OHMS LOVARK | | GRUNDLÆGGENDE EL-REGNEARK - REGNEARK - 2019
Ohms lovark
OM Chanting @ 432 Hz (Juni 2019).
Definer følgende udtryk: energi, arbejde og strøm .
Arbejde er anstrengelsen af ​​en kraft over en afstand. Energi er evnen til at udføre arbejde. Effekt er arbejdshastigheden pr. Tidsenhed.
Studerende kan finde en grundlæggende fysik tekst nyttig til at opnå disse definitioner. "Arbejde" er et vanskeligt begreb at præcis definere, især for studerende, der ikke er orienteret om grundlæggende fysik. Teknisk set er det vektor-punktproduktet af kraft og forskydning, hvilket betyder, at arbejde kun svarer til force times afstand, hvis kraft- og afstandsvektorer er nøjagtigt parallelle med hinanden. Med andre ord, hvis jeg bærer en 10 kg masse (løfter op imod tyngdepunktet), mens jeg går parallelt med jorden (ikke går op eller ned), er kraft- og forskydningsvektorerne vinkelret på hinanden, og det arbejde jeg gør i bærende masse er nul . Det er kun, hvis min kraft er rettet netop i samme retning som min bevægelse, at al min indsats er oversat til arbejde.
Spændingen defineres almindeligvis som "elektrisk tryk". Enheden af volt'en kan dog defineres i form af mere grundlæggende fysiske enheder. Hvad er disse enheder, og hvordan relaterer de sig til enheden af ​​volt "# 2"> Reveal answer Skjul svar
1 volt er lig med 1 joule energi overført til 1 coulomb af ladning (6, 25 × 10 18 elektroner):
V = Spænding (volt)
W = Arbejde eller potentiel energi (joules)
Bemærk at jeg bruger bogstavet "V" til at angive spænding i stedet for "E" som jeg plejer at gøre. Dette skyldes, at i almindelig fysik-arbejde står "E" normalt for enten "Energi" eller "Elektrisk felt". Nogle elektroniske referencebøger bruger bogstavet "E" til spænding, mens andre bruger bogstavet "V", eller endda bruger de to bogstaver ombytteligt.
Elektrisk strøm måles i enheden af amperen eller forstærkeren . Hvad er den fysiske definition for denne enhed? Hvilke grundlæggende mængder udgør 1 ampere af elektrisk strøm?
1 ampere elektrisk strøm er frekvensen af ​​elektron bevægelse svarende til 1 coulomb per sekund:
Q = Opkrævning i bevægelse (coulombs)
Det kan være nyttigt på dette tidspunkt at gennemgå antallet af elektroner, der udgør en coulomb af ladning: 6, 25 × 10 18 elektroner.
Teknisk betyder strømens matematiske definition beregning:
Men eleverne på dette stadium er måske ikke klar til at udforske derivater endnu, og så ligningen giver i svaret for (gennemsnit) nuværende er tilstrækkeligt.
For en given mængde vandtryk, som vil flyde en større mængde vand: En lille (restriktiv) dyse eller en stor (ubegrænset) dyse? Forklar, hvordan dette vedrører undersøgelsen af ​​spænding, strøm og modstand i et simpelt elektrisk kredsløb.
Det er klart, at en ubegrænset dyse vil passere en større strømningshastighed af vand gennem det, alle andre faktorer er ens. I et elektrisk kredsløb vil mindre modstand passere en større strømningshastighed for elektroner (strøm) for en given mængde "tryk" (spænding).
