass die "Netto-" oder "durchschnittliche" Ladungsbewegung gegen Null geht.

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Nicht ideale Batterien

Lassen Sie uns eine galvanische oder voltaische Stromquelle aufbauen .

Diese Zelle wird durch die elektrochemische Redoxreaktion von Zink- und Kupferstäben in einer wässrigen Lösung von Ammoniumnitratsalz angetrieben$\left(\text{NH}_{4}\right)\left(\text{NO}_{3}\right)$.

Ammoniumnitrat ist ein ionisch gebundenes Salz, das sich in Wasser in seine konstituierenden Ionen auflöst$\text{NH}_{4}^{+}$und$\text{NO}_{3}^{-}$.

Nützliche Terminologie:

• Kation : ein positiv geladenes Ion
• Anion : ein negativ geladenes Ion
• Kathode : An der Kathode sammeln sich die Kationen an
• Anode : An der Anode sammeln sich die Anionen an

Nützliche Merkhilfe: „ anion“ ist „ anion “ ist „ AN egative ion “

Wenn wir die Reaktion für die obige galvanische Zink-Kupfer-Zelle untersuchen:

$$\text{Zn}\left(\text{NO}_{3}\right)_{2}~~+~~\text{Cu}^{2+} \quad\longrightarrow\quad \text{Zn}^{2+}~~+~~\text{Cu}\left(\text{NO}_{3}\right)_{2}$$

Die Bewegung von Kationen$\text{Zn}^{2+}$und$\text{Cu}^{2+}$ist der Fluss positiver Ladung in Form von Ionen. Diese Bewegung geht zur Kathode hin .

Hinweis: Früher haben wir gesagt, dass positive Ladung das „Fehlen“ von Elektronen ist. Kationen (positive Ionen) sind positiv, da das Abstreifen von Elektronen aufgrund der Protonen im Kern zu einer positiven Nettoladung der Atome führt. Diese Kationen sind in der Lösung der galvanischen Zelle mobil, aber wie Sie sehen können, wandern die Ionen nicht durch die leitende Brücke, die die beiden Seiten der Zelle verbindet . Das heißt, nur Elektronen bewegen sich durch den Leiter .

Aufgrund der Tatsache, dass sich positive Kationen zur Kathode bewegen und ansammeln, bezeichnen wir sie als negativ (positive Ladungen werden von negativen angezogen).

Umgekehrt, weil Elektronen sich zur Anode bewegen und sich dort ansammeln, bezeichnen wir sie als positiv (negative Ladungen werden von positiven angezogen).

Denken Sie daran, wie Sie gelernt haben, dass Strom fließt$\textbf{+}$zu$\textbf{-}$? Dies liegt daran, dass herkömmlicher Strom dem Fluss positiver Ladung und Kationen folgt, nicht negativer Ladung.

Denn Strom ist definiert als der Fluss virtueller positiver Ladung durch eine Querschnittsfläche . Elektronen fließen per Konvention immer entgegengesetzt zum Strom.

Was diese galvanische Zelle nicht ideal macht, ist, dass der chemische Prozess, der das elektrische Feld durch den Leiter erzeugt und den Fluss von Elektronen und Ladung bewirkt, schließlich zum Gleichgewicht kommt.

Dies liegt daran, dass die Ansammlung von Ionen an der Anode und Kathode verhindert, dass die Reaktion weiter fortschreitet.

Andererseits verliert eine "ideale" Stromquelle niemals an elektrischer Feldstärke.

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Ideale Spannungsquellen sind wie magische Rolltreppen

Kehren wir zur Analogie des Gravitationspotentials zurück.

Angenommen, Sie befinden sich auf einem Hügel und haben einen beliebigen Weg den Hügel hinunter, der aus Pappwänden besteht. Nehmen wir an, Sie rollen einen Tennisball diesen Weg mit Pappwänden entlang. Der Tennisball folgt dem Pfad.

In Schaltkreisen bildet der Leiter den Pfad.

Nehmen wir nun an, Sie haben eine Rolltreppe am Fuß des Hügels. Wie eine Rube-Goldberg-Maschine nimmt die Rolltreppe Tennisbälle auf, die Sie den Weg hinunterrollen, und lässt sie dann am Anfang des Weges auf der Spitze des Hügels fallen.

Die Rolltreppe ist Ihre ideale Energiequelle.

Nehmen wir nun an, Sie sättigen den gesamten Weg (inklusive Rolltreppe) fast vollständig mit Tennisbällen. Nur eine lange Reihe von Tennisbällen.

Da wir den Weg nicht vollständig gesättigt haben, gibt es immer noch Lücken und Räume, in denen sich die Tennisbälle bewegen können.

Ein Tennisball, der die Rolltreppe hinaufgetragen wird, stößt auf einen anderen Ball, der wiederum auf einen anderen Ball stößt, der ... weiter und weiter geht.

Die Tennisbälle, die den Pfad auf dem Hügel hinunterlaufen, gewinnen Energie aufgrund der potenziellen Differenz in der Schwerkraft. Sie hüpfen ineinander, bis schließlich ein weiterer Ball auf die Rolltreppe geladen wird.

Nennen wir die Tennisbälle unsere Elektronen. Wenn wir dem Elektronenfluss den Hügel hinunter folgen, durch unseren gefälschten „Schaltkreis“ aus Pappe, dann die magische Rolltreppe „Stromquelle“ hinauf, bemerken wir etwas:

Die „Lücken“ zwischen den Tennisbällen bewegen sich genau in die entgegengesetzte Richtung der Tennisbälle (den Hügel hinauf und die Rolltreppe hinunter) und sie bewegen sich viel schneller. Die Bälle bewegen sich natürlich von hohem Potential zu niedrigem Potential, aber mit einer relativ langsamen Geschwindigkeit. Dann werden sie mit der Rolltreppe zurück zu einem High Potential befördert.

Die Unterseite der Rolltreppe ist praktisch der Minuspol einer Batterie oder die Kathode in der galvanischen Zelle, die wir zuvor besprochen haben.

Die Oberseite der Rolltreppe ist praktisch der positive Anschluss einer Batterie oder die Anode in einer galvanischen Zelle. Der Pluspol hat ein höheres elektrisches Potential.

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Strom

Okay, also die Richtung, in die positive Ladung fließt, ist die Richtung des elektrischen Stroms.

Was ist aktuell?

