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

Ich hatte schon immer ein Grundverständnis für Elektronik. Ich fange jetzt an, ein bisschen mehr zu lernen, indem ich ein Arduino als Testplattform benutze, und ich habe eine Frage zu Widerständen, die ich scheinbar nicht durch Forschung lösen kann.

Warum benutzen wir sie? Ich verstehe, dass sie den Strom begrenzen. (Im Falle einer LED würde zu viel Strom sie aufheizen und verbrennen.) Aber wie wird dies gemessen / berechnet / gewählt? Ich frage nicht speziell nach einem LED-Anwendungsfall oder nach der Verwendung einer LED. Ich versuche zu verstehen, "warum" Widerstände auf physikalischer Ebene benötigt werden.

1. Was passiert mit dem nicht genutzten Reststrom (wegen des Widerstands)?
2. Verwendet die LED dann den gesamten im Stromkreis verfügbaren Strom? Wenn nicht, wohin geht der Rest? (Zurück zur Stromquelle recycelt?)
3. Warum "fällt" eine LED um einen bestimmten Betrag ab? Und was passiert mit den restlichen Komponenten in Serie? Fällt die Spannung für jede Komponente ab, bis nichts mehr übrig ist? Dies wäre sinnvoll, aber eine LED hat keinen Innenwiderstand (so wird es erklärt). Warum sinkt die Spannung?
4. Ich habe kürzlich ein Video gesehen, in dem der Typ, der die Widerstände erklärt, eine Skizze mit 12 V → Widerstand → LED --- 0 V zeichnete (Wählen Sie Ihren Widerstand so aus, dass er "den gesamten Strom / die gesamte Spannung verbraucht", bevor er erreicht wird das Ende der Schaltung? YouTube-Video
5. Warum wird eine Batterie kurzgeschlossen, wenn Sie die Klemmen direkt anschließen, aber wenn Sie eine Glühbirne (Widerstand) hinzufügen, ist dies nicht der Fall?
6. Ich habe stundenlang nachgeforscht, und ich verstehe, was ein Widerstand tut, aber ich verstehe nicht, warum er benötigt wird (um eine Batterie nicht zu entladen? ... Bedeutet dies, dass er die gesamte Energie "frisst", die zuvor verbraucht wurde kehrt zur Anode zurück?)
7. Warum funktionieren verschiedene Glühbirnen mit der gleichen Batterie (unterschiedlicher Widerstand, aber kein Kurzschluss?)

Ich weiß, dass diese Fragen weit gefasst sind, und ich suche nicht speziell nach Antworten auf jede einzelne Frage . Ich erwähne diese mehrfachen Fragen oben, um zu zeigen, dass ich das Konzept, warum eine Schaltung Widerstand benötigt, nicht genau verstehe . Dies wäre die zu beantwortende Frage.

Ihr Verständnis, 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 leitend der Stromkreis ist. Wenn ein Stromkreis einen hohen Widerstand hat, ist er weniger leitend und es fließt weniger Strom / Leistung.

Also, setzen Sie diese beiden zusammen und betrachten Sie Ihre Fragen ...

1.Was passiert mit dem nicht genutzten Reststrom (wegen des Widerstands)?

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

2. Nutzt die LED dann den gesamten im Stromkreis verfügbaren Strom? Wenn nicht, wohin geht der Rest? (Zurück zur Stromquelle recycelt?)

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

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

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

4.Ich habe kürzlich ein Video gesehen, in dem der Typ, der die Widerstände erklärt, eine Skizze mit 12 V -> Widerstand -> LED --- 0 V zeichnete (Wählen Sie Ihren Widerstand so aus, dass "der gesamte Strom / die gesamte Spannung verbraucht wird" bevor es ans ende der schaltung geht? Youtube Video

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

Denken Sie daran, dass die Spannung lediglich ein Maß für das Potenzial ist, mit dem Elektronen zwischen zwei Punkten fließen können. Es wird immer zwischen zwei Punkten gemessen, und ein Wert von 0 Volt gibt an, dass zwischen denselben beiden Punkten kein Strom vorhanden wäre.

5.Warum wird eine Batterie kurzgeschlossen, wenn Sie die Klemmen direkt anschließen, aber wenn Sie eine Glühbirne (Widerstand) hinzufügen, ist dies nicht der Fall?

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

6.Ich habe stundenlang nachgeforscht und verstehe, was ein Widerstand tut, aber ich verstehe nicht, warum er benötigt wird (um eine Batterie nicht zu entladen? .. Heißt das, er "frisst" die gesamte Leistung vorher es kehrt zur Anode zurück?)

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

7. Warum funktionieren verschiedene Glühbirnen mit der gleichen 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 Kirchoffschen Spannungsgesetz vertraut machen .

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BEARBEITEN: Hinzufügen einer Kommentarfrage, da diese alleine nützlich ist und möglicherweise migriert wird.

Habe ich das Folgende richtig angegeben: "Wenn ich eine LED direkt auf eine 600-mAH-Stromquelle stecke," verbraucht "sie alles, was verfügbar ist (600 mAH). Kalibriere ich dann, damit der Widerstand genug Strom widersteht, um die zu speisen LED nur was es braucht?

Eine 600-mAh-Stromquelle bedeutet hier weniger. mAh ist ein Maß dafür, wie viel Ladung und effektive Gesamtleistung ein Akku in einem bestimmten Zeitraum liefert. Wenn Ihre Schaltung 1mA dauert, hält die Batterie 600 Stunden. Wenn Ihre Schaltung 1A dauert, dauert die Batterie nur 36 Minuten. Notieren Sie die Einheiten ... mA * Stunden.

Ein größerer Akku mit der gleichen Technologie und Spannung hat mehr mAh.

Wie viel Leistung es zu einem bestimmten Zeitpunkt liefern kann, hängt vom Abschlusswiderstand der Batterie ab und davon, wie schnell die Chemie in der Batterie reagieren kann. Ein 3,7 V-Li-Ion-Akku mit 600 mAh liefert viel mehr Rohleistung als ein 1,5 V-Alkali-Akku mit 600 mAh. Macht und Energie ist nicht dasselbe. Letztendlich bestimmt jedoch die Last, der Stromkreis, wie viel und wie schnell die Batterie abgesaugt wird, vorausgesetzt, sie zieht nicht zu schnell, an welchem ​​Punkt die Batteriespannung abfällt.

