Почему эти чтения нарушают закон ома? (Они?)

Я изучаю свои знания в области электроники в средней школе, и я решил поэкспериментировать с небольшим аквариумным насосом, который я лежал. Я сделал несколько измерений с мультиметром, и результаты путают меня до конца. Похоже, что показания не соответствуют закону Ома, текущая ничья, похоже, отличается и т. Д., И теперь я в тупике.

У меня есть это small pump подключен к двум батареям АА. Согласно (разреженному) листу данных, он рассчитан на 3 В и потребляет ток «<460 мА». Используя мультиметр для чтения напряжения батареи (ни с чем не связанного), я получил 3,18 В, что имеет смысл, потому что они были свежими батареями АА. Затем я решил подключить насос и прочитать напряжение на двух разъемах на насосе. Это прочитало 2.9V, что было удивительно для меня, потому что, по-видимому, 0.28V исчезло. Провода от батареи к насосу имеют длину всего пару сантиметров, так что это кажется большим напряжением, чтобы терять на таких коротких проводах. Затем я вставил мультиметр в схему и измерил 0,19 А. Наконец, я измерил сопротивление насоса, которое составляло 3,5 Ом.

Теперь, согласно закону Ома, U = I * R, поэтому 0.19A * 3.5 Ohm = 0.665V. Вдали от 3,18 В или даже 2,9 В I, измеренного на насосе. Как это возможно?

Попробовав что-то еще, я подключил насос к разъему 5V molex от источника питания старого компьютера. Измеряя напряжение на разъеме molex, я получаю 5,04 В. Измеряя на коннекторах насоса, я получаю 4.92В. Вставив мультиметр в схему, я внезапно прочитал 0.28A. Таким образом, по-видимому, насос внезапно набирает 200 мА больше, чем раньше, что кажется странным: не компонент, который должен просто нарисовать текущий ток, который требуется? Бросание этих чисел в закон Ома дает мне 4.92 /0.28 = 17.575. Также не было измерено 3,5 Ом.

Наконец, я решил добавить некоторые резисторы, чтобы сбросить 5V от molex до примерно 3V. Я добавил несколько резисторов 1 Ом последовательно, что привело к измеренному сопротивлению 4,3 Ом. Теперь, если я вставляю мультиметр в схему, я получаю 0.24A, но опять же другой ток. Измеряя напряжение на резисторах, я получаю 0,98 В, и измеряя через насос, я получаю 3,93 В. 0,24 А * 4,3 Ом = 1,032 В, что не измеряется 0,98 В.

Мне, очевидно, не хватает чего-то фундаментального в схемах или законе Ома, но я не могу понять это. Я считал, что сопротивление насоса изменяется, когда оно подключено, но тогда все еще не имеет смысла, что значения, измеренные на резисторах, также не соответствуют закону Ома. Что мне не хватает?

12 голосов | спросил Bas 28 thEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowMon, 28 Sep 2015 12:58:39 +0300 2015, 12:58:39

6 ответов


33

Как вы обнаружили, электродвигатель плохо моделируется как резистор и, как таковой, не подчиняется закону Ома.

Лучшей моделью для электродвигателя постоянного тока является некоторое сопротивление последовательно с переменным источником напряжения.

Кроме того, батарея имеет некоторое внутреннее сопротивление, которое может быть смоделировано как последовательный резистор *. Источник питания ПК также может использовать эту же модель, но сопротивление серии, вероятно, будет меньше. Затем система выглядит следующим образом:

schematic

имитировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Мы можем объяснить, почему в первом случае ваше измеряемое напряжение меньше напряжения батареи без нагрузки, потому что у нас есть делитель напряжения. Выполняя некоторую математику,

\ {начать выравнивать} V_ {emf} = V_ + - I R_m \\ R_s = \ frac {V_ {bat} - V _ +} {I} \ Конец {} Выравнивание

Вы измерили \ $ R_m = 3.5 \ Omega \ $, \ $ I = 0.19 A \ $ и \ $ V_ + = 2.9V \ $, поэтому \ $ V_ {emf} = 2.24 V \ $ и \ $ R_s = 1.47 \ Omega \ $.

