listy

Ohmov zákon

Godwinovy výpočty u vody - Ohmův zákon pro odpor spirál & Ředění shotů bází 20mg/ml (Január 2019).

Anonim

Ohmov zákon

Základná elektrina


Otázka 1

Definujte nasledujúce pojmy: energia, práca a výkon .

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Práca je námaha sily na diaľku. Energia je schopnosť vykonávať prácu. Výkon je výkon vykonaný za jednotku času.

Poznámky:

Študenti môžu nájsť základný text fyziky užitočný pri získavaní týchto definícií. "Práca" je náročný koncept, ktorý je presne definovaný najmä pre študentov, ktorí nie sú oboznámení so základnou fyzikou. Technicky je to vektorový bodový produkt sily a posunutia, čo znamená, že práca sa rovná vzdialenosti sily, len ak sú vektory sily a vzdialenosti presne navzájom paralelné. Inými slovami, ak nosím hmotnosť 10 kg (zdvíhajúca sa proti gravitačnému remorkéru) pri prechode rovnobežne so zemou (nie hore alebo dolu), vektory sily a posunutia sú navzájom kolmé a práca, ktorú robím pri prenášaní hmoty je nula . Iba vtedy, ak je moja sila nasmerovaná presne takým istým smerom ako môj pohyb, aby všetko moje úsilie bolo preložené do práce.

Otázka 2

Napätie sa bežne definuje ako "elektrický tlak". Jednotka voltu však môže byť definovaná z hľadiska základných fyzických jednotiek. Aké sú tieto jednotky a ako súvisia s jednotkou voltu "# 2"> Odhaľte odpoveď Skryť odpoveď

1 volt sa rovná 1 joule energie dodávanej na 1 náboj náboja (6, 25 × 10 18 elektrónov):

V = W


Q

Kde,

V = Napätie (volty)

W = práca alebo potenciálna energia (jouly)

Q = Charge (coulombs)

Poznámky:

Všimnite si, že písmeno "V" používam na označenie napätia namiesto "E" ako obvykle. Je to preto, lebo vo všeobecnosti funguje fyzika, "E" zvyčajne znamená "energiu" alebo "elektrické pole". Niektoré elektronické referenčné knihy používajú písmeno "E" na napätie, zatiaľ čo iné používajú písmeno "V", alebo dokonca používajú obe písmená zameniteľné.

Otázka 3

Elektrický prúd sa meria v jednotke ampéry alebo zosilňovač . Aká je fyzická definícia tejto jednotky? Aké základné množstvá tvoria 1 ampér elektrického prúdu?

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

1 ampér elektrického prúdu je rýchlosť pohybu elektrónov rovná 1 coulomb za sekundu:

I = Q


T

Kde,

I = elektrický prúd (ampéry)

Q = nabíjanie v pohybe (coulombs)

t = čas (sekundy)

Poznámky:

V tomto bode môže byť užitočné preskúmať počet elektrónov tvoriacich jednu nábojovú krivku: 6, 25 × 10 18 elektrónov.

Technicky sa súčasná matematická definícia týka počtu:

I = DQ


dt

Študenti v tomto štádiu však nemusia byť pripravení preskúmať deriváty, a tak rovnica odpovedať na (priemerný) prúd stačí.

Otázka 4

Pre dané množstvo tlaku vody, ktoré bude mať väčšiu rýchlosť vody: malú (obmedzujúcu) trysku alebo veľkú (neobmedzujúcu) trysku? Vysvetlite, ako sa to týka skúmania napätia, prúdu a odporu v jednoduchom elektrickom obvode.

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Samozrejme, neobmedzujúca tryska prejde vyššou prietokovou rýchlosťou vody, pričom všetky ostatné faktory sú rovnaké. V elektrickom obvode menej odporu prechádza väčší prietok elektrónov (prúd) pre dané množstvo "tlaku" (napätie).

