Perché queste letture violano la legge di Ohm? (Sono loro?)

Sto migliorando le mie conoscenze sull'elettronica del liceo e ho deciso di sperimentare una piccola pompa da acquario che avevo in giro. Ho preso alcune misurazioni con un multimetro e i risultati mi confondono all'infinito. Le letture non sembrano corrispondere alla legge di Ohm, il sorteggio attuale sembra differire, ecc., E ora sono sconcertato.

Ho questa piccola pompa collegata a due batterie AA. Secondo la scheda tecnica (sparsa), è valutato per 3 V e assorbe una corrente di "<460 mA". Usando il multimetro per leggere la tensione della batteria (senza niente collegato) ho ottenuto 3,18 V, il che ha senso perché erano batterie AA nuove. Ho quindi deciso di collegare la pompa e leggere la tensione sui due connettori sulla pompa. Questa lettura 2.9V, che mi ha sorpreso perché apparentemente 0.28V era scomparsa. I cavi dalla batteria alla pompa sono entrambi lunghi solo un paio di centimetri, quindi sembra che ci sia molta tensione da perdere su fili così corti. Ho quindi inserito il multimetro nel circuito e misurato 0,19 A. Infine, ho misurato la resistenza della pompa, che era di 3,5 ohm.

Ora, secondo la legge di Ohm, U = I * R, quindi 0,19 A * 3,5 Ohm = 0,665 V. Un grido lontano da 3.18 V o anche il 2.9 VI misurato sulla pompa. Com'è possibile?

Cercando qualcos'altro, ho collegato la pompa a un connettore molex da 5 V dall'alimentatore di un vecchio PC. Misurando la tensione sul connettore molex, ottengo 5,04 V. Misurando sui connettori della pompa, ottengo 4.92V. Inserendo il multimetro nel circuito, ho letto improvvisamente 0,28A. Quindi, a quanto pare, la pompa assorbe improvvisamente 200 mA in più rispetto a prima, il che sembra strano: un componente non dovrebbe semplicemente assorbire la corrente richiesta? Lanciare questi numeri nella legge di Ohm mi dà 4,92 / 0,28 = 17,575. Inoltre non ho misurato i 3,5 Ohm.

Alla fine, ho deciso di aggiungere alcuni resistori per far scendere i 5V dal molex fino a circa 3V. Ho aggiunto un paio di resistori da 1 Ohm in serie che hanno prodotto una resistenza misurata di 4,3 Ohm. Ora, se inserisco il multimetro nel circuito ottengo 0,24A, ancora una volta una corrente diversa. Misurando la tensione attraverso i resistori ottengo 0,98 V, e misurando attraverso la pompa ottengo 3,93 V. 0,24 A * 4,3 Ohm = 1,032 V, che non è lo 0,98 V misurato.

Mi sembra che manchi qualcosa di fondamentale sui circuiti o sulla legge di Ohm, ma non riesco a capirlo. Ho considerato il fatto che la resistenza della pompa cambia quando è collegata, ma non ha ancora senso che i valori misurati sui resistori non seguano nemmeno la legge di Ohm. Cosa mi sto perdendo?

Come hai scoperto, un motore elettrico non è ben modellato come un resistore e come tale non obbedisce alla legge di Ohm.

Un modello migliore per un motore elettrico CC è la resistenza in serie con una sorgente di tensione variabile.

Inoltre, una batteria ha una certa resistenza interna, che può essere modellata come un resistore serie *. Anche un alimentatore per PC può utilizzare questo stesso modello, ma è probabile che la resistenza in serie sia inferiore. Il sistema si presenta quindi come:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Possiamo spiegare perché nel primo caso la tensione misurata è inferiore alla tensione della batteria a vuoto perché abbiamo un divisore di tensione. Facendo un po 'di matematica,

$R_m = 3.5 \Omega$$I = 0.19 A$$V_+ = 2.9V$$V_{emf} = 2.24 V$$R_s = 1.47 \Omega$

$V_+ = 4.92V$$I = 0.28A$$V_{emf} = 3.94 V$$R_s = 0.43 \Omega$

$V_{emf}$$V_{emf}$

Inoltre, come i multimetri misurano la corrente introducendo una resistenza di shunt in serie e misurando la tensione attraverso questo resistore. Ciò complica ulteriormente l'analisi, quindi la corrente misurata e la tensione di carico non sono esattamente correlate. È più difficile eseguire questa analisi, ma è possibile se si conosce la resistenza di shunt in serie. Questo a volte viene indicato come "tensione di carico" a una corrente di prova nominale ed è possibile utilizzare la legge di Ohm per recuperare la resistenza di shunt.

