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- 23 Dicembre 2017
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Quando si inizia ad esplorare il mondo dell`energia elettrica e dell`elettronica, è fondamentale avviare attraverso la comprensione delle basi di tensione, corrente e resistenza. Questi sono i tre elementi di base necessari per manipolare e utilizzare l`energia elettrica. In un primo momento, questi concetti possono essere difficili da capire perché non possiamo "vederli". Non si può vedere ad occhio nudo l'energia che scorre attraverso un filo o la tensione di una batteria. Anche il lampo nel cielo, è visibile,ma in realtà non è veramente lo scambio di energia che avviene dalle nuvole alla terra, ma una reazione dell`aria per l'energia che passa attraverso di essa. Al fine di rilevare questo trasferimento di energia, dobbiamo utilizzare strumenti di misura quali multimetri, analizzatori di spettro e oscilloscopi per visualizzare ciò che sta accadendo con la carica in un circuito. Non temere, tuttavia, questo tutorial vi darà la conoscenza di base della tensione, corrente, e resistenza e di come i tre si collegano a vicenda.
Georg Ohm
In questo corso parleremo di:
Carica elettrica
L'elettricità è il movimento degli elettroni. Gli elettroni creano carica, che possiamo sfruttare per fare del lavoro. La vostra lampadina, lo stereo, il telefono, ecc, sono tutti sistemi che sfruttano il movimento degli elettroni in modo da fare lavoro. Essi operano tutti utilizzando la stessa sorgente di alimentazione di base: il movimento degli elettroni.
I tre principi di base per questo tutorial possono essere spiegati con gli elettroni, o più specificamente:
Georg Ohm era uno scienziato bavarese che ha studiato l`energia elettrica. Ohm inizia descrivendo l`unità di resistenza che è definita dalla corrente e dalla tensione. Quindi, cominciamo con la tensione.
Tensione
Definiamo tensione come la quantità di energia potenziale tra due punti su un circuito. Un punto ha più carica di un altro. Questa differenza di carica tra i due punti è detta tensione. Si misura in volt, che, tecnicamente, è la differenza di potenziale tra due punti che impartirà un joule di energia per coulomb di carica che passa attraverso di esso (non fatevi prendere dal panico se questo non ha senso, tutto sarà spiegato). L'unità "volt" prende il nome dal fisico italiano Alessandro Volta che ha inventato quello che è considerato la prima batteria chimica.
Tensione è rappresentato nelle equazioni e schemi per la lettera "V".
Nel descrivere tensione, corrente e resistenza, un'analogia comune è un serbatoio di acqua. In questa analogia, la carica è rappresentata dalla quantità di acqua, la tensione è rappresentata dalla pressione dell`acqua e la corrente è rappresentata dal flusso dall'acqua.
Così, per questa analogia, ricordate:
La pressione alla estremità del tubo può rappresentare la tensione. L'acqua nel serbatoio rappresenta la carica. Più acqua è presente nel serbatoio, maggiore è la carica e la pressione misurata alla fine del tubo.
Possiamo pensare a questo serbatoio come una batteria, un oggetto dove possiamo immagazzinare una certa quantità di energia e quindi rilasciarla. Se dreniamo il serbatoio di una certa quantità, la pressione creata alla fine del tubo scende. Come quando una torcia fa una luce debole quando le batterie si scaricano. C'è anche una diminuzione della quantità di acqua che scorre attraverso il tubo. Meno pressione significa meno acqua che scorre. Passiamo alla corrente.
Corrente
Possiamo pensare alla quantità di acqua che fluisce attraverso il tubo dal serbatoio come la corrente. Maggiore è la pressione, maggiore è il flusso, e vice-versa. Con l`acqua, dovremmo misurare il volume di acqua che fluisce attraverso il tubo in un certo periodo di tempo. Con l'elettricità, si misura la quantità di carica che fluisce attraverso il circuito per un periodo di tempo. La corrente viene misurata in Ampere (di solito solo indicato come "Amp").