Per Definition ist es: die Ladungsmenge, die pro Sekunde eine Querschnittsfläche durchdringt (Einheit: Coulomb pro Sekunde). Sie ist direkt proportional zur Fläche des Querschnitts des Drahtes/Leitermaterials und der Stromdichte. Die Stromdichte ist die Ladungsmenge, die durch eine Flächeneinheit fließt (Einheit: Coulomb pro Quadratmeter).

Hier ist eine andere Möglichkeit, darüber nachzudenken:

Wenn Sie einen Tennisballwerfer haben, der positiv geladene Bälle durch eine Tür spuckt, bestimmt die Anzahl der Bälle, die er pro Sekunde durch die Tür bekommt, seinen "Strom".

Wie schnell sich diese Bälle bewegen (oder wie viel kinetische Energie sie haben, wenn sie auf eine Wand treffen) ist die "Spannung".

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Ladungs- und Spannungserhaltung

Dies ist ein grundlegendes Prinzip.

Stellen Sie sich das so vor: Es gibt eine feste Anzahl von Elektronen und Protonen. In einem elektrischen Stromkreis wird Materie weder erzeugt noch zerstört... die Ladung bleibt also immer gleich. Im Beispiel der Tennisball-Rolltreppe gingen die Bälle einfach in einer Schleife. Die Anzahl der Bälle blieb fest.

Mit anderen Worten, die Ladung wird nicht "zerstreut". Sie verlieren nie die Ladung.

Was passiert ist, dass die Ladung Potenzial verliert . Ideale Spannungsquellen geben der Ladung ihr elektrisches Potential zurück.

Spannungsquellen erzeugen KEINE Ladung. Sie erzeugen ein elektrisches Potential.

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Strom, der in und aus Knoten fließt, Widerstand

Nehmen wir das Ladungserhaltungsprinzip. Eine ähnliche Analogie lässt sich auf den Wasserfluss anwenden.

Wenn wir ein Flusssystem einen Berg hinunter haben, das sich verzweigt, ist jeder Zweig analog zu einem elektrischen "Knoten".

          / BRANCH A
         /
        /
MAIN ---
        \
         \
          \ BRANCH B

-> downhill

Die Wassermenge, die in einen Ast fließt, muss nach dem Erhaltungsprinzip gleich der Wassermenge sein, die aus dem Ast fließt: Wasser (Ladung) wird weder erzeugt noch zerstört.

Die Wassermenge, die einen bestimmten Ast hinunterfließt, hängt jedoch davon ab, wie viel "Widerstand" dieser Ast leistet.

Wenn beispielsweise Abzweig A extrem schmal, Abzweig B extrem breit und beide Abzweige gleich tief sind, dann hat Abzweig B natürlich die größere Querschnittsfläche.

Das bedeutet, dass Abzweig B weniger Widerstand leistet und eine größere Wassermenge in einer einzigen Zeiteinheit durch ihn fließen kann.

Dies beschreibt Kirchoffs aktuelles Gesetz.

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Du bist immer noch hier? Genial!

1. Was passiert mit dem nicht genutzten Reststrom?

Wegen des Erhaltungsprinzips müssen alle Ladungen in einen Knoten abfließen. Es gibt keinen "unbenutzten" Strom, weil Strom nicht verwendet wird . In einer einfachen Reihenschaltung ändert sich der Strom nicht.

Jedoch können in Abhängigkeit von den Widerständen der verschiedenen Zweige in einem elektrischen Knoten in einer Parallelschaltung unterschiedliche Strommengen über verschiedene Zweige fließen .

2. Verbraucht die LED den gesamten Strom?

Technisch gesehen "verbrauchen" die LED und der/die Widerstand(e) keinen Strom, da es keinen Stromabfall gibt (die Ladungsmenge, die in einer Zeiteinheit durch die LED oder den/die Widerstand(e) fließt). Dies liegt an der Ladungserhaltung, die an eine Reihenschaltung angelegt wird: Es gibt keinen Ladungsverlust in der gesamten Schaltung, daher keinen Stromabfall.

Die Strommenge (Ladung) wird durch das Verhalten der LED und des Widerstands (der Widerstände) bestimmt, wie durch ihre iv-Kurven beschrieben

3. Warum „fällt die Spannung“ der LED um einen bestimmten Betrag ab?

Hier ist eine grundlegende LED-Schaltung .

Eine LED hat eine Aktivierungsspannung, normalerweise etwa ~1,8 bis 3,3 V. Wenn Sie die Aktivierungsspannung nicht erreichen, fließt praktisch kein Strom. Siehe die unten verlinkten LED-IV-Kurven.

Wenn Sie versuchen, den Strom in die entgegengesetzte Richtung der LED-Polarität zu schieben, betreiben Sie die LED in einem "Reverse-Bias" -Modus, in dem fast kein Strom durchfließt. Der normale Betriebsmodus einer LED ist der Vorwärtsvorspannungsmodus. Ab einem bestimmten Punkt im Sperrbetrieb "bricht" die LED zusammen. Schauen Sie sich das IV-Diagramm einer Diode an.

LEDs sind eigentlich PN-Übergänge (p-dotiertes und n-dotiertes Silizium zusammengedrückt). Basierend auf den Fermi-Niveaus des dotierten Siliziums (die von den Elektronenbandlücken des dotierten Materials abhängig sind) benötigen die Elektronen eine ganz bestimmte Menge an Aktivierungsenergie, um auf ein anderes Energieniveau zu springen. Sie strahlen dann ihre Energie als Photon mit einer ganz bestimmten Wellenlänge/Frequenz aus, während sie auf eine niedrigere Ebene zurückspringen.

Dies erklärt die hohe Effizienz (weit über 90 % der von einer LED abgegebenen Energie wird in Licht und nicht in Wärme umgewandelt) von LEDs im Vergleich zu Glühlampen und CFL-Lampen.

Auch deshalb wirkt LED-Beleuchtung so „künstlich“: Natürliches Licht enthält eine relativ homogene Mischung aus einem breiten Frequenzspektrum; LEDs emittieren Kombinationen ganz bestimmter Lichtfrequenzen.

Die Energieniveaus erklären auch, warum der Spannungsabfall über einer LED (oder anderen Dioden) effektiv "fixiert" ist, selbst wenn mehr Strom durch sie fließt. Untersuchen Sie die iv-Kurve für eine LED oder andere Diode: Jenseits der Aktivierungsspannung steigt der Strom bei einem kleinen Spannungsanstieg SEHR an. Im Wesentlichen versucht die LED, so viel Strom wie möglich durch sie fließen zu lassen, bis sie sich physisch verschlechtert.