Во втором случае \ $ V_ + = 4.92V \ $ и \ $ I = 0.28A \ $. Таким образом: \ $ V_ {emf} = 3.94 V \ $ и \ $ R_s = 0.43 \ Omega \ $.

Обратите внимание, что \ $ V_ {emf} \ $ отличается между ними. Это потому, что \ $ V_ {emf} \ $ примерно линейно пропорционально скорости вращения двигателя. Вы должны были заметить, что двигатель вращается быстрее, когда он подключен к источнику питания 5 В.

Кроме того, как многомировье измеряет ток, вводя последовательное сопротивление шунта и измеряя напряжение на этом резисторе. Это еще больше усложняет анализ, поэтому измеренное напряжение тока и нагрузки не точно коррелировано. Труднее сделать этот анализ, но это возможно, если вы знаете сопротивление шунтирования серии. Это иногда указывается как «напряжение нагрузки» при номинальном испытательном токе, и вы можете использовать закон Ома для восстановления сопротивления шунта.

Можно восстановить то, что измеренное напряжение нагрузки должно быть всего на один метр, но для этого требуется больше информации о том, как \ $ V_ {emf} \ $ ведет себя, что выходит за рамки этого ответа.

Если вы установили метр в самый большой диапазон токов, это будет использовать наименьшее сопротивление шунта, вы можете свести к минимуму влияние наличия счетчика в серии за меньшую потерю точности.

Примечание: Батареи не имеют постоянного внутреннего сопротивления, но это разумное приближение. Это зависит от тонны факторов, включая, но не ограничиваясь, сохраненную энергию, температуру и нагрузку.

ответил helloworld922 28 thEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowMon, 28 Sep 2015 13:25:24 +0300 2015, 13:25:24
14

Ответ Helloworld922 правильный и неплохой, но я подумал, что это может помочь вам сразу ответить на ваши вопросы по очереди.

  

Используя мультиметр для чтения напряжения батареи (ни с чем не связанного), я получил 3,18 В, что имеет смысл, потому что они были свежими батареями АА. Затем я решил подключить насос и прочитать напряжение на двух разъемах на насосе. Это прочитало 2.9V, что было удивительно для меня, потому что, по-видимому, 0.28V исчезло. Провода от аккумулятора к насосу имеют длину всего пару сантиметров, так что это похоже на то, что на таких коротких проводах теряется напряжение.

Батареи (и некоторые другие источники напряжения) могут создавать более высокое напряжение, чем обычно, если подключена никакая нагрузка. Номинальное напряжение батареи АА составляет 1,5 В, поэтому второе измерение действительно ближе к номинальному. Цитирование Wikipedia : «Эффективное напряжение нулевой нагрузки не разряженной щелочной батареи варьируется от 1,50 до 1,65 В, в зависимости от на чистоту используемого диоксида марганца и содержание оксида цинка в электролите. Среднее напряжение под нагрузкой зависит от уровня разряда и величины тока, меняющегося от 1,1 до 1,3 В. " Падение напряжения на ваших проводах должно быть около нуля.

  

Затем я вставил мультиметр в схему и измерил 0,19 А. Наконец, я измерил сопротивление насоса, которое составляло 3,5 Ом. Теперь, согласно закону Ома, U = I * R, поэтому 0.19A * 3.5 Ом = 0.665V. Вдали от 3,18 В или даже 2,9 В I, измеренного на насосе. Как это возможно?

