Warum steigt der Strom nicht an, wenn Batterien parallel geschaltet werden?

Zunächst einmal möchte ich Sie ein wenig davor warnen, Batteriesysteme parallel zu schalten. Dies ist normalerweise keine gute Idee, da die beiden Batterien (oder Batteriesysteme) häufig nicht genau die gleiche Spannung haben. Wenn sie unterschiedlich sind, liefert der mit der größeren Spannung etwas Strom in die Batterie mit der niedrigeren Spannung, und das ist oft keine gute Sache. Es bringt auch Ihr Experiment etwas durcheinander, weil es eine weitere Komplikation hinzufügt.

In diesem Fall sind Sie neugierig und stellen sich vor, dass zwei Batterien parallel mehr Strom liefern können. Es dient also nicht Ihren Zwecken, nur einen in Ihrem Experiment zu verwenden, da dies Ihre Annahmen nicht testet. Also musst du es so machen, wie du es getan hast. Aber ich möchte nur, dass Sie auch erkennen, dass es einen weiteren (für Sie) unbekannten Faktor gibt, den Sie in Ihrem experimentellen Design nicht berücksichtigen. Aber es ist vorerst nicht genug, sich Sorgen zu machen.

Also leg das beiseite...

Lassen Sie mich Ihnen eine neue Idee vorschlagen. Angenommen, die grüne LED, die Sie haben, erfordert genau$1.9\:\text{V}$um "einzuschalten" und dass es auch, Ihnen unbekannt, einen Innenwiderstand von genau hat$50\:\Omega$. Sie können nicht in die LED hineinkommen, um diese Dinge zu sehen. Aber sagen wir als Gedankenexperiment, dass diese spezielle LED so funktioniert.

Nehmen wir außerdem an, dass Ihre Batteriesysteme genau liefern$2.9\:\text{V}$jede. Wenn Sie sie in Reihe schalten, bewerben Sie sich$5.8\:\text{V}$zur Schaltung. Wenn Sie sie parallel stellen, bewerben Sie sich$2.9\:\text{V}$zur Schaltung. Der einzige Unterschied kann hier die Stromkonformität sein (die Fähigkeit, bei Bedarf mehr oder weniger Strom an eine Last zu liefern.)

Ihre Annahme ist, dass, wenn die aktuelle Compliance höher ist, der Strom höher ist. Aber das mag manchmal wahr sein und nicht andere. Lassen Sie uns also vorerst meine obige Idee zur LED verwenden und sehen, wohin uns das führt.

Ihre Serienschaltung beinhaltet auch eine$100\:\Omega$Widerstand. Zusammen mit meinem hypothetischen Inneren$50\:\Omega$Widerstand innerhalb der LED, es gibt einen gesamten Serienwiderstand in der Schaltung von$150\:\Omega$(Nehmen wir einfach an, ich habe jetzt Recht.) Außerdem erfordert die LED selbst (die in der Verpackung, die Sie eigentlich nicht berühren können) auch (subtrahiert)$1.9\:\text{V}$aus der angelegten Spannung, bevor wir den Strom berechnen können. (Sie können sehen, dass die LED in beiden Fällen eingeschaltet ist, also muss dies wahr sein, wenn meine Behauptung richtig ist.)

Sie haben also im Fall der parallelen Batterien$I_\text{parallel}=\frac{2.9\:\text{V}-1.9\:\text{V}}{150\:\Omega}\approx 6.7\:\text{mA}$und im Batterie-in-Reihe-Fall haben Sie$I_\text{series}=\frac{2\cdot 2.9\:\text{V}-1.9\:\text{V}}{150\:\Omega}\approx 26\:\text{mA}$.

Dies scheint Ihre Messungen innerhalb eines angemessen kleinen Fehlers vorherzusagen.

Welche Idee funktioniert hier Ihrer Meinung nach besser? Ihre Meinung zu zwei parallelen Batteriesystemen, die den Strom verdoppeln? Oder mein Vorschlag, wie sich eine LED verhalten kann? Haben Sie noch weitere Ideen, die Sie berücksichtigen möchten? Wie könnten Sie meinen obigen Vorschlag testen oder validieren? Können Sie sich eine andere Möglichkeit vorstellen, Ihre Schaltung zu ändern, die meinen Vorschlag einem anderen Test unterziehen könnte, um zu sehen, ob er immer noch hält? Oder fällt Ihnen eine andere Spannungs- oder Strommessung ein, die Sie testen könnten?