Vandstrømmen er ikke en perfekt analogi for elektricitet, men er tæt nok til at være nyttig i den grundlæggende eluddannelse. Vær forberedt på at diskutere vandmanglerne som en analogi med dine elever (dvs. "Hvordan kommer elektroner ikke til at sprænge enden af ​​en åben ledning som vand spildes ud af en åben slange eller et rør" panelpanelets standardpanel " itemscope>
Antag at du skulle bygge dette kredsløb og tage målinger af strøm gennem modstanden og spændingen over modstanden:
Optagelse af disse numeriske værdier i et bord ser resultaterne sådan ud:
Nuværende Spænding
Skriv disse tal på følgende graf:
Hvilket matematisk forhold ser du mellem spænding og strøm i dette simple kredsløb "# 5"> Reveal svar Skjul svar
Dette er et eksempel på en lineær funktion: hvor plottet, der beskriver datasættet, sporer en ret linje på en graf. Fra denne linje og også fra de numeriske tal skal du kunne konstatere et konstant forhold mellem spænding og strøm.
De rå data tal blev gjort bevidst "støjende" i dette problem for at simulere de typer af målefejl i virkeligheden. Et værktøj, der hjælper med at overvinde fortolkningsproblemer som følge af støj som dette, er grafik. Selv med støj til stede, er lineariteten af ​​funktionen helt åbenbaret.
Dine elever skal lære at lave grafer som værktøjer til deres egen forståelse af data. Når relationer mellem tal er repræsenteret i grafisk form, giver det en anden udtryksform til dataene, hvilket hjælper folk til at forstå mønstre lettere end ved at gennemgå rækker og kolonner af tal.
Forklar trin for trin hvordan man beregner mængden af ​​strøm (I), der går gennem modstanden i dette kredsløb:
Motstand nuværende = 0, 02553 ampere eller 25, 53 milliampere (mA).
Bare en simpel Ohms lovberegning her - ingen tricks! Spørgsmålet om dette spørgsmål er dog at få eleverne til at tænke over de trin, de følger med at foretage beregningen. Mange elever ønsker simpelthen at huske procedurer frem for at lære, hvorfor de skal gøre, hvad de skal gøre for at besvare sådanne spørgsmål. Det er din opgave som instruktør at udfordre dem ud over memorisering og gennem forståelse.
Tegn relationerne mellem spænding og strøm for modstande af tre forskellige værdier (1 Ω, 2 Ω og 3 Ω), alt sammen på samme graf:
Hvilket mønster ser du repræsenteret af dine tre grunde "# 7"> Reveal svar Skjul svar
Jo større modstand er, desto brødere er den skrå linje af hældningen.
Avanceret svar: Den rigtige måde at udtrykke derivatet af hver af disse plots er (dv / di). Afledet af en lineær funktion er en konstant, og i hver af disse tre tilfælde er konstanten lig med modstandsbestandigheden i ohm. Så vi kunne sige, at for simple modstandskredsløb er den øjeblikkelige hastighedsændring for en spænding / strømfunktion kredsløbets modstand.
Studerende skal være fortrolig med grafer, og at lave deres egne enkle grafer er en glimrende måde at udvikle denne forståelse på. En grafisk fremstilling af Ohms lovfunktion giver eleverne en anden "visning" af konceptet, så de lettere kan forstå mere avancerede begreber som negativ modstand.
Hvis eleverne har adgang til enten en grafregner eller computersoftware, der er i stand til at tegne 2-dimensionelle grafer, opfordres de til at plotte funktionerne ved hjælp af disse teknologiske ressourcer.
Jeg har fundet det en god vane at "snige" matematiske begreber til fysiske kurser, når det er muligt. For så mange mennesker er matematik et abstrakt og forvirrende emne, som kun kan forstås i forbindelse med virkeligheden. Studierne af elektricitet og elektronik er rige i matematisk sammenhæng, så udnytt det så vidt muligt! Dine elever vil være til stor gavn.
Hvad er værdien af ​​denne modstand i ohm (Ω)?
Modstandsværdi = 2700 Ω, eller 2, 7 kΩ.
Et format af komponentværdier udtryk populært i Europa er at erstatte decimaltegnet med det metriske præfiks, så 2, 7 kΩ ville blive repræsenteret som 2k7 Ω. Ikke kun er denne notation enklere, men den overskrider også de fortolkningsvanskeligheder, der opstår mellem europæere og amerikanere med deres modsatte anvendelser af kommaer og decimaler.
