Stromkreisverkabelung

Bisher haben wir Einzelbatterie- und Einzelwiderstandsschaltungen ohne Rücksicht auf die Verbindungsdrähte zwischen den Komponenten analysiert, solange eine vollständige Schaltung gebildet wird. Spielt die Drahtlänge oder die „Form“ der Schaltung eine Rolle für unsere Berechnungen? Schauen wir uns ein paar Schaltpläne an und finden Sie heraus:

Wenn wir Drahtverbindungspunkte in einem Stromkreis zeichnen, gehen wir normalerweise davon aus, dass diese Drähte einen vernachlässigbaren Widerstand haben. Als solche tragen sie keinen nennenswerten Einfluss auf den Gesamtwiderstand der Schaltung, und daher müssen wir uns nur mit dem Widerstand in den Komponenten auseinandersetzen. In den obigen Schaltungen kommt der einzige Widerstand von den 5 Ω-Widerständen, daher wird das alles sein, was wir in unseren Berechnungen berücksichtigen.

Im wirklichen Leben tun Metalldrähte tatsächlich haben einen Widerstand (und Stromquellen auch!), aber diese Widerstände sind im Allgemeinen so viel kleiner als der Widerstand in den anderen Schaltungskomponenten, dass sie sicher ignoriert werden können. Ausnahmen von dieser Regel gibt es bei der Verkabelung von Stromversorgungssystemen, bei denen selbst sehr kleine Leiterwiderstandswerte bei normalen (hohen) Stromstärken zu erheblichen Spannungsabfällen führen können.

Elektrisch gemeinsame Punkte in einem Stromkreis

Wenn der Verbindungsdrahtwiderstand sehr gering oder gar nicht ist, können wir die verbundenen Punkte in einem Stromkreis als elektrisch gemeinsam betrachten . Das heißt, die Punkte 1 und 2 in den obigen Schaltungen können physisch nahe beieinander oder weit voneinander entfernt sein, und es spielt keine Rolle für Spannungs- oder Widerstandsmessungen in Bezug auf diese Punkte.

Das gleiche gilt für die Punkte 3 und 4. Es ist, als ob die Enden des Widerstands direkt über die Pole der Batterie gesteckt würden, was unsere Berechnungen des Ohmschen Gesetzes und Spannungsmessungen betrifft.

Dies ist nützlich zu wissen, denn es bedeutet, dass Sie einen Schaltplan neu zeichnen oder einen Stromkreis neu verdrahten und die Drähte nach Wunsch kürzen oder verlängern können, ohne die Funktion des Stromkreises merklich zu beeinträchtigen. Wichtig ist nur, dass die Komponenten in der gleichen Reihenfolge aneinander befestigt werden.

Dies bedeutet auch, dass die Spannungsmessungen zwischen Sätzen von „elektrisch gemeinsamen“ Punkten gleich sind. Das heißt, die Spannung zwischen den Punkten 1 und 4 (direkt über der Batterie) ist gleich der Spannung zwischen den Punkten 2 und 3 (direkt über dem Widerstand). Sehen Sie sich die folgende Schaltung genau an und versuchen Sie herauszufinden, welche Punkte miteinander gemein sind:

Hier haben wir nur 2 Komponenten ohne die Drähte:die Batterie und den Widerstand. Obwohl die Verbindungsdrähte beim Bilden eines vollständigen Stromkreises einen gewundenen Pfad nehmen, gibt es mehrere elektrisch gemeinsame Punkte im Strompfad. Die Punkte 1, 2 und 3 sind alle gemeinsam, da sie direkt durch Kabel miteinander verbunden sind. Das gleiche gilt für die Punkte 4, 5 und 6.

Die Spannung zwischen den Punkten 1 und 6 beträgt 10 Volt und kommt direkt von der Batterie. Da jedoch die Punkte 5 und 4 gemeinsam mit 6 und die Punkte 2 und 3 gemeinsam mit 1 sind, existieren dieselben 10 Volt auch zwischen diesen anderen Paaren von Punkten:

Zwischen den Punkten 1 und 4 =10 Volt Zwischen Punkt 2 und 4 =10 Volt Zwischen den Punkten 3 und 4 =10 Volt (direkt über dem Widerstand) Zwischen Punkt 1 und 5 =10 Volt Zwischen Punkt 2 und 5 =10 Volt Zwischen Punkt 3 und 5 =10 Volt Zwischen Punkt 1 und 6 =10 Volt (direkt an der Batterie) Zwischen Punkt 2 und 6 =10 Volt Zwischen Punkt 3 und 6 =10 Volt 

Da elektrisch gemeinsame Punkte durch einen (widerstandsfreien) Draht miteinander verbunden sind, gibt es keinen signifikanten Spannungsabfall zwischen ihnen, unabhängig von der Strommenge, die von einem zum nächsten durch diesen Verbindungsdraht geleitet wird. Wenn wir also Spannungen zwischen gemeinsamen Punkten ablesen, sollten wir (praktisch) Null anzeigen:

Zwischen den Punkten 1 und 2 =0 Volt Punkte 1, 2 und 3 sind zwischen den Punkten 2 und 3 =0 Volt elektrisch gemeinsam Zwischen Punkt 1 und 3 =0 Volt Zwischen den Punkten 4 und 5 =0 Volt Punkte 4, 5 und 6 sind zwischen den Punkten 5 und 6 =0 Volt elektrisch gemeinsam Zwischen den Punkten 4 und 6 =0 Volt 

Berechnung des Spannungsabfalls mit dem Ohmschen Gesetz

Das macht auch mathematisch Sinn. Bei einer 10-Volt-Batterie und einem 5-Ω-Widerstand beträgt der Strom im Stromkreis 2 Ampere. Da der Drahtwiderstand null ist, kann der Spannungsabfall über jede kontinuierliche Drahtstrecke durch das Ohmsche Gesetz als solches bestimmt werden:

Es sollte offensichtlich sein, dass der berechnete Spannungsabfall über jede ununterbrochene Drahtlänge in einem Stromkreis, in dem angenommen wird, dass der Draht einen Widerstand von Null hat, unabhängig von der Stromstärke immer Null ist, da Null multipliziert mit allem gleich Null ist.