Poznámky:

Prietok vody nie je dokonalá analógia pre elektrickú energiu, ale je dostatočne blízko, aby bola užitočná v základnej výučbe elektrickej energie. Buďte pripravení diskutovať o nedostatkoch vody ako analógiu so svojimi študentmi (napr. "Ako sa elektróny nenarazia na koniec otvoreného drôtu, ako voda rozliať koniec otvorenej hadice alebo potrubia" pracovný panel panel panel-default " itemscope>

Otázka 5

Predpokladajme, že ste vytvorili tento obvod a vykonali merania prúdu cez odpor a napätie cez rezistor:

Zaznamenávanie týchto číselných hodnôt v tabuľke, výsledky vyzerajú takto:

XXXXXXXXXXXXXX
prúdNapätie
0, 22 A0, 66 V
0, 47 A1, 42 V
0, 85 A2, 54 V
1, 05 A3, 16 V
1, 50 A4, 51 V
1, 80 A5, 41 V
2, 00 A5, 99 V
2, 51 A7, 49 V

Vykreslite tieto čísla na nasledujúcom grafe:

Aký matematický vzťah vidíte medzi napätím a prúdom v tomto jednoduchom okruhu "# 5"> Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Toto je príklad lineárnej funkcie: kde graf popisujúci súbor údajov sleduje priamku na grafe. Z tohto riadku a tiež z číselných údajov by ste mali byť schopní rozpoznať konštantný pomer medzi napätím a prúdom.

Poznámky:

Údaje o nespracovaných údajoch boli v tomto probléme úmyselne "hlučné", aby simulovali typy chýb merania, ktoré sa vyskytli v reálnom živote. Jeden nástroj, ktorý pomáha prekonávať interpretačné problémy vyplývajúce z tohto šumu, je graf. Dokonca aj v prítomnosti hluku je celkom jasne odhalená linearita funkcie.

Vaši študenti by sa mali naučiť vytvárať grafy ako nástroje na vlastné chápanie dát. Keď sú vzťahy medzi číslami reprezentované v grafickej podobe, zapožičia druhému spôsobu vyjadrenia údajov, pomáhajú ľuďom pochopiť vzory jednoduchšie než prehľadom riadkov a stĺpcov čísel.

Otázka 6

Vysvetlite krok za krokom, ako vypočítať množstvo prúdu (I), ktoré prejde odporom v tomto obvode:

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Rezistorový prúd = 0, 02553 ampér alebo 25, 53 milliamps (mA).

Poznámky:

Len jednoduchý výpočet Zákona Ohm tu - žiadne triky! Zámerom tejto otázky je však prinútiť študentov, aby premýšľali o krokoch, ktoré sledujú pri výpočte. Mnohí študenti jednoducho chcú skôr zapamätať si procedúry, než sa naučiť, prečo robiť to, čo potrebujú, aby odpovedali na tieto otázky. Vašou úlohou ako inštruktorom je napadnúť ich nad rámec memorovania a pochopenia.

Otázka 7


∫f (x) dx Výstraha kalkulácie!


Vykreslite vzťahy medzi napätím a prúdom pre odpory troch rôznych hodnôt (1 Ω, 2 Ω a 3 Ω), to všetko na rovnakom grafe:

Aký vzor vidíte v trom svojich parcelách "# 7"> Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Čím väčší je odpor, tým je strmosť skreslenej čiary vyššia.

Pokročilá odpoveď: správny spôsob vyjadrenia derivácie každého z týchto pozemkov je (dv / di). Odvodenie lineárnej funkcie je konštanta a v každom z týchto troch prípadov sa konštanta rovná odporu odporu v ohmoch. Takže by sme mohli povedať, že pre jednoduché rezistorové obvody je okamžitá rýchlosť zmeny pre funkciu napätia / prúdu odpor obvodu.

Poznámky:

Študenti sa musia s grafmi spokojiť a tvorba vlastných jednoduchých grafov je vynikajúcim spôsobom, ako rozvíjať toto porozumenie. Grafické znázornenie funkcie zákona Ohm umožňuje študentom iný pohľad na koncept, čo im umožní ľahšie pochopiť pokročilejšie koncepty, ako je negatívna rezistencia.

Ak majú študenti prístup ku grafickej kalkulačke alebo počítačovému softvéru schopnému kresliť 2-rozmerové grafy, povzbudzujte ich, aby vykreslili funkcie pomocou týchto technologických zdrojov.

