Wie funktionieren Spannung, Widerstand und Stromstärke? (In Gleichstromkreisen)

Der halbe Punkt bei der Verwendung von Spannung, Strom und Widerstand besteht darin, dass wir uns nicht darum kümmern müssen, woraus die Stromversorgung und der Widerstand bestehen. Unabhängig davon, ob Sie acht 1,5-Volt-AA-Batterien in Reihe oder eine 12-Volt-Autobatterie verwenden, wenn Sie 150 Ohm über die Klemmen anschließen, erhalten Sie etwa 0,08 Ampere. (Die Batterien haben einen gewissen Innenwiderstand, aber er ist sehr klein.)

Es könnte helfen, dies aus physikalischer Sicht zu betrachten. Sie haben ein elektrisches Feld, das elektrische Ladungen herumschiebt und ihnen dabei Energie gibt. Diese Energie geht dann verloren, wenn sich die Ladungen durch ein Medium bewegen. (Genauer gesagt kollidieren bewegte Elektronen mit Atomen.) Die Geschwindigkeit, mit der sich die Ladungen bewegen, hängt sowohl von der Stärke des elektrischen Felds als auch von der Fähigkeit des Mediums ab , die Ladungen ungehindert bewegen zu lassen. Es stellt sich heraus, dass das Medium oft durch einen einzigen Parameter namens Leitfähigkeit beschrieben werden kann . Dies ergibt eine einfache Beziehung, die als Ohmsches Gesetz bekannt ist:

Wo$\vec{E}$ist die elektrische Feldstärke und$\sigma$ist die Leitfähigkeit.$\vec{J}$wird als Stromdichte bezeichnet und repräsentiert die Geschwindigkeit des Ladungsflusses. Dies ist eine mikroskopische Beziehung. Beachten Sie, dass der Strom und das E-Feld Vektorgrößen sind. Physik mit 3D-Vektoren zu betreiben ist eine Menge Arbeit, aber glücklicherweise haben wir eine einfachere Option – die Schaltungstheorie. In der Schaltungstheorie sprechen wir von Spannung (Energie) statt von elektrischer Feldstärke (Kraft). Genau wie in der grundlegenden Mechanik können wir damit komplizierte Situationen auf einfache Weise bewältigen.

Um den Sprung zur Schaltungstheorie zu schaffen, müssen wir auf die Verwendung makroskopischer Variablen umsteigen. Anstatt von der elektrischen Feldstärke an jedem Punkt zu sprechen, sprechen wir von der Energiedifferenz zwischen zwei Punkten. Anstatt von der Leitfähigkeit eines Mediums zu sprechen, sprechen wir von der Leitfähigkeit eines physikalischen Objekts. Anstatt über die Dichte des Ladungsflusses zu sprechen, sprechen wir über den Gesamtstrom durch einen Draht. Jetzt können wir das Ohmsche Gesetz in seiner makroskopischen Form verwenden:

Dabei ist V die Spannung (Energie pro Ladungseinheit), G der Leitwert (gemessen in Ampere/Volt, auch bekannt als Siemens) und I der Strom.

Sie können sich die Spannung als eine Art Druck vorstellen, der Ladung durch einen Stromkreis drückt. Der Leitwert gibt an, wie viel Strom Sie bei einer bestimmten Spannung erhalten. Jetzt denken Sie wahrscheinlich: "Wo zum Teufel kommt die Leitfähigkeit her? Ich habe nach dem Widerstand gefragt!" Nun, der Widerstand ist nur der Kehrwert der Leitfähigkeit:

Widerstand ist bequemer, weil wir normalerweise mehr an Elementen mit niedriger Leitfähigkeit in einem Schaltkreis interessiert sind. Beim Widerstand können wir eine normale Zahl wie 150 Ohm anstelle eines winzigen Bruchteils wie 0,00667 Siemens verwenden. Dies gibt uns die bekannteste Form des Ohmschen Gesetzes:

Nun zurück zu deiner Frage. Der Grund dafür, dass eine Autobatterie und acht AA-Batterien die gleiche Wirkung auf Ihren Stromkreis haben, ist, dass beide ähnliche elektrische Felder erzeugen. Hier ist eine Analogie – einen Wagen über eine raue Oberfläche ziehen. Es braucht eine gewisse Kraft, um den Wagen mit einer bestimmten Geschwindigkeit zum Rollen zu bringen. Es spielt keine Rolle, ob diese Kraft von Ihrer Hand oder einem Automotor kommt – es ist immer noch dieselbe Kraft.

Ja, 12 V an einem 150 Ω-Widerstand lassen 80 mA fließen. Das liegt daran, dass Volt Volt ist, unabhängig davon, wie sie erzeugt werden.

Der Unterschied zwischen den 8 AAs und einer Autobatterie besteht darin, dass die Autobatterie mehr Strom liefern kann , wenn die Last versucht, ihn zu ziehen . Ein 150-Ω-Widerstand versucht immer, 80 mA zu ziehen, wenn 12 V an ihn angelegt werden. Sowohl die AAs als auch die Autobatterie können das, also kein Problem.

