題:
為什麼這些讀數違反了歐姆定律? (是嗎?)
Bas
2015-09-28 14:58:40 UTC
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我正在重新學習高中的電子知識,因此決定嘗試使用一個我周圍躺著的小型水族箱泵。我用萬用表進行了一些測量,結果使我無休止。讀數似乎與歐姆定律不符,當前抽獎似乎有所不同,等等,現在我很困惑。

我有這個小型泵兩節AA電池。根據(稀疏)數據表,它的額定電壓為3V,消耗的電流為“ < 460mA”。使用萬用表讀取電池電壓(未連接時),我得到了3.18V,這是有道理的,因為它們是新鮮的AA電池。然後,我決定連接泵並讀取泵上兩個連接器上的電壓。讀到2.9V,這對我來說是令人驚訝的,因為顯然0.28V已經消失了。從電池到泵的電線都只有幾厘米長,所以在這麼短的電線上損失的電壓似乎很大。然後,我將萬用表插入電路,並測量到0.19A。最後,我測量了泵的電阻,為3.5歐姆。

現在,根據歐姆定律,U = I * R,所以0.19A * 3.5歐姆= 0.665V。與泵上測得的3.18V甚至2.9V相差甚遠。

嘗試其他方法,我將泵從舊PC的電源連接到5V Molex連接器。測量Molex連接器上的電壓,我得到5.04V。在泵的連接器上測量,我得到4.92V。將萬用表插入電路後,我突然讀取了0.28A。因此,很明顯,泵突然比以前吸收了200mA的電流,這似乎很奇怪:難道不是一個組件只吸收所需的電流嗎?將這些數字扔進歐姆定律,我得到4.92 / 0.28 = 17.575。也不是我測量的3.5歐姆。

最後,我決定添加一些電阻器,以將5V電壓從Molex降至大約3V。我串聯了幾個1 Ohm電阻,測得的電阻為4.3 Ohms。現在,如果將萬用表插入電路,則將獲得0.24A電流,而電流又會不同。測量電阻兩端的電壓,我得到0.98V,而測量泵兩端的電壓,我得到3.93V。 0.24A * 4.3歐姆= 1.032V,這不是我測量的0.98V。

我顯然缺少有關電路或歐姆定律的基本知識,但我無法弄清楚。我考慮了一個事實,即泵的電阻在連接時會發生變化,但是我在電阻器上測得的值也不遵循歐姆定律仍然沒有道理。我想念什麼?

如果僅使用一個萬用表在電流和電壓之間進行切換,那麼您將永遠無法獲得準確的讀數。
為何如此?你能詳細說明嗎?
在測量電流時,您是否考慮過萬用表的內部電阻?電池的內阻(應該很低,但您永遠不會知道)?
0.98V至1.032V相當接近。4%的誤差幅度。
閱讀http://www.dummies.com/how-to/content/generalize-impedance-to-expand-ohms-law-to-capacit.html
另請觀看https://www.youtube.com/watch?v=C1-klL3B9LU,以快速了解直流電動機。
嗯,https://www.youtube.com/watch?v = LAtPHANEfQo更加專業。
六 答案:
helloworld922
2015-09-28 15:25:25 UTC
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正如您所發現的,電動機沒有很好地建模為電阻器,因此不符合歐姆定律。

對於直流電動機,更好的模型是有一些電阻與可變電壓源串聯。

此外,電池還具有一些內部電阻,可以將其建模為串聯電阻*。 PC電源也可以使用相同的型號,但是串聯電阻可能會更小。系統如下所示:

schematic

模擬該電路 –使用 CircuitLab創建的原理圖 sup>

我們可以解釋為什麼在第一種情況下,由於我們具有分壓器,因此您測得的電壓小於空載電池電壓。做一些數學運算,

\開始{align} V_ {emf} = V_ +-I R_m \\ R_s = \ frac {V_ {bat}-V _ +} {I} \ end {align}

您測量了\ $ R_m = 3.5 \ Omega \ $,\ $ I = 0.19 A \ $和\ $ V_ + = 2.9V \ $,因此\ $ V_ {emf} = 2.24 V \ $和\ $ R_s = 1.47 \ Omega \ $。

在第二種情況下,\ $ V_ + = 4.92V \ $和\ $ I = 0.28A \ $。因此:\ $ V_ {emf} = 3.94 V \ $和\ $ R_s = 0.43 \ Omega \ $。

請注意\ $ V_ {emf} \ $在兩者之間是不同的。這是因為\ $ V_ {emf} \ $與電機旋轉的速度大致成線性比例關係。您應該已經觀察到,當連接到5V電源時,電動機旋轉得更快。

此外,萬用表通過引入串聯分流電阻並測量該電阻兩端的電壓來測量電流的方式。這進一步使分析複雜化,因此測量的電流和負載電壓不完全相關。進行分析比較困難,但是如果您知道串聯電阻的話,這是可能的。有時在額定測試電流下將其稱為“負載電壓”,您可以使用歐姆定律來恢復分流電阻。

