Stromteiler

TEILE UND MATERIALIEN

• Taschenrechner (oder Bleistift und Papier zum Rechnen)
• 6-Volt-Batterie
• Sortiment an Widerständen zwischen 1 KΩ und 100 kΩ im Wert

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 1, Kapitel 6:„Teilerschaltungen und Kirchhoffsche Gesetze“

LERNZIELE

• Um die Verwendung des Voltmeters zu veranschaulichen
• Um die Verwendung des Amperemeters zu veranschaulichen
• Um die Verwendung des Ohmmeters zu veranschaulichen
• Um zu veranschaulichen, wie man das Ohmsche Gesetz verwendet
• Um zu veranschaulichen, wie man Kirchhoffs aktuelles Gesetz (KCL) verwendet
• Zur Veranschaulichung der Verwendung des aktuellen Teilerdesigns

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

Normalerweise gilt es als unsachgemäß, mehr als zwei Drähte unter einer einzigen Klemmenleistenschraube zu befestigen.

In dieser Abbildung zeige ich drei Drähte, die sich an der oberen Schraube des am weitesten rechts befindlichen Kabelschuhs dieses Streifens verbinden.

Dies geschieht, um den Nachweis eines Konzepts zu erleichtern (der aktuellen Summierung an einem Schaltungsknoten) und stellt keine professionelle Montagetechnik dar.

Die Laienhaftigkeit der „Freiform“-Bauweise verdient keinen weiteren Kommentar.

ANLEITUNG

Ich zeige noch einmal verschiedene Methoden zum Aufbau derselben Schaltung:Steckbrett, Klemmleiste und „Freiform“.

Experimentieren Sie mit all diesen Bauformaten und lernen Sie ihre jeweiligen Vor- und Nachteile kennen.

Wählen Sie drei Widerstände aus Ihrem Widerstandssortiment aus und messen Sie den Widerstand jedes einzelnen mit einem Ohmmeter.

Notieren Sie diese Widerstandswerte mit Stift und Papier als Referenz für Ihre Schaltungsberechnungen.

Verbinden Sie die drei Widerstände parallel zueinander und mit der 6-Volt-Batterie, wie in den Abbildungen gezeigt.

Messen Sie die Batteriespannung mit einem Voltmeter, nachdem die Widerstände daran angeschlossen wurden, und notieren Sie diese Spannungszahl auch auf dem Papier.

Es ist ratsam, die Batteriespannung zu messen, während die Widerstandsschaltung mit Strom versorgt wird, da diese Spannung geringfügig von einem Leerlaufzustand abweichen kann.

Messen Sie die Spannung an jedem der drei Widerstände. Was fällt ihnen auf? In einer Reihenschaltung Strom ist durch alle Komponenten zu einem bestimmten Zeitpunkt gleich.

In einer Parallelschaltung Spannung ist die gemeinsame Variable aller Komponenten.

Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz (I=E/R), um den Strom durch jeden Widerstand zu berechnen, und überprüfen Sie dann diesen berechneten Wert, indem Sie den Strom mit einem digitalen Amperemeter messen.

Platzieren Sie die rote Sonde des Amperemeters an der Stelle, an der die positiven (+) Enden der Widerstände miteinander verbunden sind, und heben Sie jeweils einen Widerstandsdraht an, indem Sie die schwarze Sonde des Messgeräts mit dem angehobenen Draht verbinden.

Messen Sie auf diese Weise jeden Widerstandsstrom und notieren Sie sowohl die Stromstärke als auch die Polarität. In diesen Abbildungen zeige ich ein Amperemeter, mit dem der Strom durch R₁ . gemessen wird :

Messen Sie den Strom für jeden der drei Widerstände und vergleichen Sie ihn mit den zuvor berechneten Stromwerten.

Wenn das digitale Amperemeter wie abgebildet angeschlossen ist, sollten alle drei Anzeigen positiv und nicht negativ sein.

Messen Sie nun den gesamten Stromkreis, halten Sie die rote Sonde des Amperemeters am selben Punkt des Stromkreises, trennen Sie jedoch das Kabel, das zur positiven (+) Seite der Batterie führt, und berühren Sie die schwarze Sonde daran:

Beachten Sie sowohl die Größe als auch das Vorzeichen des Stroms, wie vom Amperemeter angezeigt. Addiere diese Zahl (algebraisch) zu den drei Widerstandsströmen.

Was fällt Ihnen an dem Ergebnis auf, das dem Kirchhoffschen Spannungsgesetz-Experiment ähnelt? Das Kirchhoffsche Stromgesetz bedeutet, dass Ströme an einem Punkt (Knoten) in einem Stromkreis „summiert“ werden, genauso wie das Kirchhoffsche Spannungsgesetz für Spannungen, die sich in einer Reihenschleife addieren:In beiden Fällen ist die algebraische Summe gleich Null.