Ответ HelloWorld922 охватывает это. Здесь есть две важные вещи. Во-первых, двигатель не является резистором, хотя его провода имеют сопротивление. Во-вторых, двигатель генерирует напряжение при его повороте, так называемую обратную ЭМП. Обратная ЭДС противодействует току двигателя. Вы ожидали, что насос будет потреблять:

$$ I = \ frac V R = \ frac {2.9 \ \ mathrm V} {3.5 \ \ Omega} \ approx 830 \ \ mathrm {mA} $$

Этот ток называется током блокировки, и это то, что вы ожидали бы, если бы насос застрял. В этом случае единственной нагрузкой на батареи является сопротивление проводки насоса. Когда насос работает, вы должны учитывать обратную ЭМП. Ток также не будет постоянным.

  

Попробовав что-то еще, я подключил насос к разъему 5V molex от источника питания старого компьютера. ... Вставив мультиметр в схему, я внезапно прочитал 0.28A. Таким образом, по-видимому, насос внезапно набирает 200 мА больше, чем раньше, что кажется странным: не компонент, который должен просто нарисовать текущий ток, требуемый?

Нет. Это относится к некоторым электронным устройствам на основе транзисторов, но не ко всем компонентам. (Транзисторы могут действовать примерно как приемник с постоянным током.)

  

Я добавил несколько резисторов 1 Ом последовательно, что привело к измеренному сопротивлению 4,3 Ом. Теперь, если я вставляю мультиметр в схему, я получаю 0.24A, но опять же другой ток. Измеряя напряжение на резисторах, я получаю 0,98 В ... 0,24 А * 4,3 Ом = 1,032 В, что не измеряется 0,98 В. I.

Мультиметры влияют на схему, к которой они подключены. Вам нужно будет проверить его характеристики, чтобы сделать точный расчет. Интуитивно измеритель действует как резистор параллельно с вашими 4,3 Ом. Это уменьшает общее сопротивление, которое уменьшает падение напряжения. (Думаю, это все равно, как я уже сказал, это зависит от счетчика.)

  

Я, очевидно, пропустил что-то принципиальное в схемах или законе Ома, но я не могу понять это.

Закон Ома не является абсолютным законом электрических цепей. Это свойство некоторых материалов, которые называются омическими материалами. Очень немногие реальные устройства могут быть смоделированы как простые резисторы, даже при нормальных условиях! (На высоких частотах даже (физические) резисторы перестают быть (теория схемы) резисторами, но я будупока вы не получите эти детали. : -))

Правила, на которые вы можете положиться в (низкочастотных) электрических цепях:

  1. Закон напряжения Киршоффа: сумма напряжений вокруг замкнутого цикла должна быть равна нулю.
  2. Текущий закон Киршоффа: сумма токов, входящих и выходящих из узла схемы, должна быть равна нулю.
  3. Сохранение энергии: сумма мгновенной мощности (v (t) * i (t)), создаваемая и потребляемая каждой составляющей в цепи, должна быть равна нулю.

Все остальное моделируется. Если вы хотите предсказать поведение схемы, вам нужны хорошие модели для ваших компонентов. И, как сказали все, резистор не является хорошей моделью для насоса.

ответил Adam Haun 29 thEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowTue, 29 Sep 2015 00:12:34 +0300 2015, 00:12:34
13
  

Используя мультиметр для чтения напряжения батареи (ни с чем не связанного), я получил 3,18 В, что имеет смысл, потому что они были свежими батареями АА. Затем я решил подключить насос и прочитать напряжение на двух разъемах на насосе. Это показало 2.9V, что было удивительно для меня, потому что, по-видимому, 0.28V исчезло.