僅需一次即可重建測得的負載電壓儀表,但是它需要更多有關\ $ V_ {emf} \ $的行為的信息,這超出了此答案的範圍。

如果將電錶設置為最大電流範圍,這將使用最小的分流電阻,則可以以損失一些精度為代價來最大程度地降低電錶串聯的影響。

*注意:電池的內部電阻並不恒定,但這是一個合理的近似值。這取決於很多因素,包括但不限於存儲的能量,溫度和負載。

即使對於非常笨拙的電阻,也可以在DMM的數據表中找到其閉合電阻值。
感謝您的詳細回复。不過,我對數學很困惑。我看不出Vemf和V +之間的區別。我從公式中得出,Vemf為V +減去由電動機電阻降低的電壓,但我不知道其與電路的關係。Vemf是電動機降低的電壓嗎?
“ Vemf”是充當發電機的電動機:每個電動機也是發電機。電動機中的“ Vemf”與電動機兩端施加的電壓相反,並且與電動機的速度成正比。這就是為什麼使電動機失速對電動機不利:“ Vemf = 0”,並且實際上是在使流經電動機的電流最大化,這可能會導致熱損壞(也稱為過熱)。
由於基爾霍夫(Kirchhoff)的電壓定律,您可以將“ Vemf”看作是電動機兩端的電壓降:從地面反向工作,\ $ V_ + = V_ {emf} + V_ {Rm} \ $。用歐姆定律代入\ $ V_ {Rm} \ $並重新安排方程式就可以得出我的答案。
另外,對於大多數電錶,尤其是便宜的電錶,您可以使用歐姆範圍,將正極引線插入電流插座以測量分流電阻。也方便檢查保險絲燒斷。
Adam Haun
2015-09-29 02:12:34 UTC
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Helloworld922的答案正確且相當不錯,但我認為它可以一次幫助您直接回答您的問題。

使用萬用表讀取電池電壓(未連接任何電壓) )我獲得了3.18V的電壓,這很有意義,因為它們是新鮮的AA電池。然後,我決定連接泵並讀取泵上兩個連接器上的電壓。讀到2.9V,這對我來說是令人驚訝的,因為顯然0.28V已經消失了。從電池到泵的電線都只有幾厘米長,所以在這麼短的電線上似乎損失了很多電壓。

電池(和其他一些電壓源)如果未連接負載,則可產生比正常情況更高的電壓。 AA電池的標稱電壓為1.5V,因此您的第二次測量實際上接近標稱電壓。引用 Wikipedia:“不放電鹼性電池的有效零負載電壓範圍為1.50 V至1.65 V,具體取決於所用二氧化錳的純度和電解液中氧化鋅的含量。負載下的平均電壓取決於放電水平和汲取的電流量,範圍從1.1到1.3V。”導線兩端的電壓降應接近零。

然後,我將萬用表插入電路中,並測得0.19A。最後,我測量了泵的電阻,該電阻為3.5歐姆。現在,根據歐姆定律,U = I * R,所以0.19A * 3.5歐姆= 0.665V。與在泵上測得的3.18V甚至2.9V相差甚遠。怎麼可能?

HelloWorld922的答案涵蓋了這一點。這裡有兩點要理解。首先,電動機不是電阻,儘管其電線確實具有電阻。其次,電動機旋轉時會產生電壓,即所謂的反電動勢。反電動勢與電動機電流相反。您預計泵將消耗:

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

該電流稱為堵轉電流,這是泵卡住時的期望值。在這種情況下,電池上唯一的負載就是泵接線的電阻。泵移動時,必須考慮反電動勢。電流也不是真正恆定的。

嘗試其他方法,我將泵連接到舊PC電源的5V Molex連接器上。 ...將萬用表插入電路時,突然讀取0.28A。因此,很明顯,泵突然比以前吸收了200mA的電流,這似乎很奇怪:難道不是一個組件應該僅僅吸收所需的電流嗎?

否。對於某些基於晶體管的電子設備,但並非所有組件都是如此。 (晶體管的作用大致類似於恆定電流吸收器。)

我串聯了兩個一對1 Ohm的電阻,測得的電阻為4.3 Ohms。現在,如果將萬用表插入電路,則將獲得0.24A電流,而電流又會不同。測量電阻兩端的電壓,我得到0.98V ... 0.24A * 4.3歐姆= 1.032V,這不是測得的0.98VI。

萬用表確實會影響所連接的電路至。您必須檢查其規格才能進行精確計算。直觀地講,電錶用作與4.3歐姆並聯的電阻。這減小了總電阻,從而減小了電壓降。 (無論如何,這都是我的猜測-就像我說的那樣,取決於電錶。)