Aus diesem Grund verwenden Sie auch einen Inline-Strombegrenzungswiderstand, um den Stromfluss durch eine Diode / LED auf einen bestimmten Milliampere-Nennwert basierend auf der LED-Spezifikation zu begrenzen.

3(b). Und was passiert mit den restlichen Komponenten in Reihe, fällt die Spannung für jede Komponente ab, bis nichts mehr übrig ist?

Ja, Kirchoffs Spannungsgesetz besagt, dass die Summe aller Spannungsabfälle in einer Schleife um einen Stromkreis Null ist . In einer einfachen Reihenschaltung gibt es nur eine Schleife.

4. Wählen Sie Ihren Widerstand so aus, dass er "den gesamten Strom / die gesamte Spannung verbraucht", bevor er das Ende der Schaltung erreicht?

Nein. Sie wählen Ihren Widerstand basierend auf dem LED-Nennstrom (z. B. 30 mA = 0,03 A) und dem Ohmschen Gesetz , wie im Artikel LED-Schaltkreise beschrieben .

Ihre Spannung wird aufgebraucht. Ihr Strom bleibt während einer einzelnen Reihenschaltung gleich.

5. Warum geht eine Batterie in einen Kurzschluss, wenn Sie die Klemmen direkt verbinden, aber wenn Sie eine Glühbirne (Widerstand) hinzufügen, nicht?

Ich bin mir nicht sicher, was du mit "tot kurz" meinst.

Wenn die Anschlüsse einer Batterie miteinander verbunden werden, führt dies zu einem großen Strom, der bei der Spannung der Batterie entladen wird. Diese Spannung wird über den Innenwiderstand der Batterie und den Leiterdraht in Form von Wärme abgeführt – denn auch Leiter haben einen gewissen Widerstand.

Aus diesem Grund werden kurzgeschlossene Batterien super heiß. Diese Hitze kann die Zusammensetzung einer chemischen Zelle beeinträchtigen, bis sie explodiert.

6. Warum sind Widerstände notwendig?

Hier ist die Rhetorik: Stellen Sie sich vor, es gäbe dieses erstaunliche Konzert. Alle Ihre Lieblingsbands werden dort sein. Es wird eine tolle Zeit.

Nehmen wir an, die Veranstalter haben keine Vorstellung von der Realität. Also machen sie den Eintritt zu diesem erstaunlichen Konzert fast völlig kostenlos. Sie haben es in einem äußerst zugänglichen Bereich platziert. Tatsächlich sind sie so unorganisiert, dass es ihnen egal ist, ob sie zu viel verkaufen, und es gibt nicht genug Plätze für alle, die Tickets kaufen.

Oh, und das ist in NYC.

Ziemlich schnell verwandelt sich dieses erstaunliche Konzert in eine totale Katastrophe. Menschen sitzen aufeinander, verschütten überall Bier; Kämpfe brechen aus, die Toiletten sind verstopft, die Groupies bringen alle zum Ausrasten und man kann die Musik vor lauter Aufregung kaum hören.

Stellen Sie sich Ihre LED als dieses erstaunliche Konzert vor. Und denken Sie daran, wie durcheinander Ihre LED sein wird, wenn Sie dort nicht mehr Widerstand leisten, um zu verhindern, dass ALLE und ihre Mütter zum Konzert kommen.

In diesem dummen Beispiel bedeutet "Widerstand" "Eintrittskosten". Nach einfachen wirtschaftlichen Prinzipien verringert die Erhöhung der Konzertkosten die Anzahl der Besucher.

In ähnlicher Weise verhindert das Erhöhen des Widerstands in einem Stromkreis, dass Ladung (und anschließend Strom) durchgeht. Das bedeutet, dass Ihre LED (Konzert) nicht von all den Leuten (Ladung) völlig zerstört wird.

Ja, Elektrotechnik ist eine echte Party.

Was ist der schnellste Weg, um grundlegende Elektrizität zu verstehen? Konzentrieren Sie sich einfach auf "Hot-Button"-Probleme wie die folgenden. Fixieren Sie Ihre mentalen Konzepte, und alles rastet ein und ergibt einen Sinn.

Leiter sind Materialien, die aus „beweglicher Elektrizität“ bestehen. Sie leiten keinen Strom, sondern enthalten Strom, und ihr Strom kann sich fortbewegen. Vorsicht vor der weit verbreiteten falschen Definition von Dirigenten:

FALSCH: Leiter sind stromdurchlässig wie leere Wasserrohre? Nö.

RICHTIG: Alle Leiter enthalten bewegliche Ladungen, wie wassergefüllte Rohre.

Drähte sind wie vorgefüllte Schläuche, bei denen sich die Elektronen des Metalls wie Wasser bereits im Schlauch befinden. In Metallen springen die Elektronen der Atome ständig umher und „umkreisen“ die gesamte Metallmasse. Alle Metalle enthalten ein „Meer“ aus beweglicher, flüssigkeitsähnlicher Elektrizität. Wenn wir also einige Metalldrähte in einem Kreis einhaken, haben wir eine Art verborgenen Antriebsriemen oder Schwungrad geschaffen. Sobald die Schleife gebildet ist, kann sich der kreisförmige "Stromgürtel" frei im Metall bewegen. (Wenn wir unseren Drahtkreis greifen und wackeln, erzeugen wir durch Trägheit tatsächlich einen winzigen elektrischen Strom, so als ob der Draht ein Schlauch voller Wasser wäre. Suche: Tolman-Effekt.)

Der Strompfad ist ein vollständiger Kreis, einschließlich der Stromversorgung. Netzteile liefern keine Elektronen. (Mit anderen Worten, der Kreis hat keinen Anfang. Es ist eine Schleife, wie ein bewegliches Schwungrad.) Die beweglichen Elektronen werden von den Drähten selbst beigetragen. Netzteile sind nur Strompumpen. Der Strompfad verläuft durch das Netzteil und wieder heraus. Eine Stromversorgung ist nur ein weiterer Teil des geschlossenen Kreislaufs.