Zistil som, že je dobrý návyk "kúpim" matematické pojmy do kurzov fyzickej vedy, kedykoľvek je to možné. Pre toľko ľudí je matematika abstraktným a mätúcim predmetom, ktorý možno chápať len v kontexte aplikácie v reálnom živote. Štúdium elektriny a elektroniky je bohaté na matematický kontext, a preto ju využite vždy, keď je to možné! Vaši študenti budú mať značné výhody.

Otázka 8

Aká je hodnota tohto odporu v ohmoch (Ω)?

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Hodnota rezistora = 2700 Ω alebo 2, 7 kΩ.

Jeden formát výrazu komponentnej hodnoty populárnej v Európe je nahradiť desatinnú čiaru metrickou predponou, takže 2, 7 kΩ by sa reprezentovalo ako 2k7 Ω. Tento zápis nielenže je jednoduchší, ale prekonáva aj interpretačné ťažkosti medzi Európanmi a Američanmi s ich opakmi použitia čiar a desatinných miest.

Poznámky:

Niektorí študenti si možno neuvedomujú, že v Európe sa čiarky používajú ako desatinné miesta a vízum. Teda dvetisíc sedemsto by bolo napísaných ako 2700 v Amerike a 2.700 v Európe. Naopak, počet π by bol napísaný ako 3, 141593 v Amerike, ale 3, 141593 v Európe. Konfigurácia panelu panelu panelu pracovnej plochy - predvolený "itemscope>

Otázka 9

Bežným slovom o elektrine je, že vždy ide o cestu najmenšieho odporu. "Vysvetlite, ako sa toto príslovie týka nasledujúceho okruhu, kde elektrický prúd z batérie narazí na dve alternatívne cesty, z ktorých jedna je menej odolná než druhá:

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

250 Ω rezistor bude mať prúd 40 mA, zatiaľ čo rezistor 800 Ω bude mať prúd 12, 5 mA.

Poznámky:

Ako inštruktor som bol veľmi prekvapený počuť veľa študentov začínajúcich tvrdenie, že všetok prúd by prešiel menším odporom a nikto cez väčší odpor! Príslovie o "na ceste k najmenšiemu odporu" by sa malo naozaj chápať ako " pomerne na cestách menšieho odporu." Ľudia noví pri štúdiu elektrickej energie často nesprávne pochopia takéto základné princípy, ich chyby zvyčajne vychádzajú z ľudovej múdrosti. Je nevyhnutné prekonať tieto mýty s tvrdou skutočnosťou. V tomto prípade zákon Ohm slúži ako matematický nástroj, ktorý môžeme použiť na rozptýlenie falošných nápadov.

Samozrejme, tak jednoduchý okruh môže byť ľahko zostavený a otestovaný v triede, aby všetci mohli vidieť pravdu pre seba.

Otázka č. 10

Jeden štýl žiarovky, veľmi odlišný od "žiarovkového" dizajnu, ktorý funguje na princípe nadmerne vyhrievaného svetla vyžarujúceho vlákna, sa nazýva plynová výbojka . Pri tomto dizajne žiarovky sa svetlo vytvára priamym "budením" molekúl plynu, keď elektrický prúd prechádza medzi dvomi elektródami:

Oba typy žiaroviek majú zaujímavé krivky napätia / prúdu, ani jedno z nich nie je totožné s napäťovým / prúdovým diagramom odporu. Po prvé, krivka napätia / prúdu pre žiarovku:

Ďalej, graf napätia / prúdu pre žiarovku s plynovou výbojkou:

Na základe týchto dvoch grafov, čo môžete povedať o elektrickom odporu každého typu žiarovky v jeho prevádzkovom rozsahu "# 10"> Odhaľte odpoveď Skryť odpoveď

Na rozdiel od odporu, ktorý ponúka pomerne pevnú (nemennú) odolnosť voči pohybu elektrónov v širokom rozsahu prevádzkových podmienok, sa elektrický odpor žiaroviek dramaticky mení v porovnaní s ich príslušnými pracovnými rozsahmi.

Z grafov určite, kde je odpor pre každý typ žiarovky maximálny a kde je odpor minimálny .