$V_{emf}$

Se si imposta il misuratore sulla gamma di corrente più ampia, verrà utilizzata la minima resistenza di shunt, è possibile ridurre al minimo l'impatto di avere il misuratore in serie al costo di perdere un po 'di precisione.

* nota: le batterie non hanno una resistenza interna costante, ma questa è un'approssimazione ragionevole. Dipende da una tonnellata di fattori, inclusi ma non limitati a energia, temperatura e carico immagazzinati.

La risposta di Helloworld922 è corretta e abbastanza buona, ma ho pensato che potesse aiutarti a rispondere direttamente alle tue domande una alla volta.

Usando il multimetro per leggere la tensione della batteria (senza niente collegato) ho ottenuto 3,18 V, il che ha senso perché erano batterie AA nuove. Ho quindi deciso di collegare la pompa e leggere la tensione sui due connettori sulla pompa. Questa lettura 2.9V, che mi ha sorpreso perché apparentemente 0.28V era scomparsa. I cavi dalla batteria alla pompa sono entrambi lunghi solo un paio di centimetri, quindi sembra che ci sia molta tensione da perdere su fili così corti.

Le batterie (e alcune altre fonti di tensione) possono produrre una tensione più alta del normale se non è collegato alcun carico. La tensione nominale di una batteria AA è 1,5 V, quindi la tua seconda misurazione è in realtà più vicina al nominale. Citando Wikipedia : "L'effettiva tensione a vuoto zero di una batteria alcalina non scarica varia da 1,50 a 1,65 V, a seconda della purezza del biossido di manganese utilizzato e del contenuto di ossido di zinco nell'elettrolito. La tensione media sotto carico dipende dal livello di scarica e la quantità di corrente assorbita, che varia da 1,1 a 1,3 V. " La caduta di tensione sui cavi dovrebbe essere quasi zero.

Ho quindi inserito il multimetro nel circuito e misurato 0,19 A. Infine, ho misurato la resistenza della pompa, che era di 3,5 ohm. Ora, secondo la legge di Ohm, U = I * R, quindi 0,19 A * 3,5 Ohm = 0,665 V. Un grido lontano da 3.18 V o anche il 2.9 VI misurato sulla pompa. Com'è possibile?

La risposta di HelloWorld922 copre questo. Ci sono due cose importanti da capire qui. Innanzitutto, un motore non è un resistore, sebbene i suoi fili abbiano resistenza. In secondo luogo, un motore genera una tensione quando gira, il cosiddetto back-EMF. Il back-EMF si oppone alla corrente del motore. Ti aspettavi che la pompa consumasse:

Questa corrente si chiama corrente di stallo ed è quello che ti aspetteresti se la pompa fosse bloccata. In tal caso, l'unico carico sulle batterie è la resistenza del cablaggio della pompa. Quando la pompa è in movimento, è necessario considerare l'EMF posteriore. Neanche la corrente sarà davvero costante.

Cercando qualcos'altro, ho collegato la pompa a un connettore molex da 5 V dall'alimentatore di un vecchio PC. ... Inserendo il multimetro nel circuito, ho letto improvvisamente 0,28A. Quindi, a quanto pare, la pompa assorbe improvvisamente 200 mA in più rispetto a prima, il che sembra strano: un componente non dovrebbe semplicemente assorbire la corrente richiesta?

No. Questo vale per alcuni dispositivi elettronici basati su transistor, ma non per tutti i componenti. (I transistor possono agire all'incirca come un dissipatore di corrente costante.)

Ho aggiunto un paio di resistori da 1 Ohm in serie che hanno prodotto una resistenza misurata di 4,3 Ohm. Ora, se inserisco il multimetro nel circuito ottengo 0,24A, ancora una volta una corrente diversa. Misurando la tensione attraverso i resistori ottengo 0,98 V ... 0,24 A * 4,3 Ohm = 1,032 V, che non è il 0,98 V misurato.

I multimetri influiscono sul circuito a cui sono collegati. Dovresti controllare le sue specifiche per fare un calcolo esatto. Intuitivamente, il misuratore agisce come una resistenza in parallelo con i tuoi 4,3 ohm. Ciò riduce la resistenza totale, che riduce la caduta di tensione. (Questa è la mia ipotesi, comunque - come ho detto, dipende dal metro.)

Mi sembra che manchi qualcosa di fondamentale sui circuiti o sulla legge di Ohm, ma non riesco a capirlo.