Elektrische Ströme sind ziemlich langsame Flüsse.Aber wie bei Rädern und Antriebsriemen bewegt sich das gesamte Rad als Einheit, wenn wir auf einen Teil des Rads drücken. Wir können einen Gummiantriebsriemen verwenden, um mechanische Energie sofort zu übertragen. Wir können einen geschlossenen Stromkreislauf verwenden, um elektrische Energie sofort an jeden Teil des Kreislaufs zu übertragen. Doch die Schleife selbst bewegt sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit! Die Schleife selbst bewegt sich langsam. Und bei AC-Systemen bewegt sich die Schleife hin und her, während sich die Energie kontinuierlich vorwärts bewegt. Großer Hinweis: Je schneller die Elektronen, desto höher die Ampere. Null Ampere? Dann kommen die Elektronen der Drähte zum Stillstand. Noch ein Hinweis: Elektrische Energie sind Wellen, und Elektronen sind das „Medium“, entlang dem sich die Wellen ausbreiten. Das Medium wackelt hin und her, während sich die Welle schnell vorwärts ausbreitet. Oder das Medium ruckt rückwärts und bewegt sich langsam, während sich die Welle extrem schnell vorwärts bewegt. (Mit anderen Worten, es gibt keine einzelne "Elektrizität", da sich in Schaltkreisen immer zwei verschiedene Dinge bewegten: die langsamen kreisförmigen Ströme von Elektronen und die schnelle Ausbreitung elektromagnetischer Energie in einer Richtung. Sie bewegen sich in Schaltkreisen mit zwei völlig unterschiedlichen Geschwindigkeiten , und während Ströme in Schleifen fließen, fließt die Energie in eine Richtung von einer Quelle zu einem Verbraucher.)

Batterien speichern keinen Strom. Sie speichern keine elektrische Ladung. Sie speichern nicht einmal elektrische Energie. Stattdessen speichern Batterien nur chemischen „Treibstoff“ in Form von unkorrodierten Metallen wie Lithium, Zink, Blei usw. Aber wie können Batterien dann funktionieren? Ganz einfach: Eine Batterie ist eine chemisch betriebene Ladungspumpe. Wenn ihre Metallplatten korrodieren, wird chemische Energie freigesetzt und sie pumpen Elektrizität durch sich selbst. Der Strompfad ist durchden Akku und wieder raus. (Pumpen werden nicht zum Speichern des gepumpten Materials verwendet!) Und die „Kapazität“ der Batterie ist nur die Menge des darin enthaltenen chemischen Kraftstoffs. Eine bestimmte Menge Brennstoff ist in der Lage, eine bestimmte Gesamtmenge an Elektronen zu pumpen, bevor der Brennstoff aufgebraucht ist. (Es ist ein bisschen so, als würden Sie Ihren Benzintank in Kilometern und nicht in Gallonen bewerten. Benzintanks speichern keine Kilometer und Batterien keinen Strom!) Wiederaufladbare Batterien? Dann lassen wir sie zwangsweise rückwärts laufen, damit ihre internen "Abgasprodukte" wieder in Kraftstoff umgewandelt werden: Korrosionsverbindungen werden wieder in Metall umgewandelt.

Widerstände verbrauchen keinen Strom. Wenn eine Glühbirne eingeschaltet wird, beginnen sich ihre eigenen Elektronen zu bewegen, da neue Elektronen an einem Ende des Glühfadens eintreten, während gleichzeitig andere Elektronen das andere Ende verlassen. Das Filament ist Teil eines vollständigen Elektronenrings, der sich wie ein Antriebsriemen bewegt. Der Erwärmungseffekt ist eine Art Reibung, wie wenn Sie Ihren Daumen gegen die Felge eines rotierenden Reifens drücken. (Ihr Daumen verbraucht kein Gummi, sondern wird nur durch Reibung erhitzt, und Glühbirnen verbrauchen keine Elektronen, sie "reiben" nur an den sich bewegenden Elektronen und erwärmen sich durch Reibung.) Widerstände sind also nur Reibungsvorrichtungen. Der Weg für Elektronen ist durch, und es werden keine Elektronen verbraucht oder verloren. Beachten Sie, dass je schneller die Elektronen, desto höher die Ampere und desto größer die Erwärmung. "Niedrig"

Ich bin auch ein Anfänger, aber versuche deine Fragen zu beantworten:

1. Es gibt keinen „Rest“ des Stroms. Strom wird so viel wie nötig verbraucht. Wenn Sie eine Leitung von + (VCC) nach - (GND) verbinden, erhalten Sie einen Kurzschluss. Sehen Sie es so, dass es keine Bremse dafür gibt, wie schnell die Elektronen laufen können.

2. Wenn kein Widerstand vorhanden ist, verwendet die LED die Elektronen mit der schnellstmöglichen "Geschwindigkeit". Da dies zu viel ist, wird die LED (früher oder später) brennen.

3. Ich weiß nicht, warum es abfällt, wahrscheinlich verursacht der interne Mechanismus der LED, dass eine gewisse Spannung verwendet wird. Das bedeutet, dass der Rest weniger Spannung übrig hat. Und ja, es wird so lange weitergehen, bis nichts mehr übrig ist. Dies kann dazu führen, dass weitere LEDs gar nicht leuchten, unregelmäßig blinken/verhalten oder gedimmt sind.

4. Eigentlich sollten Sie es berechnen, wie hell Ihre LED sein soll. Somit macht ein höherer Widerstand die LED weniger hell.

5. Eine Glühbirne hat einen Innenwiderstand, daher wird kein Widerstand benötigt.

6. Es frisst keine Batterie, es verlangsamt nur den Elektronenfluss (zumindest ist das eine einfache Analogie).

7. Jede Glühbirne hat einen Innenwiderstand, sodass es nicht zu einem Kurzschluss kommt. Wenn Sie zu viel Spannung verwenden, wird es brechen.

Lesen Sie mehr über das Strom-Wasser-Modell. Es vergleicht Strom mit herumfließendem Wasser und kann helfen zu verstehen, was Begriffe wie Strom und Spannung bedeuten und wie sie zusammenwirken.

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Ich habe dieses Modell erwähnt, weil es mir sehr geholfen hat, verschiedene Dinge zu verstehen.
laptop2d hat Recht, eine Erklärung ist besser als "das suchen". Aber es ist ziemlich langwierig, das Ganze hier zu erklären, wenn andere Seiten das schon ordentlich gemacht haben. Ich bin kein Experte und es ist vielleicht auch nicht die beste Idee, Dinge auf Englisch zu beschreiben ... aber versuchen wir es.

Korrigiert mich, wenn ich falsch liege!