Un ampere è definito come 6.241 * 10 18 elettroni (1 Coulomb) al secondo del passaggio attraverso un punto in un circuito. Gli ampere sono rappresentati nelle equazioni con la lettera "I".
Ora pensiamo a due serbatoi, ognuno con un tubo proveniente dal basso. Ogni serbatoio ha la stessa esatta quantità di acqua, ma il tubo su un serbatoio è più stretta del tubo sull'altro.
Si misura la stessa quantità di pressione al fine di entrambi i tubi, ma quando comincia il deflusso delle acque, la portata dell'acqua nel serbatoio con il tubo stretto sarà inferiore alla portata dell'acqua nel serbatoio con il tubo più ampio.
In termini elettrici, la corrente attraverso il tubo stretto è minore della corrente attraverso il tubo più largo. Se vogliamo che il flusso sia lo stesso attraverso entrambi i tubi, dobbiamo aumentare la quantità di acqua (carica) nel serbatoio con il tubo stretto.
Ciò aumenta la pressione (tensione) all'estremità del tubo stretto, spingendo più acqua attraverso il serbatoio. Questo è analogo ad un aumento della tensione che provoca un aumento di corrente.
Ora stiamo iniziando a vedere la relazione tra tensione e corrente. Ma vi è un terzo fattore da considerare qui: la larghezza del tubo. In questa analogia, la larghezza del tubo è la resistenza. Questo significa che abbiamo bisogno di aggiungere un altro termine al nostro modello:
Resistenza
Consideriamo ancora una volta i nostri due serbatoi d'acqua, uno con un tubo stretto e uno con un tubo ampio.
E 'ovvio che non passa tanto volume attraverso un tubo stretto di uno più largo alla stessa pressione. Questa è la resistenza. Il tubo stretto "resiste" il flusso di acqua attraverso di esso anche se l'acqua è alla stessa pressione del serbatoio con il tubo più largo.
In termini elettrici, questo è rappresentato da due circuiti con tensioni uguali e diverse resistenze. Il circuito con la maggiore resistenza permetterà a meno cariche di fluire, cioè il circuito con maggiore resistenza ha meno corrente che lo attraversa.
Questo ci riporta a Georg Ohm. Ohm definisce l'unità di resistenza di "1 Ohm" come la resistenza tra due punti in un conduttore in cui l'applicazione di 1 volt spingerà 1 ampere, o 6.241 × 10 18 elettroni. Questo valore è normalmente rappresentato in schemi con la lettera greca "Ω", che si chiama omega, e pronunciato "ohm".
Legge di Ohm
Combinando gli elementi di tensione, corrente e resistenza Ohm sviluppato la formula:
Dove
Utilizzando la legge di Ohm si può dire:
Diciamo che questo rappresenta il nostro serbatoio con un ampio tubo. La quantità di acqua nel serbatoio è definito come 1 volt e la "ristrettezza" (resistenza al flusso) del tubo è definito come 1 ohm. Utilizzando legge Ohm, questo ci dà un flusso di (corrente) 1 ampere.
Usando questa analogia, diamo ora un'occhiata al serbatoio con il tubo stretto. Poiché il tubo è più stretto, la sua resistenza al flusso è maggiore. Definiamo questa resistenza come 2 ohm. La quantità di acqua nel serbatoio è lo stesso come l'altro serbatoio, quindi, usando la legge di Ohm, l'equazione per il serbatoio con il tubo stretta è
Ma qual è l'attuale? Poiché la resistenza è maggiore, e la tensione è la stessa, questo ci dà un valore di corrente di 0,5 A:
Così, la corrente è inferiore nel serbatoio con maggiore resistenza. Ora possiamo vedere che se conosciamo due dei valori della legge di Ohm, possiamo risolvere il terzo. Cerchiamo di dimostrare questo con un esperimento.