Sie müssen an eine Batterie wie den Gastank in Ihrem Auto denken. Wie schnell das Benzin sinkt, hängt davon ab, wie stark und schnell Sie fahren. 600mAh gibt nur an, wie groß der "Gastank" ist. Das Gas muss über eine Leitung und die Einspritzdüsen vom Tank zum Motor geleitet werden. Wenn Sie zu viel Benzin benötigen, schaffen Sie es nicht schnell genug, und der Motor hat keinen Benzinmangel.

Hier finden Sie eine physikalische Einführung in die EE-Konzepte, die Sie verstehen möchten.

Ihre Fragen werden unten beantwortet.

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Alles ergibt sich aus dem Fluss der "Ladung"

Die Elektronik ist, wie das Wurzelwort Elektron besagt, eine Untersuchung des Elektronenflusses in einem bestimmten System.

Elektronen sind die grundlegenden "Ladungsträger" in einer typischen Schaltung; Das heißt, sie sind, wie Ladung in den meisten Schaltungen "bewegt" wird.

Wir verabschieden eine Signaturkonvention, die besagt, dass Elektronen eine "negative" Ladung haben. Darüber hinaus stellt ein Elektron die kleinste Ladungseinheit auf atomarer (klassischer Physik) Skala dar. Dies wird "Elementarladung" genannt und liegt bei Coulombs.$-1.602{\times}{10}^{-19}$

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

Protonen können sich jedoch nicht so leicht bewegen, da sie typischerweise durch die starke Kernkraft an Neutronen innerhalb der Atomkerne gebunden sind. Die Entfernung von Protonen aus Atomkernen (übrigens die Grundlage der Kernspaltungstechnologie) benötigt weitaus mehr Energie als die Entfernung von Elektronen.

Andererseits können wir Elektronen ziemlich leicht von ihren Atomen entfernen. Tatsächlich basieren Solarzellen vollständig auf dem photoelektrischen Effekt (eine der wichtigsten Entdeckungen von Einstein), da "Photonen" (Lichtteilchen) "Elektronen" von ihren Atomen entfernen.

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Elektrische Felder

Alle Ladungen üben ein elektrisches Feld "auf unbestimmte Zeit" in den Weltraum aus. Dies 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 auf das Elektron (Richtung) mit einer dem Coulombschen Gesetz entsprechenden Größe 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 stellen die Feldlinien die Richtung und Größe dar, die eine positive Testladung erfahren würde.

Eine negative Ladung würde eine Kraft gleicher Stärke in entgegengesetzter Richtung erfahren .

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

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Überlagerung: Inkasso

Wenn Sie alle von allen Ladungen in einer Region auf einen bestimmten Punkt individuell ausgeübten elektrischen Felder zusammenfassen, erhalten Sie das gesamte elektrische Feld an diesem Punkt, das von allen Ladungen ausgeübt wird.

Dies folgt demselben Prinzip der Überlagerung, das zur Lösung von Kinematikproblemen mit mehreren auf ein einzelnes Objekt einwirkenden Kräften verwendet wird.

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Positive Ladung ist die Abwesenheit von Elektronen; negative Ladung ist der Überschuss an Elektronen

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

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

Nochmals: Für Schaltkreise bewegen sich Elektronen , Protonen nicht.

Eine "virtuelle" positive Ladung kann jedoch durch das Fehlen von Elektronen in einem Bereich einer Schaltung erzeugt werden, da dieser Bereich mehr Nettoprotonen als Elektronen aufweist .

Erinnern wir uns an das Valenzelektronenmodell von Dalton, bei dem Protonen und Neutronen einen kleinen Kern einnehmen, der von umlaufenden Elektronen umgeben ist.

Die Elektronen, die in der äußersten "Valenz" -Schale am weitesten vom Kern entfernt sind, ziehen den Kern nach dem Coulombschen Gesetz am schwächsten an, was darauf hinweist, dass die elektrische Feldstärke umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ist.

Durch Akkumulieren von Ladung, z. B. auf einer Platte oder einem anderen Material (z. B. durch kräftiges Aneinanderreiben wie in guten alten Tagen), können wir ein elektrisches Feld erzeugen. Wenn wir Elektronen in dieses Feld setzen, bewegen sich die Elektronen makroskopisch in eine Richtung, die den elektrischen Feldlinien entgegengesetzt ist.

Anmerkung: Wie die Quantenmechanik und die Brownsche Bewegung beschreiben, 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.

Auf diese Weise 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 und die Größe der Kraft die auf eine positive ausgeübt wird:$\lvert \vec E\rvert$

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

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

Sagte im Gegenteil, wie , : wie man unendlich weit weg vom Ursprung eines elektrischen Feldes erhalten, neigt die Feldstärke auf Null.$r \to \infty$$\lvert \vec E\rvert \to 0$

Betrachten wir nun die Analogie eines Planeten. Wenn die kumulative Gesamtmasse des Planeten zunimmt, nimmt auch seine Schwerkraft zu. Die Überlagerung der Anziehungskräfte aller in der Masse des Planeten enthaltenen Materie erzeugt eine Anziehungskraft.

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

Recall von Kinematik , dass Gravitationspotential ist die Menge an Potential ein Objekt hat seinen Grund Entfernung vom Planeten Gravitationszentrum . Das Gravitationszentrum des Planeten kann als Punktgravitationsquelle behandelt werden.

In ähnlicher Weise definieren wir das elektrische Potential als die Menge an Energie, die benötigt wird, um eine positive Testladung von unendlich weit weg zu einem bestimmten Punkt zu bewegen .$q$

Im Fall des Gravitationspotentials nehmen wir an, dass das Gravitationsfeld unendlich weit vom Planeten entfernt Null ist.

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

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

Das führt zu:

• Negative Ladungen gewinnen elektrisches Potential , wenn sie in der Richtung des elektrischen Feldes zu bewegen und weg von einer positiven Ladungsquelle.$\vec E$
• Negative Ladungen verlieren elektrische Potential bei der Bewegung entgegengesetzt der Richtung des elektrischen Feldes und in Richtung einer positiven Ladungsquelle.$\vec E$
• Im Gegensatz dazu positive Ladungen verlieren elektrisches Potential , wenn sie in der Richtung des elektrischen Feldes zu bewegen und weg von einer positiven Ladungsquelle.$\vec E$
• Positive Ladungen gewinnen elektrisches Potential , wenn sie in die Richtung bewegt , entgegengesetzt das elektrische Feld und in Richtung einer positive Ladungsquelle.$\vec E$

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Elektrisches Potential in Leitern

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

Wenn wir ein elektrisches Feld an diese "losen" Elektronen anlegen, neigen sie im makroskopischen Mittel dazu, sich im Laufe der Zeit in eine bestimmte Richtung zu bewegen.