我顯然缺少有關電路或歐姆定律的基本知識,但我無法弄清楚。

歐姆定律不是電路的絕對定律。這是某些材料(稱為歐姆材料)的屬性。即使在正常情況下,也很少有實際設備可以建模為簡單的電阻器! (在高頻下,即使(物理)電阻也不再是(電路理論)電阻,但我現在將為您省去那些細節。:-))

(低頻)電路中可以依賴的規則是:

  1. 基爾霍夫電壓定律:閉環周圍的電壓總和必須等於零。
  2. 基爾霍夫電流定律:進入和離開電路節點的電流之和必須等於零。
  3. 能量守恆:瞬時功率之和(v(t)* i(t))電路中每個組件產生和消耗的電量必須等於零。
  4. ol>

    其他所有事情都在建模。如果要預測電路的行為,則需要為組件提供良好的模型。就像大家都說的那樣,電阻不是泵的好模型。

感謝您抽出寶貴時間分別回答這些各種問題。我曾考慮過將它們分解為單獨的問題,但它們僅在彼此的上下文中才有意義。
Phil Frost
2015-09-29 00:57:01 UTC
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使用萬用表讀取電池電壓(無任何連接),我得到3.18V,這是有道理的,因為它們是新鮮的AA電池。然後,我決定連接泵,並讀取泵上兩個連接器上的電壓。讀到2.9V,這使我感到驚訝,因為顯然0.28V消失了。

考慮一下如果不是這種情況會發生什麼。如果您可以將負載連接到電池並且電壓保持不變怎麼辦?如果該負載只是電線怎麼辦?

schematic

模擬該電路 –使用 CircuitLab a創建的原理圖> sup>

這裡將流過多少電流?好吧,理想的電線是0Ω電阻,並且兩端有3V電壓。使用歐姆定律,我們可以將3V除以電阻以獲得電流(\ $ I = E / R \ $):

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

enter image description here

在實踐中,導線具有一定的抵抗力,因此我們實際上並沒有最終創建一個Universe-結束奇點。如果導線很短且很胖,並且電阻為0.0001Ω,該怎麼辦?

$$ I = \ frac {3 \:\ mathrm V} {0.0001 \:\ Omega} = 30000 \: \ mathrm A $$

哇,這是最新的消息。我希望電線會立即蒸發。

當然,這不是實際發生的情況。實際電池具有內部電阻,該電阻是其金屬部分的實際電阻與其中電解質的有限電導率之和,其化學性質限制了在其中發生的反應速率電池,使它們能夠泵送電荷。

我們可以大致計算出此內阻是多少。我們知道,在0A時,電池兩端的電壓為3.18V。我們知道,在泵運行的情況下,您測得的電壓為2.9V和0.19A。因此:

schematic

模擬此電路 sup>

我們知道,串聯電路中的每個地方電流都是相同的,電阻中必須流過0.19A電流。而且我們需要計算該電阻的值,以使電阻兩端的電壓“缺失” 0.28V。這是歐姆定律的應用:

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

這不是歐姆定律的應用。歐姆定律僅適用於電阻器。它不適用於:

  • 電動機
  • 二極管
  • 晶體管
  • 電容器
  • 電感器
  • 熒光燈燈泡

在電流始終等於電壓乘以電阻的情況下,我們在製造電子產品方面將受到真正的限制!我們只能製造線性電路,這意味著我們不能擁有計算機或收音機。

我真的很欣賞理論上的“假設”場景。對我來說,將事情放在一種實際的環境中確實很有幫助,謝謝!
corecode
2015-09-28 15:04:54 UTC
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電動機不是歐姆電阻。有感應器和磁場在起作用,它們會改變視在電阻(阻抗),超出您用萬用表測量的值。

但是,這如何解釋我在電阻器系列中讀取的值?
Stefan Merfu
2015-09-28 15:08:32 UTC
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每個電池的內部電阻都會使電池兩端的電壓下降,這就是為什麼您會看到這種差異(3.18V至2.9V)的原因。您不能依靠電動機的電阻,它會因許多因素而變化。

但是,如果電阻是電池內部的電阻,那麼在測量電池端子時是否也應該測量下降值? 另外,我猜電機的電阻會變化,但是串聯電阻又如何呢?我在那裡測量的值也不等於歐姆定律。
萬用表幾乎不消耗電池電量,因此電流幾乎為零,並且在該電阻上不會看到任何壓降。相反,當您使用負載(200 mA)時,該電阻是串聯的,因此該200mAx電池的電阻將決定電壓降。電池的電阻將隨溫度和許多其他因素而變化。您可以查看電池的數據表。
user1512321
2015-09-28 20:52:10 UTC
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歐姆定律實際上不是一個定律,它是統計熱和給定條件下材料性質的結果。

要在@ helloworld992上增加一點,電動機的電流消耗取決於負載穿過它。這是因為Vemf取決於轉速。

如果電動機完全無損,則在達到速度後它將不消耗電流(因此也不會消耗功率)。

相反,如果使電動機失速,則會造成短路,電流僅受電池,電線等內部電阻的限制。



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