Im Ausgangsfall haben Sie 6 V an Ihrem LED-Schaltkreis angelegt. Im letzteren Fall sind es nur 3V.

Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der Strom durch einen Leiter zwischen zwei Punkten direkt proportional zur Spannung an den beiden Punkten ist.

Bei Reihenschaltung der Batterien summiert sich die Spannung . Je höher die Spannung, desto höher ist der Strom, der von Ihrer Schaltung gezogen wird.

Wenn die Batterien parallel geschaltet werden, bleibt die Spannung gleich . (Die Stromlieferfähigkeit wird zunehmen, aber lassen wir es beiseite).

Es gibt einige kleine Abweichungen, aber ich glaube, dass Sie etwas später lernen werden.

Bitte posten Sie Ihre Zweifel in derselben Frage oder in den Kommentaren und ich werde gerne so viel wie möglich beantworten.

Was Sie entdeckt haben, sind die Spannungs- und Stromgesetze von Kirchhoff und das Ohmsche Gesetz.

Einfach ausgedrückt ergibt sich nach dem aktuellen Kirchhoffschen Gesetz, dass sich bei Reihenschaltung von Spannungsquellen wie Batterien deren Spannungen addieren.

Vergessen wir für einen Moment die LED; wir werden darauf zurückkommen.

Im folgenden Diagramm sieht die Last (der 100-Ohm-Widerstand) 6 V darüber.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

In dieser Schaltung (unten) sagt Ihnen das Kirchhoffsche Spannungsgesetz, dass sich die Spannungen nicht addieren, weil die Spannungsquellen parallel sind. Der von der 100-Ohm-Last gezogene Strom wird jedoch zwischen den beiden aufgeteilt.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Vergessen wir jetzt nicht die LED;

Eine LED (Light Emitting Diode) ist, wie der Name schon sagt, eine „Diode“. Diese Geräte sind in einer kurzen Antwort wie dieser kompliziert zufriedenstellend zu beschreiben, aber für den Zweck dieser Erklärung stellen Sie sich einfach vor, dass sie eine konstante Spannung haben, unabhängig davon, wie hoch der Strom ist, der durch sie fließt. Mit dieser Vereinfachung kann die Spannung über der Diode einfach von der Spannung subtrahiert werden, die durch die Spannungsquellen (Batterien) verursacht wird, die entweder in Reihe (6 V) oder parallel (3 V) geschaltet sind. Die Spannung an einer LED hängt davon ab, um welche LED es sich handelt, liegt aber je nach Farbe typischerweise zwischen 1,8 V und 2,1 V.

Die folgende Schaltung zeigt die Wirkung der LED:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Nun zum Ohmschen Gesetz;

V = R*I

Ich = V/R

R = V/I

Wo

V = Spannung

Ich = Strom

R = Widerstand

Anwendung des Ohmschen Gesetzes;

4 V / 100 Ohm = 40 mA

1 V / 100 Ohm = 10 mA

Ich habe nur typische Werte für dieses Beispiel verwendet, aber Sie können das Ohmsche Gesetz verwenden, um rückwärts zu gehen und die Spannung an der LED zu berechnen, oder Sie können sie messen und andere Werte berechnen. Spaß haben!

Übrigens, es ist toll, dass Sie Ihre eigenen Experimente so machen, aber beim nächsten Mal Batterien nicht so parallel schalten. Sie mögen es nicht ;) (Ich gehe jetzt nicht ins Detail.)

Ich versuche, Elektrizität zu erklären, indem ich sie mit einer Flüssigkeit vergleiche. Spannung oder Druck ist die Ursache für Strom oder Fluss, was die Wirkung ist . Im Allgemeinen erhöht ein zunehmender Druck den Durchfluss. Wenn Sie Batterien in Reihe schalten, erhöhen Sie die Spannung oder den Druck, sodass Sie bei einem einfachen Widerstandskreis, dem Ihrer ähnlich ist , mehr Strom oder Fluss erzeugen. Wenn Batterien parallel geschaltet werden, erhöht man nicht den Druck, sondern gibt den Batterien die Möglichkeit, mehr Strom zu liefern, wenn die Schaltungsbedingungen dies zulassen.

Das eigentliche Arbeitspferd hinter dem Strom ist die Spannung. Je mehr Spannung für einen festen Widerstand, desto mehr Strom. In Ihrem ersten Fall beträgt die Serienäquivalentspannung 3 + 3 = 6 V.