Denken Sie daran, dass Elektronen in die dem elektrischen Feld entgegengesetzte Richtung wandern .

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

Die Ladung an einem beliebigen Punkt des Drahtes kann anhand des Abstands von der Ausgangsladung und bekannter Eigenschaften des im Draht verwendeten Materials berechnet werden.

Positive Ladung aufgrund der Abwesenheit von Elektronen tritt weiter entfernt von der positiven Quellenladung auf, während sich negative Ladung aufgrund des Sammelns und Überschusses von Elektronen näher an der Quellenladung bildet.

Aufgrund des elektrischen Feldes tritt eine "Potentialdifferenz" zwischen zwei Punkten auf dem Leiter auf. So erzeugt ein elektrisches Feld Spannung in einem Stromkreis.

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

Schließlich wird die Ladungsverteilung entlang der Länge des Drahtes ein "Gleichgewicht" mit dem elektrischen Feld erreichen. Dies bedeutet nicht, dass die Ladung aufhört, sich zu bewegen (denken Sie an die Brownsche Bewegung). nur, dass die "Netto-" oder "durchschnittliche" Ladungsbewegung gegen Null geht.

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Nicht ideale Batterien

Bilden wir eine galvanische oder voltaische Zellenstromquelle .

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 seinen Ionenbestandteilen und löst .$\text{NH}_{4}^{+}$$\text{NO}_{3}^{-}$

Nützliche Terminologie:

• Kation : ein positiv geladenes Ion
• Anion : ein negativ geladenes Ion
• Kathode : Die Kationen reichern sich an der Kathode an
• Anode : Die Anionen reichern sich an der Anode an

Nützliche mnemonic: " ein Ion" ist " ein Ion" ist " AN egative ion"

Wenn wir die Reaktion für die galvanische Zink-Kupfer-Zelle oben 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 der Kationen und ist der Fluss der positiven Ladung in Form von Ionen. Diese Bewegung geht in Richtung der Kathode .$\text{Zn}^{2+}$$\text{Cu}^{2+}$

Anmerkung: Früher haben wir gesagt, dass positive Ladung die "Abwesenheit" von Elektronen ist. Kationen (positive Ionen) sind positiv, da das Abziehen von Elektronen aufgrund der Protonen im Kern zu einer positiven Netto-Atomladung führt. Diese Kationen sind in der Lösung der galvanischen Zelle mobil, aber wie Sie sehen, wandern die Ionen nicht durch die leitende Brücke, die die beiden Seiten der Zelle verbindet . Das heißt, nur Elektronen bewegen sich durch den Leiter .

Ausgehend von der Tatsache, dass sich positive Kationen in Richtung der Kathode bewegen und ansammeln, bezeichnen wir sie als negativ (positive Ladungen werden von negativ angezogen).

Umgekehrt bezeichnen wir Elektronen als positiv (negative Ladungen werden von positiv angezogen), da sie sich auf die Anode zubewegen und an dieser akkumulieren.

Erinnerst du dich, wie du erfahren hast, dass Strom von nach fließt ? Dies liegt daran, dass herkömmlicher Strom dem Fluss der positiven Ladung und der Kationen folgt, nicht der negativen Ladung.$\textbf{+}$$\textbf{-}$

Dies liegt daran, dass Strom als der Fluss einer virtuellen positiven Ladung durch eine Querschnittsfläche definiert ist . Elektronen fließen gemäß Konvention immer entgegengesetzt zum Strom.

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

Dies liegt daran, dass die Ionenansammlung an der Anode und der Kathode verhindert, dass die Reaktion weiter abläuft.

Andererseits wird eine "ideale" Energiequelle niemals die elektrische Feldstärke verlieren.

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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 Pfad, der aus Pappwänden besteht. Nehmen wir an, Sie rollen einen Tennisball mit Pappwänden über diesen Weg. Der Tennisball folgt dem Weg.

In Schaltkreisen bildet der Leiter den Pfad.

Angenommen, Sie haben eine Rolltreppe am Fuße des Hügels. Wie eine Rube Goldberg-Maschine nimmt die Rolltreppe Tennisbälle auf, die Sie den Weg hinunter rollen, und lässt sie dann am Anfang des Pfades oben auf dem Hügel fallen.

Die Rolltreppe ist Ihre ideale Energiequelle.

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

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

Ein Tennisball, der über die Rolltreppe getragen wird, stößt gegen einen anderen Ball, der gegen einen anderen Ball stößt, der ... immer weiter geht.

Die Tennisbälle, die den Weg auf dem Hügel hinuntergehen, gewinnen aufgrund des möglichen Unterschieds in der Schwerkraft Energie. Sie prallen aufeinander, bis schließlich eine weitere Kugel auf die Rolltreppe geladen wird.

Nennen wir die Tennisbälle unsere Elektronen. Wenn wir dem Elektronenfluss den Hügel hinunter folgen, durch unseren gefälschten Papp- "Stromkreis", und dann die magische Rolltreppe hinauf "Stromquelle", bemerken wir etwas:

Die "Lücken" zwischen den Tennisbällen bewegen sich in genau entgegengesetzter Richtung zu den Tennisbällen (bergauf und die Rolltreppe hinunter) und sie bewegen sich viel schneller. Die Bälle bewegen sich natürlich von einem hohen Potential zu einem niedrigen Potential, jedoch mit einer relativ langsamen Geschwindigkeit. Dann werden sie mit der Rolltreppe wieder auf ein hohes Potential gebracht.

Der Boden 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 effektiv der Pluspol einer Batterie oder die Anode in einer galvanischen Zelle. Der Pluspol hat ein höheres elektrisches Potential.

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Aktuell

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

Was ist aktuell?

Per Definition ist es: die Ladungsmenge, die eine Querschnittsfläche pro Sekunde durchläuft (Einheiten: Coulomb pro Sekunde). Sie ist direkt proportional zur Querschnittsfläche des Drahtes / leitenden Materials und zur Stromdichte. Die Stromdichte ist die Ladungsmenge, die durch eine Flächeneinheit fließt (Einheiten: Coulomb pro Quadratmeter).