Dieses Gesetz ist auch bei der mathematischen Analyse von Schaltkreisen sehr nützlich. Zusammen mit dem Spannungsgesetz von Kirchhoff ermöglicht es uns, Gleichungen zu erstellen, die mehrere Variablen in einem Schaltkreis beschreiben, die dann mit einer Vielzahl mathematischer Techniken gelöst werden können.

Betrachten Sie nun die vier Strommessungen als alle positiven Zahlen:Die ersten drei repräsentieren den Strom durch jeden Widerstand und die vierte repräsentiert den Gesamtstrom der Schaltung als positive Summe der drei "Zweigströme". Jeder Widerstandsstrom (Zweigstrom) ist ein Bruchteil oder ein Prozentsatz des Gesamtstroms. Aus diesem Grund wird eine parallele Widerstandsschaltung oft als Stromteiler bezeichnet .

Trennen Sie die Batterie vom Rest des Stromkreises und messen Sie den Widerstand an den Parallelwiderständen.

Sie können den Gesamtwiderstand in jedem ablesen der Klemmen der einzelnen Widerstände und erhalten dieselbe Anzeige:es ist ein Wert kleiner als jeder der einzelnen Widerstandswerte.

Dies ist für neue Elektrostudenten oft überraschend, dass Sie beim Anschließen eines Ohmmeters an irgendein genau den gleichen (Gesamt-)Widerstandswert ablesen eines Satzes parallel geschalteter Widerstände.

Sinnvoll ist es jedoch, wenn man die Punkte einer Parallelschaltung im Hinblick auf die elektrische Gemeinsamkeit betrachtet.

Alle parallelen Komponenten sind zwischen zwei Sätzen von elektrisch gemeinsamen Punkten verbunden.

Da das Messgerät nicht zwischen gemeinsamen Punkten durch direkte Verbindung unterscheiden kann, bedeutet das Ablesen des Widerstands an einem Widerstand, den Widerstand aller zu lesen.

Das gleiche gilt für die Spannung, weshalb die Batteriespannung an jedem der Widerstände genauso einfach wie an den Batterieklemmen direkt abgelesen werden könnte.

Wenn Sie die Batteriespannung (zuvor gemessen) durch diesen Gesamtwiderstandswert teilen, sollten Sie einen Wert für den Gesamtstrom (I=E/R) erhalten, der dem gemessenen Wert sehr nahe kommt.

Das Verhältnis von Widerstandsstrom zu Gesamtstrom ist das gleiche wie das Verhältnis von Gesamtwiderstand zu Einzelwiderstand.

Wenn beispielsweise ein 10 kΩ-Widerstand Teil einer Stromteilerschaltung mit einem Gesamtwiderstand von 1 kΩ ist, leitet dieser Widerstand 1/10 des Gesamtstroms, egal welchen Wert dieser Gesamtstrom hat.

COMPUTER-SIMULATION

Schema mit SPICE-Knotennummern:

Amperemeter in SPICE-Simulationen sind eigentlich Nullspannungsquellen, die in die Pfade des Elektronenflusses eingefügt werden.

Sie werden die Spannungsquellen V_ir1 . bemerken , V_ir2 , und V_ir3 werden in der Netzliste auf 0 Volt gesetzt. Wenn Elektronen in die negative Seite einer dieser „Dummy“-Batterien eintreten und die positive Seite verlassen, wird die Stromanzeige der Batterie eine positive Zahl sein.

Mit anderen Worten, diese 0-Volt-Quellen sind als Amperemeter mit der roten Sonde auf der langen Seite des Batteriesymbols und der schwarzen Sonde auf der kurzen Seite zu betrachten.

Netzliste (erstellen Sie eine Textdatei mit dem folgenden Text, wörtlich):

Stromteiler v1 1 0 r1 3 0 2k r2 4 0 3k r3 5 0 5k vital 2 1 dc 0 vir1 2 3 dc 0 vir2 2 4 dc 0 vir3 2 5 dc 0 .dc v1 6 6 1 .print dc i(vital) i(vir1) i(vir2) i(vir3) .Ende 

Beim Ausführen druckt SPICE eine Textzeile mit vier Stromzahlen, wobei der erste Strom die Summe als negative Größe darstellt und die anderen drei Ströme für die Widerstände R₁ . darstellen , R₂ , und R₃ .

Algebraisch addiert bilden die eine negative Zahl und die drei positiven Zahlen eine Summe von Null, wie durch das Kirchhoffsche Stromgesetz beschrieben.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Stromteilerschaltungen