Подумайте, что произойдет в этом случае not . Что делать, если вы можете подключить нагрузку к батареям, и напряжение остается неизменным? Что, если эта нагрузка - всего лишь провод?

schematic

имитировать эту схему - Схема, созданная с использованием CircuitLab

Сколько будет протекать ток? Ну, идеальный провод - это резистор 0 Ом, и через него есть 3 В. Используя закон Ома, мы можем разделить 3V на сопротивление, чтобы получить ток (\ $ I = E /R \ $):

$$ I = \ frac {3 \: \ mathrm V} {0 \: \ Omega} $$

 введите описание изображения здесь>> </a> </p>

<p> На практике провода имеют некоторое сопротивление, поэтому на самом деле мы не создаем сингулярность, заканчивающуюся вселенной. Что делать, если провод довольно короткий и толстый и имеет сопротивление 0,0001 Ом? </p>

<p> $$ I = \ frac {3 \: \ mathrm V} {0.0001 \: \ Omega} = 30000 \: \ mathrm A $$ </p>

<p> Ничего себе, это много тока. Я ожидаю, что провод будет испарен в одно мгновение. </p>

<p> Конечно, это не то, что на самом деле происходит. Реальные батареи имеют <a href= внутреннее сопротивление , которое представляет собой сумму реального сопротивления металлических частей из них и конечная проводимость электролитов в них и химические свойства, которые ограничивают скорость реакции, которая происходит в батареях, что делает их способными накачивать электрический заряд.

Мы можем рассчитать, что такое внутреннее сопротивление, приблизительно. Мы знаем, что при 0А напряжение на батарее составляет 3,18 В. И мы знаем, что при работе насоса вы измеряли 2,9 В и 0,19 А. Итак:

schematic

имитировать эту схему

Мы знаем, что ток везде одинаковый в последовательной цепи, и через резистор должно пройти 0.19А. И нам нужно рассчитать значение этого резистора, чтобы напряжение на нем было «пропавшим» 0,28 В. Это приложение для закона Ома:

$$ R = \ frac {0.28 \: \ mathrm V} {0.19 \: \ mathrm A} = 1.47 \: \ Omega $$

  

Наконец, я измерил сопротивление насоса, которое составляло 3,5 Ом

Это not приложение для закона Ома. Закон Ома применяется только к резисторам. Это не относится к:

  • двигатели
  • диоды литий>
  • транзисторы литий>
  • конденсаторы
  • индукторы
  • флуоресцентные световые бляшки

В случае, когда ток всегда был равен напряжению, умноженному на сопротивление, мы были бы очень ограниченными в тех областях электроники, которые мы могли бы создать! Мы могли бы сделать линейные схемы , что означает, что мы не могли бы иметь компьютеры или радиоприемники, например.

ответил Phil Frost 28 thEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowMon, 28 Sep 2015 22:57:01 +0300 2015, 22:57:01
4

Мотор не является омическим сопротивлением. В игре есть индукторы и магнитные поля, которые изменяют кажущееся сопротивление (импеданс) выше того, что вы измеряете с помощью вашего мультиметра.

ответил corecode 28 thEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowMon, 28 Sep 2015 13:04:54 +0300 2015, 13:04:54
3

Каждая батарея имеет внутреннее сопротивление, которое накладывает на нее некоторое напряжение. Вот почему вы видите это различие (от 3,18 В до 2,9 В). Вы не можете полагаться на сопротивление двигателя. Оно будет варьироваться в зависимости от множества факторов.

ответил Stefan Merfu 28 thEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowMon, 28 Sep 2015 13:08:32 +0300 2015, 13:08:32
3

Закон Ома на самом деле не является законом, как следствие статистического терма и материального свойства при определенных условиях.

Чтобы добавить немного к @ helloworld992, текущий ток двигателя зависит от нагрузки на него. Это связано с тем, что Vemf зависит от скорости вращения.

Если двигатель совершенно без потерь, он не будет потреблять ток (и, следовательно, мощность), когда он достигнет скорости.

Вместо этого, если вы остановите двигатель, вы создадите короткое замыкание с ограничением тока только внутренним сопротивлением от батареи, проводов и т. д.

ответил user1512321 28 thEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowMon, 28 Sep 2015 18:52:10 +0300 2015, 18:52:10

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132