Hier ist eine andere Art, 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 Kugeln bewegen (oder wie viel kinetische Energie sie haben, wenn sie gegen eine Wand stoßen), ist die "Spannung".

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Ladungs- und Spannungserhaltung

Dies ist ein Grundprinzip.

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

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

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

Spannungsquellen erzeugen KEINE Ladung. Sie erzeugen elektrisches Potential.

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Strom fließt in und aus Knoten, Widerstand

Nehmen wir das Prinzip der Ladungserhaltung. Eine ähnliche Analogie kann auf den Wasserfluss angewendet werden.

Wenn wir ein Flusssystem auf einem Berg haben, der sich verzweigt, entspricht jeder Zweig einem elektrischen "Knoten".

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

-> downhill

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

Die Wassermenge, die über einen bestimmten Zweig fließt, hängt jedoch davon ab, wie viel "Widerstand" dieser Zweig leistet.

Wenn zum Beispiel Zweig A extrem schmal ist, Zweig B extrem breit ist und beide Zweige die gleiche Tiefe haben, hat Zweig B natürlich die größere Querschnittsfläche.

Dies bedeutet, dass Zweig B weniger Widerstand leistet und ein größeres Wasservolumen 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 Rest des Stroms nicht verwendet?

Aufgrund des Erhaltungsprinzips muss die gesamte Ladung in einen Knoten abfließen. Es gibt keinen "unbenutzten" Strom, da kein Strom verwendet wird . In einer einzelnen Reihenschaltung ändert sich der Strom nicht.

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

2. Verbraucht die LED den gesamten Strom?

Technisch gesehen "verbrauchen" die LED und die Widerstände keinen Strom, da der Strom nicht abfällt (die Ladungsmenge, die in einer Zeiteinheit durch die LED oder die Widerstände fließt). Dies liegt an der Erhaltung der Ladung, die an eine Reihenschaltung angelegt wird: Es gibt keinen Ladungsverlust in der gesamten Schaltung, daher kein Stromabfall.

Die Menge an Strom (Ladung) wird durch das Verhalten der LED und Widerstand (s) bestimmt , wie durch ihre beschriebene IV - Kurven

3. Warum senkt die LED die Spannung um einen bestimmten Betrag?

Hier ist eine grundlegende LED-Schaltung .

Eine LED hat eine Aktivierungsspannung von normalerweise 1,8 bis 3,3 V. Wenn Sie die Aktivierungsspannung nicht einhalten, fließt praktisch kein Strom. Beziehen Sie sich auf die nachstehend verlinkten LED iv-Kurven.

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

LEDs sind eigentlich PN-Übergänge (p-dotiertes und n-dotiertes Silizium werden zusammengedrückt). Basierend auf den Fermi-Niveaus des dotierten Siliziums (das von den Elektronenbandlücken des dotierten Materials abhängt) benötigen die Elektronen eine sehr spezifische 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 ein niedrigeres Niveau zurückspringen.

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

Auch deshalb wirkt LED-Beleuchtung so "künstlich": Natürliches Licht enthält einen relativ homogenen Mix aus einem breiten Frequenzspektrum; LEDs senden Kombinationen sehr spezifischer Lichtfrequenzen aus.

Die Energieniveaus erklären auch, warum der Spannungsabfall über einer LED (oder anderen Dioden) effektiv "fest" ist, selbst wenn mehr Strom durch sie fließt. Untersuchen Sie die iv-Kurve für eine LED oder eine andere Diode: Jenseits der Aktivierungsspannung erhöht sich der Strom um ein Vielfaches, um die Spannung leicht zu erhöhen. 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 ein bestimmtes Nenn-Milliampere basierend auf der LED-Spezifikation zu begrenzen.

3 (b). Und was passiert mit den restlichen Komponenten in Serie? 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 des Stromkreises erreicht?

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

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

5. Warum wird eine Batterie kurzgeschlossen, wenn Sie die Klemmen direkt anschließen, aber wenn Sie eine Glühbirne (Widerstand) hinzufügen, ist dies nicht der Fall?

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

Das Verbinden der Pole einer Batterie miteinander führt zu einer starken Entladung des Stroms bei der Batteriespannung. Diese Spannung wird durch den Innenwiderstand der Batterie und den Leiterdraht in Form von Wärme abgeleitet - denn selbst Leiter haben einen gewissen Widerstand.

Aus diesem Grund werden kurzgeschlossene Batterien sehr heiß. Diese Hitze kann sich nachteilig auf die Zusammensetzung einer chemischen Zelle auswirken, bis sie explodiert.

6. Warum sind Widerstände notwendig?

Hier ist die Rhetorik: Stellen Sie sich vor, es gibt dieses erstaunliche Konzert. Alle deine Lieblingsbands werden da sein. Es wird eine großartige Zeit.

Nehmen wir an, die Veranstalter haben keine Vorstellung von der Realität. Das Eintrittsgeld für dieses großartige Konzert ist also nahezu kostenlos. Sie stellten es in einen extrem zugänglichen Bereich. Tatsächlich sind sie so durcheinander, dass es ihnen egal ist, ob sie zu viel verkaufen, und es gibt nicht genug Sitzplätze für alle, die Tickets kaufen.

Oh, und das ist in NYC.

Ziemlich schnell wird dieses erstaunliche Konzert zu einer totalen Katastrophe. Die Leute sitzen aufeinander und verschütten überall Bier. Kämpfe brechen aus, die Toiletten sind verstopft, die Groupies flippen aus, und man hört kaum die Musik, vor allem die Aufregung.

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

In diesem blöden Beispiel bedeutet "Widerstand" "Eintrittskosten". Nach einfachen wirtschaftlichen Grundsätzen wird durch eine Erhöhung der Konzertkosten die Anzahl der Teilnehmer verringert.

In ähnlicher Weise verhindert das Erhöhen des Widerstands in einem Stromkreis, dass Ladung (und anschließend Strom) durchfließt. Dies bedeutet, dass Ihre LED (Konzert) nicht von allen Leuten (Ladung) komplett zerstört wird.

Ja, Elektrotechnik ist eine echte Party.