Poznámky:

Mnoho typov elektrických a elektronických súčiastok zaznamenáva zmeny v elektrickom odporu v priebehu ich prevádzkových rozsahov prúdu a napätia. Rezistory, hoci jednoduché na štúdium, nevykazujú správanie väčšiny elektronických komponentov. Je dôležité, aby študenti pochopili, že skutočný svet elektriny a elektroniky je oveľa zložitejší, než by mohol navrhnúť zákon Ohm (s implicitným predpokladom pevného odporu). Toto je jedna koncepcia, ktorú grafy naozaj pomáhajú ilustrovať.

Otázka 11

Načrtnite schematický diagram experimentálneho obvodu na zhromaždenie údajov potrebných na vykreslenie grafu napätia / prúdu plynovej výbojky.

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Poznámky:

Jedným z mojich cieľov ako technického pedagóga je podporiť rozvoj experimentálnych zručností u mojich študentov. Najpresnejší spôsob, ako získať informácie o fungovaní zariadenia alebo o elektrickom princípe, je vytvoriť obvod, ktorý ho skutočne testuje. Využil som túto techniku ​​mnohokrát v mojej kariére, aby som získal vedomosti o danej téme a dokázal som, že je to neoceniteľná zručnosť.

V tejto otázke sa študenti implicitne žiadajú, aby identifikovali niekoľko kľúčových vecí:

• Kam pripojiť merací prístroj na meranie napätia lampy.
• Kam pripojiť merací prístroj na meranie prúdu lampy.
• Ako nastaviť prúd, aby bolo možné testovať a vykresliť viaceré hodnoty.

Okrem toho musia študenti identifikovať, aké rozsahy napätia / prúdu budú potrebné na otestovanie plynovej výbojky. Všimnite si zdroj vysokého napätia, ktorý je znázornený na schéme. Študenti sa môžu spýtať "Aké vysoké je toto napätie" panel panelu pracovnej plochy panel-default "itemscope>

Otázka č. 12

Čo je negatívny odpor ?

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

"Negatívny odpor" je miesto, kde elektrická zložka prechádza menším prúdom, keď napätie klesne cez ňu.

Poznámky:

Nielenže mnohé zariadenia na vypúšťanie plynov vykazujú negatívny odpor v určitých častiach svojho pracovného rozsahu, ale aj mnohé polovodičové zariadenia.

Otázka 13

Keď elektrický prúd prechádza cez vodič, ktorý ponúka určitý elektrický odpor, teplota tohto vodiča sa zvýši nad okolitý. Prečo je toto? Aký praktický význam má tento účinok?

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Elektrický odpor je analogický mechanickému treniu : elektróny nemôžu voľne pretekať odporom a "trenie", ktoré stretnú, prevádza časť svojej energie do tepla, rovnako ako trenie v opotrebovanom mechanickom ložisku prevádza časť kinetickej energie jeho rotácie teplo alebo trenie medzi rukami človeka pri trení v chladnom dni prevádza časť pohybu do tepla.

Poznámky:

To je dobrý východiskový bod pre diskusiu o práci, energii a sile. Výkon môže byť samozrejme priamo vypočítaný násobením napätia podľa prúdu a meraný vo wattoch . Poskytuje tiež príležitosť diskutovať o niektorých praktických obmedzeniach elektrických vodičov.

Otázka č. 14

Pri danom množstve elektrického prúdu, ktorý odpor odpudzuje najväčší výkon: malý odpor (nízky odpor) alebo vysoký odpor (vysoký odpor) rezistor? Vysvetli svoju odpoveď.

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Rezistor s vysokým odporom (mnoho "ohmov" odporu) rozptýli väčšiu tepelnú silu ako rezistor s nižšou hodnotou, vzhľadom na to isté množstvo elektrického prúdu.