Vergleichen Sie Elektrizität mit einem Wassertank oben – der Quelle – und einem Wassertank unten – der Senke. Im oberen Tank befindet sich Wasser, das durch ein Rohr in den unteren Tank fließen möchte. Das ist deine Batterie. Das Laden der Batterie bedeutet, Wasser aus dem unteren Tank in den oberen Tank zu füllen. Ein leerer oberer Tank ist eine leere Batterie.
Stellen Sie sich vor, es gibt ein Rohr von oben nach unten - den Draht.
Das Wasser will durch das Rohr fließen – die Batterie will im Kabel Strom erzeugen.
Ein Ventil in der Leitung wird mit einem Schalter verglichen.
Das Öffnen eines Ventils nur zur Hälfte kann als Widerstand verstanden werden. Es begrenzt den Wasserfluss.
Ein Wasserrad ist gleichzeitig Verbraucher und Widerstand. Es begrenzt auch den Wasserdurchfluss. Wird das Ventil zusätzlich dazu verwendet, einen Widerstand zu erzeugen, kann die Drehgeschwindigkeit des Rades gesteuert werden.
Der Wasserdruck zwischen den beiden Tanks ist die Spannung. Ein höher platzierter Tank hat einen höheren Druck im Vergleich zum unteren Tank.
Die Wassermenge, die in 1 Sekunde durch die Rohre fließt, ist die Strömung. Achten Sie hier auf die Uhrzeit!
Wasserdruck, Widerstand und fließende Wassermenge hängen voneinander ab. Das ist das Ohmsche Gesetz. Ein breites Rohr mit nichts anderem dazwischen lässt Wasser unkontrolliert stark fließen - ein Kurzschluss. Tanks und Rohre können beschädigt werden.

Mit diesem Modell können Sie die Dinge vielleicht besser verstehen. Zum Beispiel, dass Wasser, das nicht durch das Rad fließt, nirgendwo anders hinfließt. Es wartet im Tank auf seinen späteren Einsatz.

Die bisherigen Antworten konzentrieren sich auf die spezifischen Beispiele in der Frage, die alle recht begrenzt sind. Ich glaube, das eigentliche Missverständnis rührt von einer größeren Vertrautheit mit digitaler Logik her als mit herkömmlichen analogen Schaltungen (was zu diesen begrenzten Beispielen führt).

Vereinfacht gesagt kann eine digitale Schaltung (z. B. eine MPU) nur mit „harten“ Ein-/Aus-Schaltelementen aufgebaut werden. Integrierte Schaltungen werden so aufgebaut, um den Stromverbrauch zu verbessern.

Widerstände sind immer dann wichtig, wenn eine Schaltung analog wird (oder real , wie manche Leute es ausdrücken würden). Wenn die Größe Ihres Signals wichtig ist, sind höchstwahrscheinlich Widerstände beteiligt.

• Eine klassische Operationsverstärkerschaltung (es sei denn, die Verstärkung beträgt -1) beruht auf dem Verhältnis der Widerstände.
• A/D- und D/A-Wandler verwenden wahrscheinlich Widerstände.
• Die Standardzustandssteuerung (Pull-up / Pull-down) verwendet Widerstände.
• Einfache Zeitschaltungen verwenden ein RC-Netzwerk. Sie können dies in einer Reset-Verzögerungsschaltung sehen.
• Batterieladung, Spannungs- und Stromregelung verwenden Widerstände, wie in der Frage identifiziert - in verschiedenen Arten von Rückkopplungs- und Stabilisierungsfunktionen.

Die analogen Aspekte vieler moderner Schaltkreise sind verdeckt oder in vorgefertigten Modulen enthalten. Das Aufkommen des digitalen Designs hat die Möglichkeiten reduziert, die einfachen analogen Konzepte zu verstehen.

TL; DR für den speziellen Fall einer LED (wie gefragt):

Jede Last, die an eine DC-Konstantspannungsversorgung (z. B. eine Batterie) angeschlossen ist, die effektiv kein Widerstand irgendeiner Art ist, kann entweder keine Energie aus der Batterie ziehen oder es liegt ein Kurzschluss vor.

Einige elektrische Lasten verhalten sich von Natur aus wie Widerstände (und sie SIND Widerstände, sehen nur nicht wie die Elektronikkomponente aus), z. B. Glühbirnen, Heizgeräte, Öfen. Diese regulieren, wenn sie richtig ausgelegt sind, ihren Stromverbrauch selbst, wenn sie von einer Konstantspannungsquelle (Batterie, Netz, die meisten Netzteile) gespeist werden.

Einige (wie Motoren, Transformatoren), obwohl sie keine Widerstände sind, verhalten sich äquivalent zu einem, wenn sie an eine Wechselstromquelle mit konstanter Spannung angeschlossen sind .

Andere Lasten (wie LEDs, blanke Leuchtstoffröhren) verhalten sich selbst nicht wie Widerstände und sind nicht in der Lage, ihren eigenen Stromverbrauch zu regulieren, wenn sie von Konstantspannungsquellen gespeist werden . Die ideale Stromversorgung für diese Lasten ist eine Konstantstromquelle , und die zusätzlichen Komponenten, die um sie herum benötigt werden, sorgen dafür, dass sich Ihre Konstantspannungsversorgung ausreichend wie eine Konstantstromversorgung verhält.

Hoffentlich geben die bereits geposteten Antworten etwas Klarheit, aber wenn ich es nicht übersehen habe, wurde eine Frage nicht ganz beantwortet: "Warum geht eine Batterie in einen Kurzschluss, wenn Sie die Klemmen direkt verbinden, aber wenn Sie eine Glühbirne hinzufügen ( Widerstand), nicht?"

Tatsächlich, wenn es kalt ist (dh nicht angezündet), ist eine Glühlampe fast ein toter Kurzschluss; Sein Widerstand ist sehr gering - aber er hat im Allgemeinen viel mehr als die daran angeschlossenen Drähte. So können wir die Situation als sehr niederwertigen Widerstand in einer ansonsten widerstandslosen Schaltung annähern. Deshalb fällt beim ersten Anschließen der Batterie ihre gesamte Potentialdifferenz (Spannung) über den kleinen Widerstand der Lampe ab, wodurch ein hoher Strom entsteht (Ohmsches Gesetz am Werk). Wenn wir eine weitgehend stabile Spannung bei hohem Strom über einer Komponente haben, wird sie viel Strom verbrauchen(P = IV) und so wird es sich erwärmen (nebenbei erfährt die Batterie die gleiche Potentialdifferenz und genau den gleichen Strom, so dass sie sich auch erwärmt - aber es ist ein großes, schweres Objekt, während die Lampe ein winziger aufgerollter Splitter ist aus Wolframdraht, wodurch sich dieser viel, viel mehr erhitzt).