Nogle elever kan ikke indse, at i Europa bruges kommaer som decimaler og visum-versa. Således vil to tusinde syv hundrede blive skrevet som 2.700 i Amerika og 2.700 i Europa. Omvendt vil tallet π blive skrevet som 3, 141593 i Amerika, men 3, 141593 i Europa. Forvirrende "panelpanelets standardpanel til standardpanel"
Et fælles ordsprog om elektricitet er, at det altid tager vejen for mindste modstand. "Forklar, hvordan dette ordsprog vedrører følgende kredsløb, hvor elektrisk strøm fra batteriet møder to alternative veje, hvoraf den ene er mindre modstandsdygtig end den anden:
Motoren 250 Ω vil opleve en strøm på 40 mA, mens 800 Ω modstanden oplever en strøm på 12, 5 mA.
Som instruktør var jeg meget overrasket over at høre mange begynderstuderende hævder at alle nuværende ville gå gennem den mindre modstand og ingen gennem den større modstand! Ordsproget om "tager den mindste modstands vej" burde virkelig forstås som " proportionalt at tage stier af mindre modstand." Folk, der er ny til elforskningen, misforstår ofte sådanne grundlæggende principper, deres fejl er som regel baseret på folks visdom som denne. Det er afgørende at bryde igennem disse myter med hård kendsgerning. I dette tilfælde fungerer Ohms lov som et matematisk værktøj, som vi kan bruge til at fjerne falske ideer.
Selvfølgelig kan et kredsløb, der er så enkelt som dette, let samles og testes i klassen, så alle kan se sandheden for sig selv.
En lyspære, der er meget forskellig fra det "glødeløse" design, der arbejder på princippet om et superopvarmet ledningsfiltament, der udsender lys, kaldes et gasudladningsrør . I dette design af glødelampe produceres lys ved direkte "excitation" af gasmolekyler, idet elektrisk strøm passerer mellem to elektroder:
Begge typer af pærer har interessante spændings- / strøm-plotter, hverken er identisk med spænding / nuværende plot af en modstand. For det første spænding / nuværende plot til en glødelampe:
Dernæst spænding / nuværende plot til en gas-udladning pære:
Baseret på disse to grafer, hvad kan du sige om den elektriske modstand af hver pære type over dens driftsområde "# 10"> Reveal svar Skjul svar
I modsætning til en modstand, der giver en relativt fast (uændret) modstandsdygtighed over for bevægelsen af ​​elektroner over en bred vifte af driftsforhold, ændrer lyspærernes elektriske modstand typisk dramatisk over deres respektive driftsområder.
Fra graferne bestemmer hvor modstanden for hver type pære er på sit maksimum, og hvor modstanden er mindst .
Mange typer elektriske og elektroniske komponenter oplever ændringer i elektrisk modstand over deres driftsområder for strøm og spænding. Modstande, mens de er enkle at studere, udviser ikke adfærd hos de fleste elektroniske komponenter. Det er vigtigt for eleverne at forstå, at den virkelige verden af ​​elektricitet og elektronik er meget mere kompleks end hvad Ohms lov kunne foreslå (med en implicit antagelse om fast modstand). Dette er et koncept, som grafer virkelig hjælper med at illustrere.
Tegn det skematiske diagram for et eksperimentelt kredsløb for at samle data, der er nødvendige for at tegne spændings / strømgrafen for en gasudladningslampe.
Et af mine mål som teknisk pædagog er at tilskynde til udvikling af eksperimenterende færdigheder hos mine studerende. Den mest nøjagtige måde at få kendskab til en enheds drift eller et elektrisk princip på er at opbygge et kredsløb, der rent faktisk tester det. Jeg har brugt denne teknik mange gange i min karriere for at fremme min viden om et emne, og det har vist sig at være en uvurderlig færdighed.
I dette spørgsmål bliver eleverne implicit bedt om at identificere flere vigtige ting:
• Hvor skal der tilsluttes en måler til måling af lampespænding.