Poznámky:

Táto otázka je navrhnutá tak, aby sa študenti učili kvalitatívne o vzťahu medzi prúdom, odporom a silou. Zistil som, že kvalitatívna (nečíselná) analýza je často náročnejšia než otázka kalkulácie odpovedí kvantitatívne (s číslami). Často je jednoduchá matematika druhom bariéry, za ktorou študenti hľadajú útočisko z pravého chápania témy. Inými slovami, je jednoduchšie preraziť klávesy na kalkulačku (alebo dokonca vykonávať výpočty s papierom a ceruzkou), než skutočne premýšľať o vzájomných vzťahoch premenných vo fyzickom probléme. Kvalitné pochopenie elektrických systémov je však nevyhnutné pre rýchle a efektívne riešenie problémov.

Otázka č. 15

Vykreslite vzťah medzi výkonom a prúdom pre odpor 2 Ω na tomto grafe:

Aký model vidíte v grafe "# 15"> Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Čím viac prúdu cez odpor, tým viac energie sa rozptýli. To však nie je lineárna funkcia!

Poznámky:

Študenti sa musia s grafmi spokojiť a tvorba vlastných jednoduchých grafov je vynikajúcim spôsobom, ako rozvíjať toto porozumenie. Grafické zobrazenie právomoci Ohmovho zákona (vlastne Joulovho zákona) umožňuje študentom iný pohľad na pojem.

Ak majú študenti prístup ku grafickej kalkulačke alebo počítačovému softvéru schopnému kresliť 2-rozmerové grafy, povzbudzujte ich, aby vykreslili funkcie pomocou týchto technologických zdrojov.

Otázka č. 16

Tu je schematický diagram jednoduchého baterku s napájaním z batérie:

Čo by sa mohlo zmeniť v obvode alebo jeho súčiastkach, aby sa baterka pri zapnutí rozsvietila viac svetla? # 16 "> Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Nejako sa musí zvýšiť výkon rozptýlený žiarovkou. Možno najviditeľnejší spôsob, ako zvýšiť rozptýlenie výkonu, je použiť batériu s vyšším napätím, čím sa dosiahne väčší prúd žiarovky a väčšia sila. Nie je to však jediná možnosť! Premýšľajte o inom spôsobe, ako by sa mohol zvýšiť výkon baterky.

Poznámky:

"Zrejmé" riešenie je priama aplikácia Ohmovho zákona. Iné riešenia nemusia byť tak priame, ale všetky sa spájajú s Ohmovým zákonom nejakým spôsobom.

Otázka 17

Existujú dve základné rovnice Ohmovho zákona: jedno vzťahujúce sa napätie, prúd a odpor; a druhé vzťahujúce sa napätie, prúd a moc (druhá rovnica je niekedy známa ako Joulov zákon, ale ako Ohmov zákon):

E = IR

P = IE

V elektronických učebniciach a referenčných knihách nájdete dvanásť rôznych variácií týchto dvoch rovníc, jedno riešenie pre každú premennú z hľadiska jedinečného páru ďalších dvoch premenných. Nemusíte však pamätať všetkých dvanásť rovníc, ak máte schopnosť algebraicky manipulovať s dvomi jednoduchými rovnicami uvedenými vyššie.

Ukážte, ako sa algebra používa na odvodenie desiatich "iných" foriem rovníc dvoch Ohmov zákonov / Joulovho zákona, ktoré sú tu uvedené.

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Nebudem vám ukázať, ako robiť algebraické manipulácie, ale ukážem vám desať ďalších rovníc. Po prvé, tie rovnice, ktoré môžu byť odvodené prísne od E = IR:

I = E


R

R = E


ja

Ďalej tieto rovnice, ktoré môžu byť odvodené prísne od P = IE:

I = P


E

E = P


ja

Ďalej, tie rovnice, ktoré môžu byť odvodené použitím algebraickej substitúcie medzi pôvodnými dvoma rovnicami uvedenými v otázke:

P = I2R

P = E 2


R

A nakoniec, tie rovnice, ktoré môžu byť odvodené z manipulácie s poslednými dvoma mocninnými rovnicami:

R = P


I 2

I =◉ √


P


R

E =


PR

R = E 2


P

Poznámky:

Algebra je veľmi dôležitým nástrojom v mnohých technických oblastiach. Jedným z pekných vecí o štúdiu elektroniky je to, že poskytuje pomerne jednoduchý kontext, v ktorom sa môžu naučiť (alebo aspoň osvetľovať) základné algebraické princípy.