Was ist der schnellste Weg, um die 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 sich aus "beweglicher Elektrizität" zusammensetzen. Sie leiten keinen Strom, stattdessen enthalten sie Strom, und ihr Strom kann sich mitbewegen. Hüten Sie sich vor der weit verbreiteten falschen Definition von Leitern:

FALSCH: Leiter sind stromdurchlässig wie leere Wasserleitungen? Nee.

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

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

Der Pfad für den Strom 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 beigesteuert. Stromversorgungen sind nur Strompumpen. Der Pfad für den Strom verläuft durch das Netzteil und wieder heraus. Eine Stromversorgung ist nur ein weiterer Teil des geschlossenen Regelkreises.

Elektrische Ströme fließen ziemlich langsam. Wenn wir aber wie Räder und Antriebsriemen auf einen Teil des Rades drücken, bewegt sich das gesamte Rad als Einheit. Wir können einen Gummi-Antriebsriemen verwenden, um sofort mechanische Energie zu übertragen. Wir können einen geschlossenen Stromkreis verwenden, um elektrische Energie sofort auf einen beliebigen Teil des Stromkreises zu übertragen. Die Schleife selbst bewegt sich jedoch nicht mit Lichtgeschwindigkeit! Die Schleife selbst bewegt sich langsam. Bei Wechselstromsystemen bewegt sich die Schleife vor und zurück, während sich die Energie kontinuierlich vorwärts bewegt. Großer Tipp: Je schneller die Elektronen, desto höher die Ampere. Null Ampere? Dann kommen die Elektronen der Drähte zum Stillstand. Ein weiterer Hinweis: Elektrische Energie sind Wellen, und Elektronen sind das "Medium", auf dem sich die Wellen fortbewegen. Das Medium bewegt sich vor und zurück, während sich die Welle schnell vorwärts ausbreitet. Oder das Medium ruckelt langsam zurück, während sich die Welle extrem schnell vorwärts bewegt. (Mit anderen Worten, es gibt keine einzige "Elektrizität", da sich in Kreisläufen immer zwei verschiedene Dinge bewegten: die langsamen Kreisströme der Elektronen und die schnelle Ausbreitung elektromagnetischer Energie in eine Richtung. Sie bewegen sich in Kreisläufen 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 nicht korrodierten Metallen wie Lithium, Zink, Blei usw. Aber wie können Batterien dann funktionieren? Einfach: Eine Batterie ist eine chemisch angetriebene Ladungspumpe. Wenn ihre Metallplatten korrodieren, wird chemische Energie freigesetzt und sie pumpen Elektrizität durch sich selbst. Der Pfad für Strom ist durchdie Batterie und wieder raus. (Pumpen werden nicht zum Speichern des zu pumpenden Materials verwendet!) Und die Batteriekapazität ist nur die Menge des darin enthaltenen chemischen Kraftstoffs. Eine bestimmte Kraftstoffmenge kann eine bestimmte Gesamtelektronenmenge pumpen, bevor der Kraftstoff verbraucht ist. (Es ist ein bisschen so, als würde man den Gastank in Kilometern anstatt in Gallonen bewerten. In den Gastanks werden keine Meilen gespeichert, und in den Batterien wird kein Strom gespeichert!) Wiederaufladbare Batterien? Dann werden sie zwangsweise rückwärts gefahren, sodass 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, wenn neue Elektronen in ein Ende des Filaments eintreten, während gleichzeitig andere Elektronen das ferne 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 keinen Gummi, sondern erwärmt sich nur reibschlüssig, und Glühbirnen verbrauchen keine Elektronen, sie "reiben" nur an den sich bewegenden Elektronen und erwärmen sich reibschlüssig.) Widerstände sind also nur Reibungselemente. Der Weg für Elektronen ist durch, und keine Elektronen werden verbraucht oder gehen verloren. Es ist zu beachten, dass je schneller die Elektronen sind, desto höher die Ampere und desto größer die Erwärmung. "Niedriger" Strom ist nur langsamer Strom.

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

1. Es gibt keinen "Rest" des Stroms. Strom wird so oft wie nötig verbraucht. Wenn Sie ein Kabel zwischen + (VCC) und - (GND) anschließen, kommt es zu einem Kurzschluss. Sehen Sie, es gibt keine Bremse dafür, 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, brennt die LED (früher oder später).

3. Ich weiß nicht, warum es abfällt, wahrscheinlich verursacht der interne Mechanismus der LED die Verwendung einer Spannung. Dies bedeutet, dass der Rest weniger Spannung übrig hat. Und ja, es geht weiter, bis nichts mehr übrig ist. Dies kann dazu führen, dass weitere LEDs entweder überhaupt nicht leuchten oder unregelmäßig blinken oder gedimmt sind.

4. Eigentlich solltest du es aufgrund der Helligkeit deiner LED berechnen. Ein höherer Widerstand lässt die LED daher weniger hell werden.

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, so dass es nicht zu einem Kurzschluss kommt. Wenn Sie zu viel Spannung verwenden, wird es brechen.

Lesen Sie mehr über das Elektrizitätswassermodell. Es vergleicht den Strom mit dem herumfließenden Wasser und kann dabei 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, einige Dinge zu verstehen.
laptop2d hat recht, eine erklärung ist besser als "go look for that". Aber es ist ziemlich langwierig, das Ganze hier zu erklären, wenn andere Sites das schon richtig gemacht haben. Ich bin kein Experte und es ist vielleicht auch nicht die beste Idee, Dinge auf Englisch zu beschreiben ... aber lasst es uns versuchen.

Korrigiere mich, wenn ich falsch liege!

Vergleichen Sie Elektrizität mit einem Wassertank über der Quelle und einem Wassertank unter der Spüle. Im oberen Tank befindet sich Wasser, das durch ein Rohr in den unteren Tank laufen möchte. Das ist deine Batterie. Das Laden der Batterie bedeutet, dass Wasser aus dem unteren Tank in den oberen Tank gefüllt wird. 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 das Rohr hinunterfließen - die Batterie will im Draht elektrischen 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 ein Verbraucher und auch ein Widerstand. Es begrenzt auch den Wasserfluss. Wenn das Ventil zusätzlich zur Erzeugung von Widerstand verwendet wird, kann die Drehzahl des Rads gesteuert werden.
Der Wasserdruck zwischen den beiden Tanks ist die Spannung. Ein höher platzierter Tank hat einen höheren Druck als der Bodentank.
Die Wassermenge, die in 1 Sekunde durch die Rohre fließt, ist der Strom. Achte auf die Zeit hier!
Wasserdruck, Widerstand und Wassermenge hängen voneinander ab. Das ist das Ohmsche Gesetz. Ein breites Rohr mit nichts anderem dazwischen lässt das Wasser unkontrolliert schwer fließen - ein Kurzschluss. Behälter und Rohr können beschädigt werden.