La legge di Ohm non è una legge assoluta dei circuiti elettrici. È una proprietà di alcuni materiali, che sono chiamati materiali ohmici. Pochissimi dispositivi reali possono essere modellati come semplici resistori, anche in circostanze normali! (Alle alte frequenze, anche i resistori (fisici) smettono di essere resistori (teoria dei circuiti), ma per ora ti risparmierò quei dettagli. :-))

Le regole su cui puoi fare affidamento nei circuiti elettrici (a bassa frequenza) sono:

1. Legge sulla tensione di Kirchoff: la somma delle tensioni attorno a un circuito chiuso deve essere uguale a zero.
2. La legge attuale di Kirchoff: la somma delle correnti che entrano e escono da un nodo circuitale deve essere uguale a zero.
3. Conservazione dell'energia: la somma della potenza istantanea (v (t) * i (t)) prodotta e consumata da ogni componente di un circuito deve essere uguale a zero.

Tutto il resto è modellistica. Se vuoi prevedere il comportamento di un circuito, hai bisogno di buoni modelli per i tuoi componenti. E come tutti hanno detto, un resistore non è un buon modello per una pompa.

Usando il multimetro per leggere la tensione della batteria (senza niente collegato) ho ottenuto 3,18 V, il che ha senso perché erano batterie AA nuove. Ho quindi deciso di collegare la pompa e leggere la tensione sui due connettori sulla pompa. Questa lettura 2.9V, che mi ha sorpreso perché apparentemente 0.28V era scomparsa.

Considera cosa accadrebbe se non fosse così. E se fosse possibile collegare un carico alle batterie e la tensione rimanesse invariata? E se quel carico fosse solo un filo?

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

$I=E/R$

In pratica i fili hanno una certa resistenza, quindi non finiamo per creare una singolarità che termina l'universo. Cosa succede se il filo è piuttosto corto e grasso e ha una resistenza di 0,0001Ω?

Wow, c'è molta corrente. Mi aspetto che quel filo venga vaporizzato in un istante.

Naturalmente questo non è ciò che realmente accade. Le batterie reali hanno resistenza interna , che è una somma della resistenza reale delle parti metalliche di esse, e la conduttività finita degli elettroliti in esse e proprietà chimiche che limitano la velocità di reazione che si verifica nelle batterie che le rende in grado di pompare carica elettrica.

Possiamo calcolare quale sia questa resistenza interna, approssimativamente. Sappiamo che a 0A, la tensione attraverso la batteria è di 3,18 V. E sappiamo che con la pompa in funzione hai misurato 2,9 V e 0,19 A. Così:

^{simula questo circuito}

Sappiamo che la corrente è la stessa ovunque in un circuito in serie, ci deve essere 0,19 A che scorre attraverso il resistore. E dobbiamo calcolare il valore di quel resistore in modo tale che la tensione che lo attraversa sia quella "mancante" di 0,28 V. Questa è un'applicazione per la legge di Ohm:

Infine, ho misurato la resistenza della pompa, che era di 3,5 ohm

Questa non è un'applicazione per la legge di Ohm. La legge di Ohm si applica solo ai resistori. Non si applica a:

• motori
• diodi
• transistori
• condensatori
• induttori
• fasci di luce fluorescente

Se la corrente fosse sempre uguale alla tensione moltiplicata per la resistenza, saremmo davvero limitati nel tipo di elettronica che potremmo creare! Potremmo solo realizzare circuiti lineari , il che significa che non potremmo avere computer o radio, per esempio.

Un motore non è una resistenza ohmica. Ci sono induttori e campi magnetici in gioco, che cambiano la resistenza apparente (impedenza) oltre ciò che si misura con il multimetro.

Ogni batteria ha una resistenza interna che fa cadere un po 'di tensione attraverso di essa. Ecco perché vedi questa differenza (da 3,18 V a 2,9 V). Non puoi fare affidamento sulla resistenza del motore. Varia in base a molti fattori.

La legge di Ohm non è in realtà una legge tanto quanto una conseguenza del termo statico e di una proprietà materiale date determinate condizioni.

Per aggiungere un po 'a @ helloworld992, l'assorbimento di corrente del motore dipende dal carico che lo attraversa. Questo perché Vemf dipende dalla velocità di rotazione.

Se il motore è perfettamente privo di perdite, non assorbirà corrente (e quindi potenza) una volta che è a regime.

Invece, se si arresta il motore, si crea un corto circuito con la corrente limitata solo dalla resistenza interna della batteria, dei cavi, ecc.