• Hvor skal der tilsluttes en måler til måling af lampestrømmen.
• Sådan gør du det aktuelle justerbare, så flere værdier kan testes og tegnes.
Derudover skal eleverne identificere, hvilke spændings- / strømområder der er nødvendige for at teste en gasudladningslampe. Bemærk højspændings strømkilden vist i skematisk diagram. Studerende kan spørge: "Hvor høj skal denne spænding være" regnearkpanel panelpanel-standard "itemscope>
Hvad er negativ modstand ?
"Negativ modstand" er, hvor en elektrisk komponent passerer mindre strøm, da spændingen faldt over det øges .
Ikke alene udviser mange gasudladningsanordninger negativ modstand over bestemte dele af deres driftsområde, men mange halvlederanordninger gør det også godt.
Når en elektrisk strøm passerer gennem en leder, som giver en vis elektrisk modstand, stiger temperaturen på den pågældende leder over omgivelserne. Hvorfor er det? Af hvilken praktisk betydning er denne effekt?
Elektrisk modstand er analog med mekanisk friktion : elektroner kan ikke frit strømme gennem en modstand, og den "friktion", de møder, omdanner noget af deres energi til varme, ligesom friktionen i et slidt mekanisk lag oversætter en del af den kinetiske energi, den drejer sig om varme eller friktionen mellem en persons hænder, mens de gnides sammen på en kold dag, oversætter nogle af bevægelsen til varme.
Dette er et godt udgangspunkt for en diskussion om arbejde, energi og magt. Kraft kan selvfølgelig beregnes direkte ved at gange spændingen med strøm og måles i watt . Det giver også mulighed for at diskutere nogle af de elektriske leders praktiske begrænsninger.
For en given mængde elektrisk strøm, hvilken modstand vil sprede den største mængde strøm: En lille værdi (lav modstand) modstand, eller en høj-modstands-resistent? Forklar dit svar.
En modstand med høj modstandsevne (mange "ohm" af modstand) vil udløse mere varmekraft end en lavere værdi modstand, idet der gives samme strømstrøm gennem den.
Dette spørgsmål er designet til at få eleverne til at tænke kvalitativt om forholdet mellem nuværende, modstand og magt. Jeg har fundet, at kvalitativ (ikke-numerisk) analyse ofte er mere udfordrende end at bede eleverne om at beregne svar kvantitativt (med tal). Ofte er simpel matematik en slags barriere, hvorpå elever søger tilflugt fra ægte forståelse af et emne. Det er med andre ord nemmere at slå nøgler på en regnemaskine (eller endda udføre beregninger med papir og blyant) end at virkelig tænke på forholdet mellem variabler i et fysisk problem. Alligevel er en kvalitativ forståelse af elektriske systemer afgørende for hurtig og effektiv fejlfinding.
Plot forholdet mellem strøm og strøm for en 2 Ω modstand på denne graf:
Hvilket mønster ser du repræsenteret af plot "# 15"> Reveal svar Skjul svar
Jo mere strøm gennem modstanden, desto mere strøm forsvandt. Dette er imidlertid ikke en lineær funktion!
Studerende skal være fortrolig med grafer, og at lave deres egne enkle grafer er en glimrende måde at udvikle denne forståelse på. En grafisk gengivelse af Ohms lov (faktisk Joule's Law) -funktionen giver eleverne en anden "visning" af konceptet.
Vist her er et skematisk diagram for en simpel batteridrevet lommelygte:
Hvad kunne ændres om kredsløbet eller dets komponenter for at få lommelygten til at producere mere lys, når det er tændt? # 16 "> Reveal svar Skjul svar
På en eller anden måde skal strømmen, der udløses af lyspæren, øges. Måske er den mest oplagte måde at øge magtfordeling at bruge et batteri med en større spændingsudgang, hvilket giver større pære strøm og større strøm. Dette er imidlertid ikke den eneste mulighed! Tænk på en anden måde, at lommelygteens output kan øges.