Mit diesem Modell können Sie die Dinge vielleicht besser verstehen. Zum Beispiel, dass das Wasser, das nicht durch das Rad fließt, nirgendwo anders hingeht. Es wartet im Tank, um später verwendet zu werden.

Die bisherigen Antworten konzentrieren sich auf die spezifischen Beispiele in der Frage, die alle einen relativ begrenzten Umfang haben. Ich glaube, das wirkliche Missverständnis beruht auf einer größeren Vertrautheit mit digitaler Logik als mit herkömmlichen analogen Schaltungen (was zu diesen begrenzten Beispielen führt).

Vereinfacht gesagt kann eine digitale Schaltung (wie eine MPU) mit nur "harten" Ein / Aus-Schaltelementen aufgebaut werden. Integrierte Schaltkreise sind so aufgebaut, um den Stromverbrauch zu verbessern.

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

• Eine klassische Operationsverstärkerschaltung (es sei denn, die Verstärkung ist -1) beruht auf dem Verhältnis der Widerstände.
• A / D- und D / A-Wandler verwenden wahrscheinlich Widerstände.
• Standardmäßige Statuskontrolle (Pull-Up / Pull-Down) verwendet Widerstände.
• Einfache Zeitschaltkreise verwenden ein RC-Netzwerk. Dies wird möglicherweise in einer Rücksetzverzögerungsschaltung angezeigt.
• Die Regulierung von Batterieladung, Spannung und Strom verwendet Widerstände, wie in der Frage angegeben - in verschiedenen Arten von Feedback- und Stabilisierungsfunktionen.

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

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

Jede Last, die an eine Gleichstrom-Konstantspannungsversorgung (z. B. eine Batterie) angeschlossen ist, bei der es sich nicht um einen Widerstand handelt, kann entweder keine Energie aus der Batterie beziehen oder es liegt ein Kurzschluss vor.

Einige elektrische Lasten verhalten sich von Natur aus wie Widerstände (und sie SIND Widerstände, die nur nicht wie die Elektronikkomponente aussehen), z. B. Glühbirnen, Raumheizgeräte, Öfen. Diese regeln bei korrekter Auslegung ihren Stromverbrauch selbst, wenn sie von einer Konstantspannungsquelle (Batterie, Netz, die meisten Netzteile) gespeist werden .

Einige (wie Motoren, Transformatoren), während nicht - Widerstände werden, verhalten sich äquivalent zu einem , wenn mit einer konstanten Spannung verbunden AC - Quelle.

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

Hoffentlich geben die bereits geposteten Antworten einige Klarstellungen, aber wenn ich sie nicht verpasst habe, gab es eine Frage, die nicht ganz geklärt wurde: "Warum geht eine Batterie kaputt, wenn Sie die Terminals direkt anschließen, aber wenn Sie eine Glühbirne hinzufügen ( Widerstand), nicht wahr? "

Eigentlich , wenn es kalt ist (dh leuchtet nicht), eine Glühlampe sehr nahe ist ein toter kurz; Sein Widerstand ist sehr gering - aber im Allgemeinen hat er viel mehr als die daran angeschlossenen Drähte. So können wir die Situation als sehr niederwertigen Widerstand in einer ansonsten widerstandslosen Schaltung betrachten. Aus diesem Grund fällt beim erstmaligen Anschließen der Batterie ihre gesamte Potentialdifferenz (Spannung) über den kleinen Widerstand der Lampe, wodurch ein hoher Strom entsteht (Ohmsches Gesetz bei der Arbeit). Wenn eine Komponente eine weitgehend stabile Spannung mit hohem Strom aufweist, verbraucht sie viel Strom(P = IV) und so wird es sich erwärmen (abgesehen davon erfährt der Akku die gleiche Potentialdifferenz und genau den gleichen Strom, so dass er sich auch erwärmt - aber es ist ein großes schweres Objekt, während die Lampe ein winziges, aufgerolltes Band ist Wolframdraht, damit dieser sich viel, viel mehr erwärmt).

Das Besondere an der Lampe ist jedoch, dass ihr Widerstand temperaturabhängig ist. Normalerweise ist dies kein Phänomen, das sich bemerkbar macht, da die Temperaturbereiche, mit denen wir normalerweise zu tun haben, klein sind. Ein Lampenfaden steigt jedoch auf über 3000 K und im Fall von Wolfram steigt der Widerstand mit der Temperatur. Sobald sich die Filamenttemperatur nach dem Anschließen der Batterie stabilisiert hat, wirkt sie wie ein ziemlich kräftiger Widerstand, ebenso wie das Leuchten und der Widerstand. Tatsächlich können Sie dies selbst messen: Messen Sie mit der Widerstandseinstellung eines DMM den Widerstand zwischen den Lampenanschlüssen (das DMM verwendet hierfür eine sehr niedrige Spannung und kommt nicht einmal an das Aufleuchten der Lampe heran) und verwenden Sie dann das DMM für Messen Sie sowohl die Spannung als auch den Strom durch die Lampe, wenn diese an eine Batterie angeschlossen ist. Wenden Sie dann das Ohmsche Gesetz mit diesen beiden Zahlen an (V / I = R), und Sie erhalten eine viel höhere Widerstandszahl als bei ausgeschalteter Lampe. Tatsächlich ist der Widerstand der nicht beleuchteten Lampe so gering, dass die Qualität des Kontakts zwischen den Sonden Ihres DMM und den Klemmen der Lampe von Bedeutung ist und Sie möglicherweise Schwierigkeiten haben, einen stabilen Messwert zu erhalten.

Wie schon jemand gesagt hat, schmilzt der Kurzschluss einer kleinen Batterie nicht sofort das Kabel, mit dem Sie dies tun, da die Batterie einen relativ kleinen internen effektiven Widerstand hat. Sie können messen, was das ist, indem Sie V- und I-Werte zuerst mit einem kleinen Widerstand messen (z. B. 25 Ohm für eine 9-V-Batterie) und dann den V-Wert ohne Belastung der Batterie. Sie werden feststellen, dass die Spannung, die Sie mit dem vorhandenen Widerstand messen, geringfügig unter der vom DMM selbst gelesenen Leerlaufspannung liegt. Die Spannungsdifferenz geteilt durch den Strom, den Sie bei angeschlossenem Widerstand abgelesen haben, ist der effektive Innenwiderstand der Batterie.