Esperimento con la legge di Ohm
Per questo esperimento, useremo una batteria da 9 volt per alimentare un LED. I LED sono fragili e possono sopportare solo una certa quantità di corrente che fluisce attraverso di loro prima che bruciano. Nel datasheet di un LED, ci sarà sempre una "corrente". Questa è la quantità massima di corrente che può fluire attraverso il LED particolare prima che brucia.
NOTA: i LED sono noti come un dispositivi "non ohmici". Ciò significa che l'equazione per la corrente che attraversa il LED stesso non è così semplice come V = IR. Il LED introduce un cosiddetto "caduta di tensione" nel circuito, cambiando così la quantità di corrente che l'attraversa. Tuttavia, in questo esperimento stiamo semplicemente cercando di proteggere il LED da sovracorrente, quindi dovremo trascurare le caratteristiche attuali del LED e scegliere il valore della resistenza utilizzando la legge di Ohm in modo da essere sicuri che la corrente che attrevarsa il LED è sempre sotto 20mA.
Per questo esempio, abbiamo una batteria da 9 volt e un LED con una corrente nominale di 20 milliampere, o 0,020 ampere. Per essere sicuri, preferiamo non guidare il LED al massimo della corrente, ma su quella suggerita nel datasheet che è di 18mA, o 0.018 ampere. Se dobbiamo semplicemente collegare il LED direttamente alla batteria, i valori rispetto la legge di Ohm saranno in questo modo:
Perciò:
e dal momento che non abbiamo alcuna resistenza ancora:
Divisione per zero ci dà corrente infinita!
Ebbene, non infinito in pratica, ma tanta corrente quanto la batteria può fornire. Dal momento che non vogliamo che scorra molta corrente attraverso il nostro LED, avremmo bisogno di una resistenza. Il nostro circuito dovrebbe essere simile a questo:
Possiamo usare la legge di Ohm esattamente allo stesso modo per determinare il valore della resistenza per ottenere il valore della corrente desiderato:
Perciò:
inseriamo i nostri valori
soluzione per la resistenza
Quindi, abbiamo bisogno di un valore di resistenza di circa 500 ohm per mantenere la corrente che attraversa il LED sotto la corrente nominale massima.
500 ohm non è un valore commerciale per resistenze, quindi questo dispositivo utilizza una resistenza da 560 Ohm al suo posto. Ecco come il nostro dispositivo si presenta con tutti i componenti messi insieme.
Successo! Abbiamo scelto un valore di resistenza che è abbastanza alto per mantenere la corrente attraverso il LED al di sotto del suo valore massimo, ma abbastanza basso che la corrente è sufficiente a mantenere bello luminoso il LED.
Questo esempio di limitazione della corrente LED con una resistenza è un evento comune nel campo dell'elettronica hobbistica. Avrete spesso bisogno di usare la legge di Ohm per modificare la quantità di corrente che fluisce attraverso il circuito.
Limitazione della corrente con la resistenza, prima o dopo il LED?
Per rendere le cose un po 'più complicato, è possibile inserire il resistore di limitazione della corrente su entrambi i lati del LED, e funzionerà lo stesso!
Molte persone che imparano l'elettronica per la prima volta la lotta con l'idea che un resistore limitatore di corrente può vivere su entrambi i lati del LED e il circuito continuerà a funzionare come al solito.
Immaginate un fiume in un ciclo continuo, un infinito, circolare, fiume che scorre. Se dovessimo mettere una diga in esso, l'intero fiume sarebbe fermerà, non solo da un lato. Ora immaginiamo abbiamo posto una ruota ad acqua nel fiume che rallenta il flusso del fiume. Non sarebbe importa in quale parte del cerchio viene posto della ruota di acqua, sarà ancora rallentare il flusso sul fiume intero .
Questa è una semplificazione, come la resistenza di limitazione di corrente non può essere posizionato in qualsiasi punto del circuito ; esso può essere posizionato su entrambi i lati del LED per svolgere la sua funzione.