Den "oplagte" løsning er en direkte anvendelse af Ohms lov. Andre løsninger kan ikke være så direkte, men de vil alle relatere tilbage til Ohms lov på en eller anden måde.
Demonstrere, hvordan algebra bruges til at udlede de ti "andre" former for de to Ohms lov / Joule's lovlige ligninger vist her.
I dette kredsløb modtager tre modstande samme mængde strøm (4 ampere) fra en enkelt kilde. Beregn mængden af ​​spænding "droppet" af hver modstand, såvel som mængden af ​​strøm forsvundet af hver modstand:
Svarene på dette spørgsmål bør ikke skabe nogen overraskelser, især når eleverne forstår elektrisk modstand i form af friktion : Modstande med større modstand (mere friktion til elektron bevægelse) kræver større spænding (push) for at få den samme mængde strøm gennem dem. Modstande med større modstand (friktion) vil også sprede mere kraft i form af varme, givet den samme mængde strøm.
Et andet formål med dette spørgsmål er at indskyde begrebet komponenter i et enkelt serie-kredsløb, som alle deler samme mængde af nuværende.
Udfordre dine elever til at genkende eventuelle matematiske mønstre i de respektive spændingsfald og strømafgivelser. Hvad kan man sige matematisk om spændingsfaldet over 2 Ω modstanden mod 1 Ω modstanden, for eksempel?
I dette kredsløb modtager tre modstande den samme mængde spænding (24 volt) fra en enkelt kilde. Beregn mængden af ​​aktuelle "trukket" af hver modstand, såvel som mængden af ​​strøm, der udledes af hver modstand:
Svarene på dette spørgsmål kan virke paradoksale for eleverne: Den laveste værdi af modstand udløser den største magt . Math løg ikke dog.
Et andet formål med dette spørgsmål er at indskyde begrebet komponenter i et simpelt parallel kredsløb, der alle deler samme spænding.
Udfordre dine elever til at genkende eventuelle matematiske mønstre i de respektive strømme og strømafledninger. Hvad kan man sige matematisk om den strøm, der trækkes af 2 Ω modstanden mod 1 Ω modstanden, for eksempel "panelpanelets standardpanel"
Lysstyrken af ​​en pære - eller den strøm, der afbrydes af enhver elektrisk belastning, for den sags skyld - kan varieres ved at indføre en variabel modstand i kredsløbet, således:
Denne metode til elektrisk styring er dog ikke uden sine ulemper. Overvej et eksempel, hvor kredsløbsstrømmen er 5 ampere, den variable modstand er 2 Ω, og lampen falder 20 volt spænding over sine terminaler. Beregn strømmen tabt af lampen, den effekt, der afledes af den variable modstand, og den samlede effekt, der leveres af spændingskilden. Derefter forklarer, hvorfor denne metode til strømstyring ikke er ideel.
P modstand = 50 watt
Opfølgningsspørgsmål: Bemærk, hvordan jeg i det oprindelige spørgsmål tilbød et sæt hypotetiske værdier, der kunne bruges til at finde ud af, hvorfor en serie reostat (variabel modstand) ikke er et effektivt middel til at styre lampens effekt. Forklar, hvordan antagelsen af ​​bestemte værdier er en nyttig problemløsningsteknik i tilfælde, hvor der ikke gives nogen værdier.
Diskuter begrebet energibesparelse: Denne energi kan hverken skabes eller ødelægges, men ændres kun mellem forskellige former. Baseret på dette princip skal summen af ​​alle effekttab i et kredsløb svare til den samlede mængde strøm, der leveres af energikilden, uanset hvordan komponenterne er forbundet sammen.
Når transistoren er tændt, virker det som en lukket switch: passerer fuld belastningsstrøm men taber lidt spænding. Således er dens "ON" effekt (P = IE) dissipation minimal. Omvendt, når transistoren er slukket, virker den som en åben switch: overhovedet ingen strøm. Således er dens "OFF" effekttab (P = IE) nul. Den effekt, der afbrydes af belastningen (lyspæren) er den gennemsnitlige tidsforbrug mellem "ON" og "OFF" transistorcyklusserne. Således styres belastningseffekten uden at "spilde" strøm over styreenheden.