Zuallererst müssen Sie manchmal Elemente vor hohen Strömen schützen. Wenn Sie beispielsweise eine Diode an eine 9-Volt-Batterie anschließen, zerstört der Strom diese, 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 aufzunehmen, sodass die kleinere Spannung (+ - 3,3 Volt für eine LED) an den Enden der LED angezeigt wird.

Zweitens können wir nicht immer das Netzteil wählen. Man kann sagen "Nun, es gibt IC-Wandler und Transformatoren" Ja, aber das ist einfach nicht praktikabel, da sie teurer und schwieriger zu bedienen sind (ganz zu schweigen vom Unterschied zwischen idealen und realen Transformatoren und ihrem Gewicht). Wir haben auch dynamische Widerstände (Widerstände, die ihren Widerstand ändern - tut mir leid, wenn das nicht der Fall ist, ich bin Russe und habe erst das erste Jahr in der Elektronik), die viel praktischer sind, da Sie die Anzahl der Drahtrollen an einem Transformator nicht ändern können.

Nach der Natur dieser Frage zu urteilen, denke ich, dass Sie gerade erst in die Elektronik einsteigen, sodass Sie sich nicht viel Gedanken darüber machen müssen, was was macht. Lernen Sie einfach die Wände - Kirchoffs am wichtigsten und Sie werden verstehen, wie Strom und Spannung funktionieren. Der Rest wird folgen. Andere Dinge, auf die Sie sich konzentrieren sollten, sind das Verstehen der Elemente. Wände kommen an erster Stelle, Elemente an zweiter Stelle ... Wenn Sie Ihre Theorie lernen, können Sie mit LSICs arbeiten und sich die Hände schmutzig machen. Oder Sie können anfangen, mit einem Arduino oder etwas zu arbeiten. Ich habe das OSOYO und es ist unglaublich. (Dieser Beitrag wird nicht von Arduino gebrandmarkt)

ERINNERN SIE SICH AUCH AN DIESES:

Strom ist gleich Spannung über Widerstand.

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

• mAh - Milliampere-Stunde. Ein Maß für die elektrische Ladung. An sich sagt es nicht viel. Als Bewertung für eine Batterie wird sie in Kombination mit der Nennspannung der Batterie als Maß für die Energie, die die Batterie speichern kann, von Bedeutung. Eine Milliampere-Stunde ist die Ladungsmenge, die durch einen eine Stunde lang fließenden Milliampere-Strom dargestellt wird.
• A - Amp (oder Ampere). Ein Maß für den elektrischen Strom - Ladungsfluss.
• V - Spannung. Dies ist ein Maß für das Potenzial. Auch hier ist es keine vollständige Spezifikation für eine Batterie, aber es ist eine wichtige. Eine ideale Batterie hält eine bestimmte Spannung aufrecht und versorgt einen Stromkreis mit so viel oder so wenig Strom, wie erforderlich ist, um diese Spannung an den Anschlüssen aufrechtzuerhalten. Eine echte Batterie hat einen Innenwiderstand, so dass sie eine Leerlaufspannung (keine Last) hat. Die Spannung sinkt mit zunehmender Last (es muss mehr Strom in einen Stromkreis eingespeist werden). Da die meisten echten Batterien leer werden, sinkt auch die Spannung. Die Beziehung zwischen Ladezustand und Leerlaufspannung hängt vom Design und der Chemie der Batterie ab. "Kurzschlussstrom" ist die Strommenge, die eine Batterie liefert, wenn sie nur durch ihren Innenwiderstand begrenzt ist.
• W - Watt. Dies ist ein Maß für die Leistung (über einen bestimmten Zeitraum abgegebene Energie). 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 einer Leistung von 1000 Watt für eine Stunde oder 1 Watt für 1000 Stunden, 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 seine Anschlüsse angelegten Spannung auf. Verdoppeln Sie die Spannung und verdoppeln Sie den Strom (oder umgekehrt). Diese Beziehung kann auf zwei Arten betrachtet werden: Wenn Sie eine bestimmte Spannung an einen Widerstand anlegen, wird eine definierte Strommenge durchgelassen. Wenn Sie eine bestimmte Strommenge durch einen Widerstand drücken, wird ein definierter Spannungsabfall erzeugt. In beiden Fällen stellt der Widerstandswert eine feste Beziehung zwischen der Spannung an den Anschlüssen und dem Strom durch die Anschlüsse her. Wenn Sie einen Stromkreis analysieren, können Sie damit nach einem der drei Werte (Strom, Spannung, Widerstand) suchen, wenn Sie die beiden anderen kennen. Ohm = Volt / Ampere oder Ampere = Volt / Ohm oder Volt = Ampere x Ohm. Echte Widerstände haben eine zusätzliche Bewertung: Leistung - dies ist die Menge an 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 den Widerstand und es wird 1 Watt Leistung als Wärme abgegeben. Wenn Sie die Spannung verdoppeln, verdoppeln Sie den Strom. Jetzt leitet dieser 1-Ohm-Widerstand 2 V x 2 A = 4 W Leistung als Wärme ab. Wenn dies nicht bewertet wurde oder das physikalische Design die Wärmeabfuhr nicht zulässt, wird es überhitzt, brennt aus und kann möglicherweise ein Feuer auslösen. Jetzt wird dieser 1 Ohm Widerstand 2V x 2A = 4W Leistung als Wärme abgeben. Wenn dies nicht bewertet wurde oder das physikalische Design die Wärmeabfuhr nicht zulässt, wird es überhitzt, brennt aus und kann möglicherweise ein Feuer auslösen. Jetzt wird dieser 1 Ohm Widerstand 2V x 2A = 4W Leistung als Wärme abgeben. Wenn dies nicht bewertet wurde oder das physikalische Design die Wärmeabfuhr nicht zulässt, wird es überhitzt, brennt aus und kann möglicherweise ein Feuer auslösen.