Die Sache mit der Lampe ist jedoch, dass ihr Widerstand temperaturabhängig ist. Normalerweise ist das kein Phänomen, das sich sehr zeigt, weil die Temperaturbereiche, mit denen wir normalerweise zu tun haben, klein sind, aber ein Lampenfaden wird 3000 K aufwärts erreichen, und im Fall von Wolfram steigt der Widerstand mit der Temperatur. Sobald sich die Temperatur des Filaments nach dem Anschließen der Batterie stabilisiert hat – ebenso wie sein Leuchten und sein Widerstand – wirkt es wie ein ziemlich kräftiger Widerstand. Tatsächlich können Sie dies selbst messen: Verwenden Sie die Widerstandseinstellung eines DMM, messen Sie den Widerstand an den Anschlüssen der Lampe (das DMM verwendet dafür eine sehr niedrige Spannung und wird die Lampe nicht einmal annähernd zum Leuchten bringen) und verwenden Sie dann das DMM dazu Messen Sie sowohl die Spannung über als auch den Strom durch die Lampe, wenn sie an eine Batterie angeschlossen ist. Verwenden Sie dann das Ohmsche Gesetz mit diesen beiden Zahlen (V / I = R) und Sie erhalten eine viel höhere Widerstandszahl als bei nicht leuchtender Lampe. Tatsächlich ist der Widerstand der unbeleuchteten Lampe so niedrig, dass die Qualität des Kontakts zwischen den Sonden Ihres DMM und den Anschlüssen der Lampe eine Rolle spielt und Sie möglicherweise Schwierigkeiten haben, einen stabilen Messwert zu erhalten.

Wie jemand anderes sagte, schmilzt das Kurzschließen einer kleinen Batterie nicht sofort den Draht, mit dem Sie es tun, da die Batterie einen ziemlich kleinen effektiven Innenwiderstand hat. Sie können messen, was das ist, indem Sie zuerst V- und I-Werte mit einem kleinen Widerstand (z. B. 25 Ohm für eine 9-V-Batterie) und dann den V-Wert ohne Belastung der Batterie messen. Sie werden feststellen, dass die Spannung, die Sie mit dem vorhandenen Widerstand messen, etwas geringer ist als die Leerlaufspannung, die das DMM selbst liest. Diese Spannungsdifferenz dividiert durch den Strom, den Sie bei angeschlossenem Widerstand ablesen, ist der effektive Innenwiderstand der Batterie.

Zunächst einmal müssen Sie manchmal Elemente vor hohen Strömen schützen. Wenn Sie beispielsweise eine Diode an eine 9-Volt-Batterie anschließen, wird sie durch den Strom zerstört, wenn sie richtig angeschlossen ist (A an +, C an -). Um dies zu vermeiden, schließen wir einen 600-Ohm-Widerstand an, um einen Teil der Spannung an seinen Enden zu nehmen, sodass die kleinere Spannung (+- 3,3 Volt für eine LED) an den Enden der LED erscheint.

Zweitens können wir das Netzteil nicht immer auswählen. Man kann sagen "naja, es gibt IC-Wandler und Transformatoren" Ja, aber das ist einfach nicht praktikabel, da sie mehr kosten und schwieriger zu bedienen sind (ganz zu schweigen vom Unterschied zwischen idealen und realen Transformatoren und ihrem Gewicht). Außerdem haben wir dynamische Widerstände (Widerstände, die ihren Widerstand ändern - sorry, wenn das nicht der Begriff ist, ich bin Russe und erst im 1. Jahr der Highschool in Elektronik), die viel praktischer sind, da Sie die Anzahl der Drahtrollen auf einem Transformator nicht ändern können.

Nach der Art dieser Frage zu urteilen, schätze ich, dass Sie gerade in die Elektronik einsteigen, sodass Sie sich nicht viele Gedanken darüber machen müssen, was was tut. Lernen Sie einfach die Wände - vor allem Kirchoffs - und Sie werden verstehen, wie Strom funktioniert und wie Spannung funktioniert. Der Rest wird folgen. Andere Dinge, auf die Sie sich konzentrieren sollten, sind das Verständnis der Elemente. Zuerst kommen die Wände, dann die Elemente ... Wenn Sie Ihre Theorie gelernt haben, werden Sie in der Lage sein, mit LSICs zu arbeiten und sich die Hände schmutzig zu machen. Oder Sie können anfangen, mit einem Arduino oder so etwas zu arbeiten. Ich habe das OSOYO und es ist erstaunlich. (Dieser Beitrag ist nicht von Arduino gebrandet)

BEACHTEN SIE AUCH DAS:

Strom ist gleich Spannung über Widerstand.

Es kann hilfreich sein, Einheiten und Bewertungen in den Griff zu bekommen:

• mAh - Milliamperestunde. Ein Maß für die elektrische Ladung. An sich sagt es nicht viel aus. Als Leistungswert einer Batterie wird sie in Kombination mit der Nennspannung der Batterie als Maß für die Energie, die die Batterie speichern kann, aussagekräftig. Eine Milliamperestunde ist die Ladungsmenge, die durch einen Strom von einem Milliampere dargestellt wird, der eine Stunde lang fließt.
• A - Ampere (oder Ampere). Ein Maß für den elektrischen Strom - die Geschwindigkeit des Ladungsflusses.
• V - Spannung. Dies ist ein Maß für das Potenzial. Auch hier handelt es sich nicht um eine vollständige Spezifikation für eine Batterie, aber um eine wichtige. Eine ideale Batterie hält eine bestimmte Spannung aufrecht und liefert so viel oder so wenig Strom an einen Stromkreis, wie erforderlich ist, um diese Spannung an seinen Anschlüssen aufrechtzuerhalten. Eine echte Batterie hat einen Innenwiderstand, also eine "Leerlaufspannung" (ohne Last); Die Spannung fällt mit zunehmender Last (sie muss mehr Strom in einen Stromkreis einspeisen). Wenn die meisten echten Batterien erschöpft sind, sinkt auch die Spannung; Die Beziehung zwischen Ladezustand und Leerlaufspannung hängt von der Konstruktion und Chemie der Batterie ab. „Kurzschluss“-Strom ist die Strommenge, die eine Batterie liefert, wenn sie nur durch ihren Innenwiderstand begrenzt wird.
• W - Watt. Dies ist ein Maß für die Leistung (Energierate, die über einen bestimmten Zeitraum geliefert wird). Watt kann mechanische oder elektrische Leistung messen; In jedem Fall ist es eine Geschwindigkeit, mit der die Arbeit erledigt wird. In elektrischer Hinsicht ist Leistung ein Produkt aus Spannung und Strom (Volt x Ampere).
• kWh - Kilowattstunde. Dies ist ein Maß für Energie. Eine Kilowattstunde entspricht 1000 Watt Leistung, die für eine Stunde geliefert wird, oder 1 Watt Leistung, die für 1000 Stunden geliefert wird, 10 Watt für 100 Stunden usw. (Watt x Stunden).
• Ohm- Widerstand. Ein idealer Widerstand weist eine proportionale Beziehung zwischen dem durch ihn fließenden Strom und der an seinen Anschlüssen angelegten Spannung auf; Verdoppeln Sie die Spannung und Sie verdoppeln den Strom (oder umgekehrt). Diese Beziehung kann auf zwei Arten wirken: Wenn Sie eine bestimmte Spannung an einen Widerstand anlegen, fließt eine definierte Strommenge; Wenn Sie einen bestimmten Strom durch einen Widerstand zwingen, entsteht ein definierter Spannungsabfall. In jedem Fall stellt der Wert des Widerstands eine feste Beziehung zwischen der Spannung an seinen Anschlüssen und dem Strom durch ihn her. Wenn Sie eine Schaltung analysieren, können Sie dies verwenden, um nach einem der drei Werte (Strom, Spannung, Widerstand) zu lösen, wenn Sie die anderen beiden kennen. Ohm = Volt/Ampere oder Ampere = Volt/Ohm oder Volt = Ampere x Ohm. Echte Widerstände haben eine zusätzliche Nennleistung: Watt – das ist die Leistung, die der Widerstand abgeben kann, ohne sich selbst zu zerstören. Wenn Sie ein Volt an einen 1-Ohm-Widerstand anlegen, fließt 1 Ampere Strom durch ihn und es wird 1 Watt Leistung als Wärme abgeführt. Wenn Sie die Spannung verdoppeln, verdoppeln Sie den Strom, aber jetzt wird dieser 1-Ohm-Widerstand 2 V x 2 A = 4 W Leistung als Wärme abführen. Wenn es nicht dafür ausgelegt ist oder das physikalische Design die Ableitung dieser Wärme nicht zulässt, wird es überhitzen, durchbrennen und möglicherweise ein Feuer auslösen. aber jetzt wird dieser 1-Ohm-Widerstand 2 V x 2 A = 4 W Leistung als Wärme abführen. Wenn es nicht dafür ausgelegt ist oder das physikalische Design die Ableitung dieser Wärme nicht zulässt, wird es überhitzen, durchbrennen und möglicherweise ein Feuer auslösen. aber jetzt wird dieser 1-Ohm-Widerstand 2 V x 2 A = 4 W Leistung als Wärme abführen. Wenn es nicht dafür ausgelegt ist oder das physikalische Design die Ableitung dieser Wärme nicht zulässt, wird es überhitzen, durchbrennen und möglicherweise ein Feuer auslösen.

Wenn Sie Schaltungen analysieren, werden Sie "Bekannte" und "Unbekannte" haben. Beispielsweise kennen Sie möglicherweise die Spannung einer Batterie und den Widerstand der Last, die sie versorgt. Ausgehend davon können Sie den Strom berechnen, den die Schaltung ziehen wird. In einer komplexen Schaltung haben Sie möglicherweise zahlreiche Widerstandswerte und Geräte wie LEDs oder Transistoren, die bestimmte Eigenschaften haben:

• Dioden haben charakteristische Durchlassspannungen - sie halten über einen weiten Strombereich ungefähr die gleiche Spannung. Eine echte Diode hat eine charakteristische nichtlineare Kurve, die den Durchlassstrom mit der Durchlassspannung in Beziehung setzt; Über ihrem normalen Betriebsbereich hat die Kurve eine so flache Steigung, dass sie für die meisten Zwecke als flach angesehen wird (konstante Spannung). Um zu verstehen, warum dies geschieht, müssen Sie sich über Halbleiterdioden informieren
• Sperrschichttransistoren haben eine charakteristische Basis-Emitter-Spannung - wie eine Diodendurchlassspannung ist auch die Basis-Emitter-Spannung über einen weiten Strombereich nahezu konstant; es hat auch eine nichtlineare Kurve in Bezug auf Spannung und Strom und sieht der einer Diode sehr ähnlich. Um diese Eigenschaften zu verstehen, müssen Sie sich erneut über Transistoren informieren .

Sie können diese Eigenschaften verwenden, um eine Schaltung durchzuarbeiten, um Ströme durch Pfade zu berechnen, bei denen Sie Spannungen kennen, Spannungen an Knoten, bei denen Sie Ströme durch bestimmte Pfade kennen, und äquivalente Widerstände, bei denen Widerstände miteinander verbunden sind. Dies ist wichtig, da Ströme und Spannungen den Stromverbrauch (oder die Verlustleistung) bestimmen, der Ihnen sagt, ob eine Schaltung überhaupt funktioniert, welche Nennwerte von Komponenten ausgewählt werden müssen und wie viel Strom geliefert werden muss.

Nun ... warum brauchen wir einen Widerstand in Reihe mit unserer LED?

Nehmen wir an, wir haben eine 5-V-Stromversorgung und eine LED, deren Spezifikationen 3,2 V und 20 mA betragen. Dies bedeutet, dass die LED mit einer Durchlassspannung von 3,2 V arbeitet und mit etwa 20 mA Strom betrieben werden sollte. Weniger und es gibt nicht so viel Licht ab wie angegeben, mehr und es wird heller, wird wärmer und hat möglicherweise eine kürzere Lebensdauer.