Hvad sker der med lyspærens lysstyrke, hvis kontakten i dette kredsløb er pludselig lukket? // www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00103x01.png ">
Ideelt set vil der ikke være nogen ændring i lyspærens lysstyrke, når kontakten er lukket, fordi spændingskilder skal opretholde konstant spændingsudgang uanset indlæsning. Som du måske har antaget, kan den ekstra strøm "trukket" af modstanden, når kontakten er lukket, faktisk forårsage, at lampen falder lidt, fordi batterispændingen "sænker" under den ekstra belastning. Hvis batteriet er godt overdimensioneret til applikationen, er graden af ​​spænding "sag" uhensigtsmæssig.
Dette spørgsmål illustrerer en forskel mellem de ideelle forhold, der generelt antages til teoretiske beregninger, og de forhold, der opstår i det virkelige liv. Virkelig er det formålet med en spændingskilde at opretholde en konstant udgangsspænding uanset belastning (strøm udtrukket af det), men i virkeligheden er det næsten umuligt. De fleste spændingskilder udviser en vis grad af "sag" i deres produktion over en række belastningsstrømme, nogle værre end andre.
I dette eksempel er det umuligt at fortælle, hvor meget spændingskildens udgang vil "sænke", når kontakten er lukket, fordi vi ikke har nogen anelse om, hvad modstandens nuværende træk vil blive sammenlignet med lyspære, eller hvad spændingen Kildens nominelle udgangsstrøm er. Alt vi kan sige er at teoretisk vil der ikke være nogen effekt fra at lukke kontakten, men i virkeligheden vil der være en vis grad af dæmpning, når kontakten er lukket.
Hvad ville der ske, hvis en ledning, der slet ikke havde nogen modstand (0 Ω), var tilsluttet direkte på tværs af en 6 volt batteri? Hvor meget nuværende ville resultere i, ifølge Ohms lov?
Antag, at vi skulle kortslutte et 6 volt batteri på den måde, der netop er beskrevet og måle 8 ampere af strøm. Hvorfor stemmer de beregnede tal fra det foregående afsnit ikke overens med den faktiske måling "# 23"> Reveal svar Skjul svar
Ohms lov ville foreslå en uendelig strøm (nuværende = spænding divideret med nul modstand). Det beskrevne forsøg giver dog kun en beskeden mængde strøm.
Hvis du tror, ​​at ledningen, der anvendes i eksperimentet, ikke er modstandsdygtigt (dvs. det har modstand), og at det står for forskellen mellem de forudsagte og målte mængder af strøm, er du delvist korrekt. Realistisk vil et lille stykke wire som det, der anvendes i eksperimentet, have et par tiendedele af en resistens ohm. Men hvis du genberegner strøm med en trådmodstand på 0, 1 Ω, vil du stadig finde en stor forskel mellem din forudsigelse og den aktuelle målte strøm i denne kortslutning.
Opfølgningsspørgsmål nr. 1: Forklar hvorfor ledningsbestandighed alene ikke forklarer den beskedne kortslutningsstrøm.
Opfølgningsproblem nr. 2: Identificer mindst én sikkerhedsrisiko forbundet med et ægte eksperiment som dette.
Påmind eleverne om, at kortslutningsprøvning af elektriske kilder kan være farlig. En elev af min har en gang fyldt et 6 volts "lantern" batteri i sin værktøjspose, kun for at få det udladningsrøg en time senere, efter at batteriterminalerne var blevet kortsluttet sammen med et nøglehåndtag!
Nej, Ohm's lov bliver ikke snydt her: Kortslutning af en spændingskilde med en 0 Ω leder vil ikke resultere i uendelig strøm, fordi der findes andre modkilder i et sådant kredsløb. Opgaven her er at bestemme, hvor disse kilder kan være, og hvordan de kunne være placeret.