Per una risposta più scientifica, ci rivolgiamo alla Legge di tensione di Kirchoff . È a causa di questa legge che il resistore limitatore di corrente può andare su entrambi i lati del LED e avere ancora lo stesso effetto.
Georg Ohm
In questo corso parleremo di:
- Come la carica elettrica interagisce con tensione, corrente e resistenza.
- Che cosa sono tensione, corrente, e resistenza.
- Che cosa è la legge di Ohm e come usarla per capire l'elettricità.
- Un semplice esperimento per dimostrare questi concetti.
Carica elettrica
L'elettricità è il movimento degli elettroni. Gli elettroni creano carica, che possiamo sfruttare per fare del lavoro. La vostra lampadina, lo stereo, il telefono, ecc, sono tutti sistemi che sfruttano il movimento degli elettroni in modo da fare lavoro. Essi operano tutti utilizzando la stessa sorgente di alimentazione di base: il movimento degli elettroni.
I tre principi di base per questo tutorial possono essere spiegati con gli elettroni, o più specificamente:
- La Tensione è la differenza di carica tra due punti.
- La Corrente è il flusso di carica che scorre.
- La Resistenza è la tendenza di un materiale di resistere al flusso di carica (corrente).
Georg Ohm era uno scienziato bavarese che ha studiato l`energia elettrica. Ohm inizia descrivendo l`unità di resistenza che è definita dalla corrente e dalla tensione. Quindi, cominciamo con la tensione.
Tensione
Definiamo tensione come la quantità di energia potenziale tra due punti su un circuito. Un punto ha più carica di un altro. Questa differenza di carica tra i due punti è detta tensione. Si misura in volt, che, tecnicamente, è la differenza di potenziale tra due punti che impartirà un joule di energia per coulomb di carica che passa attraverso di esso (non fatevi prendere dal panico se questo non ha senso, tutto sarà spiegato). L'unità "volt" prende il nome dal fisico italiano Alessandro Volta che ha inventato quello che è considerato la prima batteria chimica.
Tensione è rappresentato nelle equazioni e schemi per la lettera "V".
Nel descrivere tensione, corrente e resistenza, un'analogia comune è un serbatoio di acqua. In questa analogia, la carica è rappresentata dalla quantità di acqua, la tensione è rappresentata dalla pressione dell`acqua e la corrente è rappresentata dal flusso dall'acqua.
Così, per questa analogia, ricordate:
- Acqua = Carica
- Pressione = Tensione
- Flusso = Corrente
Possiamo pensare a questo serbatoio come una batteria, un oggetto dove possiamo immagazzinare una certa quantità di energia e quindi rilasciarla. Se dreniamo il serbatoio di una certa quantità, la pressione creata alla fine del tubo scende. Come quando una torcia fa una luce debole quando le batterie si scaricano. C'è anche una diminuzione della quantità di acqua che scorre attraverso il tubo. Meno pressione significa meno acqua che scorre. Passiamo alla corrente.
Corrente
Possiamo pensare alla quantità di acqua che fluisce attraverso il tubo dal serbatoio come la corrente. Maggiore è la pressione, maggiore è il flusso, e vice-versa. Con l`acqua, dovremmo misurare il volume di acqua che fluisce attraverso il tubo in un certo periodo di tempo. Con l'elettricità, si misura la quantità di carica che fluisce attraverso il circuito per un periodo di tempo. La corrente viene misurata in Ampere (di solito solo indicato come "Amp").
Un ampere è definito come 6.241 * 10 18 elettroni (1 Coulomb) al secondo del passaggio attraverso un punto in un circuito. Gli ampere sono rappresentati nelle equazioni con la lettera "I".
Ora pensiamo a due serbatoi, ognuno con un tubo proveniente dal basso. Ogni serbatoio ha la stessa esatta quantità di acqua, ma il tubo su un serbatoio è più stretta del tubo sull'altro.