Angenommen, Sie hätten stattdessen einen 1-Ω-Widerstand. Das zieht 12 A, wenn Sie 12 V darüber anlegen. Die Autobatterie kann das problemlos, also wird genau das passieren. Die AAs können das nicht, also muss etwas nachgeben. Was dazu führt, ist, dass die AA-Batterien keine 1,5 V pro Zelle mehr abgeben. Die Spannung sinkt, so dass der Strom, den der Widerstand zieht, auf ein Niveau sinkt, das die Batterien aushalten können. In diesem Fall würden die AAs schnell aufgebraucht, sodass die Spannung immer weiter sinkt, wenn die Batterien immer leerer werden.

Ähnliches wird mit Netzteilen passieren. Wenn Sie ein 12-V-12-A-Netzteil haben, kann es die 12 V über den 1-Ω-Widerstand unbegrenzt aufrechterhalten. Wenn Sie nur eine 12-V-5-A-Versorgung haben, können 12 V nicht aufrechterhalten werden. Es wird eine Sicherung durchbrennen, abschalten, in den Strombegrenzungsmodus wechseln oder etwas anderes. Was es nicht tun wird, ist, den Ausgang auf 12 V zu halten. Wenn dies möglich wäre, würde es als 12-A-Versorgung gekennzeichnet und für mehr Geld verkauft.

Im Fall der Strombegrenzung können Sie wieder das Ohmsche Gesetz verwenden, um herauszufinden, wie hoch die Spannung am Widerstand sein wird. Nehmen wir an, die Versorgung hat eine genaue Strombegrenzung von 5 A. Das bedeutet, dass sie 12 V oder 5 A ausgibt, was immer weniger ergibt. Da der 1-Ω-Widerstand 12 A benötigen würde und die Versorgung dies nicht kann, regelt sie stattdessen ihren Ausgang auf 5 A. (5 A)(1 Ω) = 5 V, was die Versorgung bei angeschlossenem Widerstand ausgibt.

Eine bessere Aussage darüber, was Widerstand ist, ist der Widerstand gegen den Fluss des elektrischen Stroms; es stoppt den Stromfluss nicht. Stellen Sie sich vor, durch ein Schwimmbecken aus Honig zu waten, im Gegensatz zu einem aus Wasser. Der Honig bietet mehr Widerstand als das Wasser, sodass Sie sich bei gleicher Anstrengung langsamer durch den Honig bewegen, aber in beiden Fällen können Sie immer noch Fortschritte im Pool machen.

Das Ohmsche Gesetz besagt, dass die Spannung an einem rein ohmschen Bauteil proportional zum durchfließenden Strom ist. Es macht keine Annahmen darüber, was die Quelle ist.

Wie Ignacio Vasquez-Abrams betonte, kann ein 12-V-Akkupack aus 8AA-Batterien möglicherweise keine 12 V über einen sehr kleinen Widerstand aufbauen, da es einen anderen begrenzenden Faktor gibt (z. B. den Innenwiderstand der Batterien).

Wenn die maximale Spannung über 150 Ohm 12 V beträgt, dann ja, beträgt der maximale Strom durch sie 80 mA.

Wenn folglich keine 80 mA geliefert werden können, ist die Spannung am Widerstand proportional kleiner als 12 V, und jede Spannung, die nicht durch den Widerstand abfällt, muss von den anderen Teilen der Schaltung (z. B. dem Innenwiderstand) abfallen die Versorgung).

Die einfache Wasserfluss-Analogie ist am besten für die meisten Anfänger und um eine grundlegende Arbeitsidee zu bekommen, bevor Sie sich mit der Mathematik befassen.

Die Spannung eines Stromkreises kann man sich als Wasserdruck in einem Rohrsystem vorstellen.

Die Stromstärke kann als die Wassermenge angesehen werden, die pro Sekunde fließt (denken Sie an Wassermoleküle, die als Strom fließen).

Widerstand in dieser wässrigen Idee kann mit einem Rohr mit reduziertem Durchmesser in Verbindung gebracht werden. Je kleiner der Durchmesser des Rohrs ist, desto höher ist der Widerstand gegen die Strömung (oder Strom- oder Stromstärke). Ein hoher Strömungswiderstand verringert den Strom und lässt dahinter einen erhöhten Druck (bzw. Spannung) aufbauen.

Die V = IR ist für Ihr Beispiel korrekt: 12 V = 0,08 A x 150 Ohm.

In der grundlegenden verbalen Gleichungsform mit Einheiten von Eins:
1 Volt drückt 1 Ampere Strom durch 1 Ohm.

Die obige Gleichung (Ohmsches Gesetz) kann auf andere Weise umgeschrieben werden, um V, I oder R zu finden, indem man die anderen beiden kennt. Zum Beispiel: V=IR, I=V/R, R=V/A