Wenn wir die LED ohne Widerstand anschließen, versucht das Netzteil, so viel Strom wie möglich zu treiben, um die 5 V aufrechtzuerhalten. Die LED wird eine große Menge Strom durchlassen, bevor die Spannung an ihren Anschlüssen 5 V erreicht. Aller Wahrscheinlichkeit nach erreicht die Stromversorgung ihre Stromgrenze und lässt die Spannung abfallen, aber an diesem Punkt fließt zu viel Strom durch die LED und sie wird einen hellen Blitz abgeben und in einer Rauchwolke aufsteigen.

Also ... wir wollen den LED-Strom auf etwa 20 mA begrenzen, während die Spannung am Netzteil 5 V bleibt und die Spannung an der LED 3,2 V beträgt. Wir brauchen einen Widerstand in Reihe, der etwa 20 mA (0,02 A) Strom bei 1,8 V (1,8 + 3,2 = 5) durchlässt. Wir berechnen also 1,8 V/0,02 A = 90 Ohm. Wir könnten dafür einen Standardwiderstand von 82 Ohm wählen. 1,8 V/82 Ohm = 21,9 mA. Etwas über den Spezifikationen, aber eine Marge von 10 % sollte kein Problem sein. Bedenken Sie, dass bei realen Geräten nicht von genau definierten Eigenschaften ausgegangen werden kann; Der Widerstand kann etwas mehr oder etwas weniger als angegeben sein und die LED kann bei einer Spannung arbeiten, die etwas höher oder etwas niedriger als angegeben ist. Wir entwerfen für einen Nennfall, da wir wissen, dass die tatsächliche Leistung unserer Schaltung etwas anders sein kann.

Also... was haben wir hier getan? Wir haben einen Widerstand verwendet, um einzustellen, was in unserer Schaltung vor sich geht, damit wir die verfügbare Stromversorgung verwenden und die LED innerhalb ihrer Spezifikationen betreiben können.

Was können wir noch mit einem Widerstand machen?

Widerstände werden häufig verwendet, um Spannungen anzupassen oder Stromflüsse zu begrenzen. Beispiel: Sie haben eine 5-V-Stromversorgung und benötigen eine 3-V-Referenz. Wählen Sie zwei Widerstände aus unserem Teilebehälter aus: einen 330 Ohm und einen 220 Ohm, und verbinden Sie sie in Reihe: den 220 zwischen dem 5-V-Draht und unserem Referenzausgang und den 330 zwischen dem Referenzausgang und 0 V. Durch diese Widerstände fließt ein konstanter Strom von 5 V / 550 Ohm = ~ 10 mA, aber an unserem Referenzanschluss sehen wir eine Spannung von 3 V. Diese Art von Dingen wird häufig verwendet, um Schaltungen wie Verstärker zu entwerfen, bei denen wir eine bestimmte Spannung, einen Bruchteil einer anderen Spannung usw. herstellen müssen.

Wir können Widerstände verwenden, um Zeitkonstanten zu definieren. Wenn Sie einen Widerstand und einen Kondensator in Reihe schalten, fließt zunächst Strom in den Kondensator; Dieser Anfangsstrom wird durch die Schaltungsspannung und den Widerstandswert bestimmt. Aber der Kondensator lädt sich auf; Beim Laden erzeugt es eine Spannung an seinen Anschlüssen. Dadurch wird die Spannung an den Anschlüssen des Widerstands verringert und der Strom durch ihn verringert. Dies verringert die Rate, mit der sich der Kondensator auflädt, verringert die Rate, mit der seine Spannung ansteigt, und so weiter und so weiter. Schließlich erreicht der Kondensator die Schaltungsspannung, die Spannung über und der Strom durch den Widerstand sind Null. Die Widerstands- und Kapazitätswerte bestimmen die Zeit, die der Kondensator benötigt, um sich auf einen bestimmten Bruchteil der Schaltungsspannung aufzuladen; die Menge bekannt alsZeitkonstante ist die Zeit, die die Kondensatorspannung benötigt, um sich auf etwa 63 % der Schaltungsspannung aufzuladen. Dies wird verwendet, um Schaltungen wie Oszillatoren und Filter zu entwerfen.

Widerstände existieren und werden verwendet, um virtuelle „Unendlichkeiten“ zu begrenzen. In dem Sinne, dass ohne einen Widerstand ein Bauteil durchbrennen oder eine Sicherung durchbrennen würde oder eine Schaltung einfach nicht wie erwartet funktionieren würde.

Weniger extreme Beispiele wären das Vorspannen einer Schaltung auf eine bestimmte Spannung in Kombination mit anderen Widerständen oder Zenerdioden. Sie begrenzen auch den Einschaltstrom zu Netzteilen und verlängern so die Lebensdauer des Netzschalters.

Aufgrund des Spannungsabfalls über einem Widerstand, durch den Strom fließt, sind sie hervorragende und genaue Stromsensoren.

Noch exotischere Gründe wären, parasitäre Schwingungen oder reflektierte Wellen in HF-Übertragungsleitungen zu stoppen. MOSFETs haben normalerweise einen Widerstand an ihrem Gate, um ein Überschwingen und Überschwingen am Drain aufgrund scharfer ansteigender/abfallender Flanken zu verhindern.

In Kombination mit Kondensatoren erzeugen sie eine „Zeitkonstante“ zur Verwendung als Filter oder Verzögerung. Dies kann zur Frequenzabstimmung dienen oder, wenn es robuster ist, als Ripple-Filter in Netzteilen fungieren.

Zu sagen, dass sie „Unendlichkeiten“ begrenzen, klingt irgendwie abgedroschen, aber ohne sie gäbe es keine Technologie. Sogar das Modell 'T' von Ford hatte große Widerstandsbänke, um den richtigen Ladestrom für die Batterie auszuwählen. Es war nicht die Präzisionsladung, die wir heute haben, aber eine „Just-get-by“-Lösung war damals gut genug.

Es hört sich so an, als ob Sie den Stromfluss und seine Beziehung zur Spannung nicht vollständig verstehen. Wenn Sie diese Beziehung verstehen, können Sie alle Ihre Fragen leicht beantworten.

Elektronen wollen sich so schnell wie möglich von einem Ort mit hoher Spannung zu einem Ort mit niedriger Spannung bewegen, beispielsweise von einem Ende der Batterie zum anderen. Wenn die beiden Enden der Batterie direkt per Draht miteinander verbunden sind, springen die Elektronen alle unglaublich schnell zum Niederspannungsende, weil nichts sie bremst.

Der Widerstand verlangsamt, wie schnell sich die Elektronen durch den Stromkreis bewegen können. Ohne den Widerstand brennt die Batterie sofort durch.