Wenn Sie Schaltkreise analysieren, werden Sie "Bekannte" und "Unbekannte" haben. Beispielsweise können Sie die Spannung einer Batterie und den Widerstand der von ihr versorgten Last kennen. Vorausgesetzt, Sie können 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 aufrecht. Eine echte Diode hat eine charakteristische nichtlineare Kurve, die den Durchlassstrom mit der Durchlassspannung in Beziehung setzt. Über den normalen Betriebsbereich hat die Kurve eine so geringe Steigung, dass sie für die meisten Zwecke als flach (konstante Spannung) angesehen wird. 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, die Spannung und Strom in Beziehung setzt, und sieht der einer Diode sehr ähnlich. Um diese Eigenschaften zu verstehen, müssen Sie wieder die Transistoren nachlesen .

Mithilfe dieser Eigenschaften können Sie eine Schaltung durcharbeiten, um Ströme auf Pfaden zu berechnen, auf denen Sie Spannungen kennen, Spannungen an Knoten, auf denen Sie Ströme auf bestimmten Pfaden kennen, und äquivalente Widerstände, auf denen Widerstände miteinander verbunden sind. Dies ist wichtig, da Ströme und Spannungen den Stromverbrauch (oder die Verlustleistung) bestimmen, der angibt, ob ein Stromkreis überhaupt funktioniert, welche Nennwerte von Komponenten ausgewählt werden müssen und wie viel Strom zugeführt werden muss.

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

Angenommen, wir haben ein 5-V-Netzteil und eine LED, für die die technischen Daten 3,2 V und 20 mA betragen. Dies bedeutet, dass die LED bei einer Durchlassspannung von 3,2 V betrieben wird und mit etwa 20 mA Strom betrieben werden sollte. weniger und es gibt nicht so viel Licht ab wie spezifiziert, mehr und es wird heller, läuft 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 lässt eine große Strommenge durch, bevor die Spannung an ihren Anschlüssen 5 V erreicht. Es ist sehr wahrscheinlich, dass das Netzteil seine Strombegrenzung erreicht und die Spannung abfällt. Zu diesem Zeitpunkt fließt jedoch zu viel Strom durch die LED, und es wird ein heller Blitz abgegeben, der in einer Rauchwolke aufsteigt.

Also ... wollen wir den LED-Strom auf ungefähr 20 mA begrenzen, während die Spannung an der Stromversorgung 5 V und die Spannung an der LED 3,2 V beträgt. Wir benötigen einen Widerstand in Reihe, der bei 1,8 V (1,8 + 3,2 = 5) etwa 20 mA (0,02 A) Strom durchlässt. Wir berechnen also 1,8 V / 0,02 A = 90 Ohm. Wir könnten dafür einen Standardwiderstand von 82 Ohm auswählen. 1,8 V / 82 Ohm = 21,9 mA. Etwas über der Spezifikation, aber eine Marge von 10% sollte kein Problem sein. Beachten Sie, dass bei realen Geräten keine genau definierten Eigenschaften angenommen werden können. Der Widerstand kann etwas höher oder etwas niedriger sein als spezifiziert und die LED kann bei einer Spannung betrieben werden, die etwas höher oder etwas niedriger als spezifiziert ist. Wir planen für einen Nominalfall, wobei wir wissen, dass die tatsächliche Leistung unserer Schaltung möglicherweise etwas anders ist.

Also ... was haben wir hier gemacht? Wir haben einen Widerstand verwendet, um die Vorgänge in unserer Schaltung anzupassen, damit wir das verfügbare Netzteil verwenden und die LED innerhalb ihrer Spezifikationen betreiben können.

Was können wir noch mit einem Widerstand machen?

Übliche Verwendungen von Widerständen sind das Einstellen von Spannungen oder das Begrenzen von Stromflüssen. Zum 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 schalten Sie sie in Reihe: den 220 zwischen dem 5-V-Kabel 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 wird eine Spannung von 3 V angezeigt. Diese Art von Dingen wird häufig zum Entwerfen von Schaltkreisen wie Verstärkern verwendet, bei denen wir eine bestimmte Spannung, einen Bruchteil einer anderen Spannung usw. festlegen 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 anfängliche Strom wird durch die Stromkreisspannung und den Widerstandswert bestimmt. Der Kondensator wird sich jedoch aufladen. Wenn es aufgeladen wird, erzeugt es eine Spannung an seinen Anschlüssen. Dadurch wird die Spannung an den Klemmen des Widerstands verringert und der Strom durch den Widerstand verringert. Dies verringert die Rate, mit der der Kondensator aufgeladen wird, verringert die Rate, mit der seine Spannung ansteigt, und so weiter und so fort. Schließlich erreicht der Kondensator die Stromkreisspannung, die Spannung über dem Widerstand und der Strom durch den Widerstand ist Null. Die Widerstands- und Kapazitätswerte bestimmen die Zeit, die der Kondensator benötigt, um auf einen bestimmten Bruchteil der Stromkreisspannung aufgeladen zu werden. die Menge bekannt alsDie Zeitkonstante ist die Zeit, die die Kondensatorspannung benötigt, um sich auf etwa 63% der Schaltkreisspannung 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 eine Komponente durchbrennen oder eine Sicherung durchbrennen würde oder eine Schaltung einfach nicht wie erwartet funktionieren würde.

Weniger extreme Beispiele wären, eine Schaltung in Kombination mit anderen Widerständen oder Zenerdioden auf eine bestimmte Spannung vorzuspannen. Sie begrenzen auch den Einschaltstrom für Netzteile und verlängern so die Lebensdauer des Netzschalters.

Aufgrund des Spannungsabfalls an 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 in der Regel einen Widerstand an ihrem Gate, um ein Überschwingen und Überschwingen am Drain aufgrund stark ansteigender / abfallender Flanken zu verhindern.

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

Zu sagen, dass sie "Unendlichkeiten" begrenzen, klingt banal, aber ohne sie hätten wir keine Technologie. Sogar das Modell 'T' Ford hatte große Widerstandsbänke, um den richtigen Ladestrom für die Batterie zu wählen. Es war nicht das Präzisionsladen, das wir heute haben, aber eine "Just-Get-By" -Lösung war damals gut genug.

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

Elektronen möchten sich so schnell wie möglich von einem Ort mit hoher Spannung zu einem Ort mit niedriger Spannung bewegen, z. B. von einem Ende der Batterie zum anderen. Wenn die beiden Enden der Batterie direkt über Kabel miteinander verbunden sind, springen die Elektronen 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 aus.