To isté možno povedať aj pre koncepty kalkulu: základné princípy derivátov a integrály (s ohľadom na čas) sa dajú ľahko aplikovať na kondenzátorové a indukčné obvody, ktoré poskytujú študentom prístupný kontext, v ktorom možno tieto abstraktné pojmy pochopiť. Ale kalkul je téma pre neskoršie otázky v pracovnom hárku., ,

Otázka 18

V tomto obvode získajú tri odpory rovnaké množstvo prúdu (4 ampéry) z jedného zdroja. Vypočítajte množstvo napätia "spadnuté" každým odporom, rovnako ako množstvo energie rozptýlené v každom rezistore:

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

E 1 Ω = 4 volty

E 2 Ω = 8 voltov

E 3 Ω = 12 voltov

P 1 Ω = 16 wattov

P 2 Ω = 32 wattov

P 3 Ω = 48 wattov

Nasledujúca otázka: porovnajte smer prúdu cez všetky komponenty v tomto okruhu s polaritou ich príslušných poklesov napätia. Čo si všimnete o vzťahu medzi aktuálnym smerom a polaritou napätia batérie, v porovnaní so všetkými odpormi "poznámky skryté"> Poznámky:

Odpovede na túto otázku by nemali vytvárať žiadne prekvapenia, najmä ak študenti chápu elektrický odpor v zmysle trenia : rezistory s väčším odporom (väčšie trenie na pohyb elektrónov) vyžadujú väčšie napätie (push), aby sa cez ne dostali rovnaké množstvo prúdu. Rezistory s väčším odporom (trením) tiež rozptýlia viac energie vo forme tepla, vzhľadom na to isté množstvo prúdu.

Ďalším cieľom tejto otázky je vniesť do myšlienok študentov koncept komponentov v jednoduchom sériovom obvode, ktorý zdieľa to isté množstvo prúdu.

Vyzvite svojich študentov, aby rozpoznali akékoľvek matematické vzorce v príslušných poklesoch napätia a rozptýlení energie. Čo možno povedať, matematicky, o poklesu napätia napätia 2 Ω oproti odporu 1 Ω, napríklad?

Otázka č. 19

V tomto obvode majú tri odpory rovnaké napätie (24 voltov) z jedného zdroja. Vypočítajte množstvo prúdu "nakreslené" každým odporom, ako aj množstvo energie rozptýlené každým rezistorom:

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

I 1 Ω = 24 ampérov

I 2 Ω = 12 ampérov

I 3 Ω = 8 ampérov

P 1 Ω = 576 wattov

P 2 Ω = 288 wattov

P 3 Ω = 192 wattov

Poznámky:

Odpovede na túto otázku sa môžu zdajú byť paradoxné pre študentov: najnižšia hodnota odporu rozptýli najväčšiu silu . Matematika však neklame.

Ďalším cieľom tejto otázky je vniesť do myšlienok študentov koncept komponentov v jednoduchom paralelnom obvode, ktorý má rovnaké napätie.

Vyzvite svojich študentov, aby rozpoznali akékoľvek matematické vzory v príslušných prúdoch a rozptýlenie energie. Čo možno povedať, matematicky, o prúde, ktorý je nakreslený odporom 2 Ω oproti odporu 1 Ω, napríklad "pracovný panel panely panel-default"

Otázka 20

Jas žiarovky - alebo výkon rozptýlený akýmkoľvek elektrickým zaťažením - sa môže meniť vložením premenlivého odporu do obvodu, napríklad:

Táto metóda riadenia elektrickej energie nie je bez jej nevýhod. Zoberme si príklad, kedy je obvodový prúd 5 ampér, premenlivý odpor je 2 Ω a svietidlo na svojich svorkách klesá o 20 voltov napätia. Vypočítajte si výkon rozptýlený lampou, výkon rozptýlený variabilným odporom a celkový výkon poskytovaný zdrojom napätia. Potom vysvetlite, prečo táto metóda kontroly výkonu nie je ideálna.