Si misura la stessa quantità di pressione al fine di entrambi i tubi, ma quando comincia il deflusso delle acque, la portata dell'acqua nel serbatoio con il tubo stretto sarà inferiore alla portata dell'acqua nel serbatoio con il tubo più ampio.
In termini elettrici, la corrente attraverso il tubo stretto è minore della corrente attraverso il tubo più largo. Se vogliamo che il flusso sia lo stesso attraverso entrambi i tubi, dobbiamo aumentare la quantità di acqua (carica) nel serbatoio con il tubo stretto.
Ora stiamo iniziando a vedere la relazione tra tensione e corrente. Ma vi è un terzo fattore da considerare qui: la larghezza del tubo. In questa analogia, la larghezza del tubo è la resistenza. Questo significa che abbiamo bisogno di aggiungere un altro termine al nostro modello:
- Acqua = Carica (misurata in coulomb)
- Pressione = Tensione (misurata in Volt)
- Flusso = Corrente (misurata in Ampere, o "Amp" in breve)
- Larghezza del tubo = Resistenza
Resistenza
Consideriamo ancora una volta i nostri due serbatoi d'acqua, uno con un tubo stretto e uno con un tubo ampio.
E 'ovvio che non passa tanto volume attraverso un tubo stretto di uno più largo alla stessa pressione. Questa è la resistenza. Il tubo stretto "resiste" il flusso di acqua attraverso di esso anche se l'acqua è alla stessa pressione del serbatoio con il tubo più largo.
In termini elettrici, questo è rappresentato da due circuiti con tensioni uguali e diverse resistenze. Il circuito con la maggiore resistenza permetterà a meno cariche di fluire, cioè il circuito con maggiore resistenza ha meno corrente che lo attraversa.
Questo ci riporta a Georg Ohm. Ohm definisce l'unità di resistenza di "1 Ohm" come la resistenza tra due punti in un conduttore in cui l'applicazione di 1 volt spingerà 1 ampere, o 6.241 × 10 18 elettroni. Questo valore è normalmente rappresentato in schemi con la lettera greca "Ω", che si chiama omega, e pronunciato "ohm".
Legge di Ohm
Combinando gli elementi di tensione, corrente e resistenza Ohm sviluppato la formula:
Dove
- V = Tensione in volt
- I = Corrente in ampere
- R = Resistenza in ohm
Utilizzando la legge di Ohm si può dire:
Diciamo che questo rappresenta il nostro serbatoio con un ampio tubo. La quantità di acqua nel serbatoio è definito come 1 volt e la "ristrettezza" (resistenza al flusso) del tubo è definito come 1 ohm. Utilizzando legge Ohm, questo ci dà un flusso di (corrente) 1 ampere.
Usando questa analogia, diamo ora un'occhiata al serbatoio con il tubo stretto. Poiché il tubo è più stretto, la sua resistenza al flusso è maggiore. Definiamo questa resistenza come 2 ohm. La quantità di acqua nel serbatoio è lo stesso come l'altro serbatoio, quindi, usando la legge di Ohm, l'equazione per il serbatoio con il tubo stretta è
Ma qual è l'attuale? Poiché la resistenza è maggiore, e la tensione è la stessa, questo ci dà un valore di corrente di 0,5 A:
Così, la corrente è inferiore nel serbatoio con maggiore resistenza. Ora possiamo vedere che se conosciamo due dei valori della legge di Ohm, possiamo risolvere il terzo. Cerchiamo di dimostrare questo con un esperimento.
Esperimento con la legge di Ohm
Per questo esperimento, useremo una batteria da 9 volt per alimentare un LED. I LED sono fragili e possono sopportare solo una certa quantità di corrente che fluisce attraverso di loro prima che bruciano. Nel datasheet di un LED, ci sarà sempre una "corrente". Questa è la quantità massima di corrente che può fluire attraverso il LED particolare prima che brucia.