Da gemeinsame Punkte in einem Stromkreis die gleichen relativen Spannungs- und Widerstandsmessungen aufweisen, werden Drähte, die gemeinsame Punkte verbinden, oft mit derselben Bezeichnung gekennzeichnet. Das soll nicht heißen, dass das Terminal Anschlusspunkte sind gleich beschriftet, nur die Anschlussdrähte. Nehmen Sie diese Schaltung als Beispiel:

Die Punkte 1, 2 und 3 sind alle gemeinsam, daher ist der Drahtverbindungspunkt 1 bis 2 gleich (Draht 2) wie der Drahtverbindungspunkt 2 bis 3 (Draht 2) gekennzeichnet. In einer realen Schaltung darf der Draht, der sich von Punkt 1 nach 2 erstreckt, nicht einmal die gleiche Farbe oder Größe wie der Drahtverbindungspunkt 2 nach 3 haben, aber sie sollten genau das gleiche Etikett tragen. Das gleiche gilt für die Drähte, die die Punkte 6, 5 und 4 verbinden.

Spannungsabfall sollte in gemeinsamen Punkten gleich Null sein

Zu wissen, dass elektrisch gemeinsame Punkte keinen Spannungsabfall zwischen ihnen haben, ist ein wertvolles Prinzip zur Fehlersuche. Wenn ich die Spannung zwischen Punkten in einem Stromkreis messe, die miteinander verbunden sein sollen, sollte ich Null lesen.

Wenn ich jedoch zwischen diesen beiden Punkten eine erhebliche Spannung ablese, weiß ich mit Sicherheit, dass sie nicht direkt miteinander verbunden werden können. Wenn diese Punkte angeblich sind elektrisch gemeinsam zu sein, aber sie registrieren sich anders, dann weiß ich, dass zwischen diesen Punkten ein „offener Fehler“ besteht.

Nullspannung bedeutet technisch vernachlässigbare Spannung

Eine letzte Anmerkung:Für die meisten praktischen Zwecke kann davon ausgegangen werden, dass Drahtleiter von einem Ende zum anderen keinen Widerstand aufweisen. In Wirklichkeit wird es jedoch immer einen kleinen Widerstand entlang der Länge eines Drahtes geben, es sei denn, es handelt sich um einen supraleitenden Draht. In diesem Wissen müssen wir bedenken, dass die hier erlernten Prinzipien zu elektrisch gemeinsamen Punkten alle weitgehend gültig sind, jedoch nicht absolut Grad.

Das heißt, die Regel, dass zwischen ihnen garantiert keine Spannung zwischen elektrisch gemeinsamen Punkten liegt, wird genauer formuliert:Elektrisch gemeinsame Punkte haben sehr wenig Spannung zwischen ihnen abgefallen. Diese kleine, praktisch unvermeidbare Widerstandsspur, die in jedem Stück Verbindungsdraht zu finden ist, erzeugt zwangsläufig eine kleine Spannung über die gesamte Länge, wenn Strom durchgeleitet wird.

Solange Sie verstehen, dass diese Regeln auf idealen basieren Bedingungen, Sie werden nicht verwirrt sein, wenn Sie auf eine Bedingung stoßen, die eine Ausnahme von der Regel zu sein scheint.

RÜCKBLICK:

• Wenn nicht anders angegeben, wird davon ausgegangen, dass Drähte in einem Stromkreis keinen Widerstand haben.
• Drähte in einem Stromkreis können gekürzt oder verlängert werden, ohne die Funktion des Stromkreises zu beeinträchtigen. Wichtig ist nur, dass die Komponenten in der gleichen Reihenfolge aneinander befestigt werden.
• Punkte, die in einem Stromkreis ohne Widerstand (Draht) direkt miteinander verbunden sind, gelten als elektrisch gemeinsam .
• Elektrisch gemeinsame Punkte, zwischen denen kein Widerstand liegt, haben einen Spannungsabfall zwischen ihnen, unabhängig von der Stromstärke (idealerweise).
• Die Spannungs- oder Widerstandswerte, die zwischen den Sätzen elektrisch gemeinsamer Punkte referenziert werden, sind gleich.
• Diese Regeln gelten für ideale Bedingungen, bei denen angenommen wird, dass die Anschlussdrähte absolut widerstandslos sind. Im wirklichen Leben wird dies wahrscheinlich nicht der Fall sein, aber die Drahtwiderstände sollten niedrig genug sein, damit die hier genannten allgemeinen Prinzipien weiterhin gelten.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für einfache Schaltkreise
• Arbeitsblatt für elementare Schaltkreise
• Arbeitsblatt Spannungsteilerschaltung