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

P lampa = 100 wattov

P odpor = 50 wattov

P celkovo = 150 wattov

Následná otázka: všimnite si, ako v pôvodnej otázke ponúkol súbor hypotetických hodnôt, ktoré sa majú použiť pri zisťovaní, prečo sériový reostat (variabilný odpor) nie je účinným prostriedkom na reguláciu výkonu lampy. Vysvetlite, ako je predpoklad určitých hodnôt užitočnou technológiou riešenia problémov v prípadoch, keď nie sú uvedené žiadne hodnoty.

Poznámky:

Diskutujte o koncepcii zachovania energie: táto energia nemôže byť vytvorená ani zničená, ale iba zmenená medzi rôznymi formami. Na základe tohto princípu musí byť súčet všetkých odvodov energie v okruhu rovný celkovému množstvu energie dodávanej zdrojom energie bez ohľadu na to, ako sú komponenty spojené.

Otázka č. 21

Moderná metóda riadenia elektrickej energie zahŕňa vstavanie rýchleho spínača do prevádzky s elektrickou záťažou, ktorá časom veľmi rýchlo zapína a vypína. Zvyčajne sa používa zariadenie v pevnom stave, ako je tranzistor :

Tento obvod bol výrazne zjednodušený od okruhu skutočného napájacieho obvodu riadenia impulzov. Zobrazí sa len tranzistor (a nie obvod "impulz", ktorý je potrebný na to, aby sa zapol a vypol) pre jednoduchosť. Všetko, čo potrebujete vedieť, je skutočnosť, že tranzistor funguje ako jednoduchý jednopólový spínač (SPST), okrem toho, že je ovládaný skôr elektrickým prúdom než mechanickou silou a že je schopný zapnúť a vypnúť milióny krát za sekundu bez opotrebenia alebo únavy.

Ak je tranzistor dostatočne rýchle a pulzne pulzovaný, môže byť napájanie žiarovky plynule menené tak, ako by bolo riadené premenlivým odporom. Pri použití rýchleho spínacieho tranzistora na riadenie elektrickej energie je však veľmi málo energie, na rozdiel od toho, keď sa pre rovnakú úlohu používa premenlivý odpor. Tento režim riadenia elektrickej energie je bežne označovaný ako modulácia šírky impulzov alebo PWM .

Vysvetlite, prečo je riadenie výkonu PWM oveľa efektívnejšie ako riadenie zaťaženia pomocou sériového odporu.

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Keď je tranzistor zapnutý, pôsobí ako uzavretý spínač: prechádzajúci prúdom plného zaťaženia, ale kvapkou malého napätia. Jeho rozptýlenie "ON" (P = IE) je teda minimálne. Naopak, keď je tranzistor vypnutý, funguje ako otvorený prepínač: vôbec nepríde. Z tohto dôvodu je jeho rozptyl výkonu "POR" (P = IE) nulový. Výkon rozptýlený zaťažením (žiarovka) je časovo priemerný výkon rozptýlený medzi cykly tranzistorov "ON" a "OFF". To znamená, že zaťažovací výkon je riadený bez "plytvania" výkonu cez riadiace zariadenie.

Poznámky:

Študenti môžu ťažko pochopiť, ako môže byť žiarovka stmievaná tým, že ju zapne a vypne naozaj rýchlo. Kľúčom k pochopeniu tejto koncepcie je uvedomiť si, že doba prepínania tranzistora musí byť oveľa rýchlejšia ako čas potrebný na úplné zahriatie alebo úplné vychladenie žiarovky žiarovky. Situácia je podobná zníženiu rýchlosti automobilu tým, že sa rýchlo "čerpá" plynový pedál. Ak sa to pomaly, výsledkom je meniaca sa rýchlosť vozidla. Ak sa to urobí dostatočne rýchlo, hmotnosť vozidla je priemerom cyklu pedálov "ON" / "OFF" a výsledkom je takmer stála rýchlosť.

Táto technika je veľmi populárna v oblasti riadenia priemyselnej moci a získava popularitu ako technológia zvukovej amplifikácie (známa ako trieda D ). Výhody minimálneho zbytočného výkonu ovládacieho zariadenia sú veľa.