Da im zweiten Fall die Batterien parallel und von gleichem Wert sind, bleibt ihre äquivalente Spannung gleich, dh 3 V

Also mehr Spannung, mehr Strom.

Aber warten Sie, warum lesen wir dann in unseren Lehrbüchern, dass eine parallele Anordnung hilft, den Strom zu erhöhen? Nun, das erhöht nicht wirklich den Strom, aber erhöht die Stromobergrenze, die unsere Batterien liefern können. Das heißt, die Stromlieferfähigkeit des Systems steigt. Der Strom würde immer noch von der Spannung abhängen. Wenn die Spannung jedoch immer höher wird, kann das Reihensystem möglicherweise nicht so viel Strom liefern, wie es das Ohmsche Gesetz vorhersagt. Aber das parallele System kann es liefern. Es wird zwar auch ausfallen, aber bei noch höheren Spannungen.

Alles hat einen gewissen Widerstand.

AA-Batterie ~1 Ohm ~1,5 bis 1,6 V Quelle.
Weiße LED ~ 15 Ohm bei ~3,1 V bei 20 mA, 2,8 V aus.
100 Ohm Widerstand.
Draht ~ x mOhm

Also parallele Bank = 3,1 V (neu) - 2,8 V LED = (geschätzt) 300 mV geteilt durch den Schleifenwiderstand = 116 Ohm wären < 3 mA in der Nähe Ihres Ergebnisses.

Dann, wenn 2 Bänke in Reihe 6,2 V (Vbat) - 2,8 V (Wh. LED-Schwelle) = 3,4 V / 116 Ohm (Schleifenwiderstand) = 29 mA, was aufgrund von Toleranzen bei Schätzungen ebenfalls nahe an Ihrem Messwert liegt.

Nicht ganz so einfach. Wenn Sie zwei Zellen parallel schalten, schalten Sie praktisch die Innenwiderstände der beiden Zellen parallel und verringern so den Gesamtwiderstand im Stromkreis. Selbst wenn die Zellen unterschiedliche Klemmen, Leerlaufspannungen und unterschiedliche Innenwiderstände haben, reduzieren Sie den Gesamtwiderstand des gesamten Stromkreises. Es sollte also mehr Strom fließen. Wenn Sie keinen höheren Stromfluss sehen, ist Ihr Messsystem nicht ausreichend empfindlich. Für die kurze Zeit Ihres Experiments können wir den Temperaturkoeffizienten des Widerstands aller Komponenten in Ihrer Schaltung ignorieren.

Achtung: Entfernen Sie die Batterien aus Ihrem Messaufbau, wenn dieser nicht verwendet wird. Bei zwei der in Ihrem Testaufbau gezeigten Batterien werden wahrscheinlich ätzende Chemikalien in den Batteriehalter gelangen, wenn sie sich vollständig entladen und für längere Zeit dort bleiben.

Sie behaupten, dass der Strom mit der parallelen Batterie nicht ansteigt. Wie sicher sind Sie sich dessen? Was ist, wenn der Stromanstieg sehr gering ist und geringer ist als die Messfähigkeit Ihres Messgeräts?

Hier ist Ihre Aufgabe:

-- Besorgen Sie sich ein genaueres Messgerät, das beste, das Sie ausleihen können

- Messen Sie den Strom nur mit Batterie Nr. 1.

- Messen Sie den Strom nur mit Batterie Nr. 2.

-- Messen Sie den Strom mit beiden Batterien parallel.

Ich sage voraus, dass die dritte Messung größer sein wird als das Minimum der ersten beiden.

In der Einführungselektronik ist es üblich, Batterien als Spannungsquelle zu betrachten. Aber Batterien sind wirklich sehr komplexe Geräte, für die die Spannungsquelle nur eine Annäherung ist. Eine bessere Näherung ist eine Spannungsquelle mit einem niederohmigen Widerstand in Reihe. Sie können den Wert dieses Vorwiderstands tatsächlich abschätzen, indem Sie den Spannungsabfall messen, wenn eine Last an eine Batterie angelegt wird, und die üblichen Regeln für Vorwiderstände und das Ohmsche Gesetz anwenden. Die meiste Elektrotechnik hört damit auf, aber es gibt noch komplexere Modelle für eine Batterie, die ihr Verhalten noch genauer abbilden.

Lerne alles, was du kannst, aber sei immer skeptisch und stelle herausfordernde Fragen, während ich mein Handy auflade.