NOTA: i LED sono noti come un dispositivi "non ohmici". Ciò significa che l'equazione per la corrente che attraversa il LED stesso non è così semplice come V = IR. Il LED introduce un cosiddetto "caduta di tensione" nel circuito, cambiando così la quantità di corrente che l'attraversa. Tuttavia, in questo esperimento stiamo semplicemente cercando di proteggere il LED da sovracorrente, quindi dovremo trascurare le caratteristiche attuali del LED e scegliere il valore della resistenza utilizzando la legge di Ohm in modo da essere sicuri che la corrente che attrevarsa il LED è sempre sotto 20mA.
Per questo esempio, abbiamo una batteria da 9 volt e un LED con una corrente nominale di 20 milliampere, o 0,020 ampere. Per essere sicuri, preferiamo non guidare il LED al massimo della corrente, ma su quella suggerita nel datasheet che è di 18mA, o 0.018 ampere. Se dobbiamo semplicemente collegare il LED direttamente alla batteria, i valori rispetto la legge di Ohm saranno in questo modo:
Perciò:
e dal momento che non abbiamo alcuna resistenza ancora:
Divisione per zero ci dà corrente infinita!
Ebbene, non infinito in pratica, ma tanta corrente quanto la batteria può fornire. Dal momento che non vogliamo che scorra molta corrente attraverso il nostro LED, avremmo bisogno di una resistenza. Il nostro circuito dovrebbe essere simile a questo:
Possiamo usare la legge di Ohm esattamente allo stesso modo per determinare il valore della resistenza per ottenere il valore della corrente desiderato:
Perciò:
inseriamo i nostri valori
soluzione per la resistenza
Quindi, abbiamo bisogno di un valore di resistenza di circa 500 ohm per mantenere la corrente che attraversa il LED sotto la corrente nominale massima.
500 ohm non è un valore commerciale per resistenze, quindi questo dispositivo utilizza una resistenza da 560 Ohm al suo posto. Ecco come il nostro dispositivo si presenta con tutti i componenti messi insieme.
Successo! Abbiamo scelto un valore di resistenza che è abbastanza alto per mantenere la corrente attraverso il LED al di sotto del suo valore massimo, ma abbastanza basso che la corrente è sufficiente a mantenere bello luminoso il LED.
Questo esempio di limitazione della corrente LED con una resistenza è un evento comune nel campo dell'elettronica hobbistica. Avrete spesso bisogno di usare la legge di Ohm per modificare la quantità di corrente che fluisce attraverso il circuito.
Limitazione della corrente con la resistenza, prima o dopo il LED?
Per rendere le cose un po 'più complicato, è possibile inserire il resistore di limitazione della corrente su entrambi i lati del LED, e funzionerà lo stesso!
Molte persone che imparano l'elettronica per la prima volta la lotta con l'idea che un resistore limitatore di corrente può vivere su entrambi i lati del LED e il circuito continuerà a funzionare come al solito.
Immaginate un fiume in un ciclo continuo, un infinito, circolare, fiume che scorre. Se dovessimo mettere una diga in esso, l'intero fiume sarebbe fermerà, non solo da un lato. Ora immaginiamo abbiamo posto una ruota ad acqua nel fiume che rallenta il flusso del fiume. Non sarebbe importa in quale parte del cerchio viene posto della ruota di acqua, sarà ancora rallentare il flusso sul fiume intero .
Questa è una semplificazione, come la resistenza di limitazione di corrente non può essere posizionato in qualsiasi punto del circuito ; esso può essere posizionato su entrambi i lati del LED per svolgere la sua funzione.
Per una risposta più scientifica, ci rivolgiamo alla Legge di tensione di Kirchoff . È a causa di questa legge che il resistore limitatore di corrente può andare su entrambi i lati del LED e avere ancora lo stesso effetto.