Otázka 22

Čo sa stane s jasom žiarovky, ak je vypínač v tomto okruhu náhle zatvorený? "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00103x01.png">

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

V ideálnom prípade nedôjde k žiadnej zmene jasu žiarovky, keď je spínač zatvorený, pretože zdroje napätia majú udržiavať konštantný výstup napätia bez ohľadu na zaťaženie. Ako ste možno predpokladali, dodatočný prúd "odtiahnutý" odporom, keď je spínač zatvorený, môže v skutočnosti spôsobiť mierne stmavnutie lampy, pretože napätie akumulátora sa "zaťažuje" pod prídavným zaťažením. Ak je batéria pre aplikáciu oveľa väčšia, stupeň napätia "sag" nebude dôležitý.

Poznámky:

Táto otázka ilustruje rozdiel medzi ideálnymi podmienkami všeobecne predpokladanými pre teoretické výpočty a týmito podmienkami, ktoré sa vyskytujú v reálnom živote. Skutočne, účelom zdroja napätia je udržiavať konštantné výstupné napätie bez ohľadu na zaťaženie (odťahovaný prúd), ale v reálnom živote je to takmer nemožné. Väčšina zdrojov napätia vykazuje určitý stupeň "prepadania" vo svojom výkone v celom rozsahu zaťažovacích prúdov, niektoré horšie ako iné.

V tomto príklade nie je možné povedať, koľko výstupu zdroja napätia sa "prepne", keď je spínač zatvorený, pretože nemáme tušenie o tom, aký odpor odporového prúdu bude porovnaný s odporom žiarovky alebo aké napätie menovitý výstupný prúd zdroja je. Jediné, čo môžeme povedať, je, že teoreticky nebude mať žiaden vplyv na zatvorenie spínača, ale že v reálnom živote dôjde k určitému stupňu stmievania pri zatvorení spínača.

Otázka 23

Čo by sa stalo, keby bol kábel bez odporu vôbec (0 Ω) pripojený priamo cez svorky 6-voltovej batérie? Koľko prúdu by bolo podľa Ohmovho zákona?

Predpokladajme, že sme skratovali 6-voltovú batériu spôsobom, ktorý sme práve opísali, a merať 8 ampérov prúdu. Prečo sa vypočítané hodnoty z predchádzajúceho odseku zhodujú so skutočným meraním "# 23"> Odhaľte odpoveď Skryť odpoveď

Ohmův zákon by naznačoval nekonečný prúd (prúd = napätie delené nulovým odporom). Avšak opísaný experiment prináša iba malé množstvo prúdu.

Ak si myslíte, že drôt používaný v experimente nie je odolný (tj má odpor) a že to zodpovedá rozdielu medzi predpokladaným a nameraným množstvom prúdu, ste čiastočne správne. Realisticky, malý kúsok drôtu, aký bol použitý v experimente, bude mať niekoľko desatín ohm odporu. Ak však prepočítate prúd s odporom drôtu 0, 1 Ω, stále nájdeš veľké rozdiely medzi predpoveďou a skutočným nameraným prúdom v tomto skratovaní.

Následná otázka # 1: vysvetlite, prečo samotný odpor drôtu nevysvetľuje skromný skratový prúd.

Následná otázka č. 2: identifikujte aspoň jedno nebezpečenstvo bezpečnosti súvisiace so skutočným experimentom ako je tento.

Poznámky:

Upozorňujeme študentom, že skratové testovanie elektrických zdrojov energie môže byť nebezpečné. Moja študentka raz naplnila 6-voltovú "lucernu" batériu do vrecka na náradie, len aby mala o hodinu neskôr výboj dymu po tom, ako boli koncové batérie skratované spolu s kľučkou!

Nie, Ohmův zákon tu nie je podvedený: skratovanie zdroja napätia s 0 Ω vodičom nebude mať za následok nekonečný prúd, pretože v takomto obvode existujú iné zdroje odporu. Úlohou tu je určiť, kde by mohli byť tieto zdroje a ako by sa dali nájsť.

  • ← Predchádzajúci pracovný list

  • Index pracovných hárkov

  • Nasledujúci pracovný list →

Expert Tipy