Bagaimana arus tahu berapa banyak yang mengalir, sebelum melihat resistor?


160

Dengan sirkuit berikut sebagai contoh:

http://knol.google.com/k/-/-/1f4zs8p9zgq0e/lxzei8/ohm-1.jpg

dan

http://hades.mech.northwestern.edu/images/4/45/Parallel_resistors.gif

Bagaimana arus Itahu berapa banyak mengalir? Akankah gelombang lain bergerak pertama kali di sirkuit dan kemudian kembali dan mengatakan begitu banyak arus yang seharusnya mengalir?


74
Jika Anda mengajukan pertanyaan ini di kelas saya, saya akan menandai Anda sebagai siswa yang mencoba menjangkau melampaui tingkat abstraksi yang disajikan kepadanya. Pertanyaan bagus.
Wouter van Ooijen

11
Dengan semua fisika yang Anda dapatkan di sekolah tinggi hari ini bahwa lapisan abstraksi membuat lebih banyak anak-anak dari elektronik daripada di
::

4
Jika seseorang menanyakan hal ini di kelas, jawaban singkatnya adalah "Hukum Maxwell." Triknya adalah beralih dari realisasi fisik ke hukum Maxwell, yang banyak pekerjaannya tetapi harus akurat. Di perguruan tinggi, hal-hal seperti ini tidak akan masuk akal sampai Anda mengambil kelas Elektromagnetik.
Mike DeSimone

2
Mengapa memberi pertanyaan ini? Endolith menjawabnya dengan sempurna!
Wouter van Ooijen

12
Bagaimana mobil di jalan bebas hambatan "tahu", mil di depan tempat kecelakaan terjadi, merangkak dengan kecepatan 20 mil per jam?
Kaz

Jawaban:


152

Tidak yakin apakah ini yang Anda tanyakan, tetapi ya, ketika baterai terhubung, gelombang medan listrik bergerak dari baterai ke kabel ke beban. Sebagian dari energi listrik diserap oleh beban (tergantung pada hukum Ohm), dan sisanya dipantulkan dari beban dan berjalan kembali ke baterai, sebagian diserap oleh baterai (hukum Ohm lagi) dan beberapa memantulkan baterai, dll. Akhirnya kombinasi semua bouncing mencapai nilai kondisi-stabil yang Anda harapkan.

Kami biasanya tidak memikirkannya seperti ini, karena di sebagian besar sirkuit itu terjadi terlalu cepat untuk diukur. Namun, untuk saluran transmisi panjang, hal itu dapat diukur dan penting. Tidak, arus tidak "tahu" apa bebannya sampai gelombang mencapainya. Sampai saat itu, ia hanya mengetahui impedansi karakteristik atau "impedansi lonjakan" dari kabel itu sendiri. Belum tahu apakah ujung satunya adalah korsleting atau sirkuit terbuka atau beberapa impedans di antaranya. Hanya ketika gelombang yang dipantulkan kembali dapat "mengetahui" apa yang ada di ujung sana.

Lihat Contoh Refleksi Sirkuit dan efek saluran Transmisi dalam sistem logika berkecepatan tinggi untuk contoh diagram kisi dan grafik bagaimana tegangan berubah dalam langkah-langkah dari waktu ke waktu.

Dan jika Anda tidak memahaminya, di sirkuit pertama Anda, arus sama pada setiap titik di sirkuit. Sirkuit seperti lingkaran pipa, semuanya diisi dengan air. Jika Anda menyebabkan air mengalir dengan pompa di satu titik, air di setiap titik lain di loop harus mengalir dengan kecepatan yang sama.

Gelombang medan listrik yang saya bicarakan analog dengan gelombang tekanan / suara yang mengalir melalui air di dalam pipa. Saat Anda memindahkan air di satu titik di pipa, air di ujung pipa yang lain tidak berubah secara instan; gangguan harus merambat melalui air dengan kecepatan suara sampai mencapai ujung lainnya.


2
-1, jika saya bisa, untuk penjelasan yang sangat buruk yang melibatkan "gelombang memantul". Penjelasan yang jauh lebih baik (dengan analogi) adalah ini atau ini .
BlueRaja - Danny Pflughoeft

10
@ BlueRaja-DannyPlughoeft: Ada yang memantul gelombang, dan saya menggunakan analogi hidrolik yang sama dalam penjelasan saya. Bisakah Anda lebih spesifik?
endolith

3
Sebagai tambahan kecil. Saat menggambar skematis, Anda mencoba memasukkan komponen yang memengaruhi sinyal dan semua kabel dianggap kabel sempurna tanpa waktu transmisi. Jika Anda memiliki jarak yang terukur antara baterai dan beban, Anda akan menambahkan saluran transmisi ke skema. Anda juga membutuhkan resistensi generator. Saya tidak menyiratkan bahwa skema selalu mencakup segalanya, hanya saja ketika Anda menerima skema dan mendiskusikannya, Anda dapat menganggapnya demikian dan dengan pengalaman mempelajari hal-hal yang orang lupa. Secara umum saya akan menganggap mereka sangat dekat.
Kortuk

5
@ BlueRaja-DannyPflughoeft, Tambahkan catatan dengan metafora yang ingin Anda tambahkan dan endolith mungkin menambahkannya. Tambahkan catatan yang mengatakan bahwa jawabannya telah diturunkan karena kurangnya favorit Anda dan hanya menghasilkan sedikit. Endolith mungkin belum pernah mendengar analogi favorit Anda, tidak ada alasan itu tidak dapat dibagikan.
Kortuk

3
@heltonbiker: Bervariasi dengan geometri, dll, tapi mungkin 2/3 c. en.wikipedia.org/wiki/Wave_propagation_speed
endolith

25

Karena teorinya telah dibahas, saya akan menggunakan analogi kasar (Mudah-mudahan saya mengerti apa yang Anda tanyakan dengan benar, itu tidak begitu jelas)

Bagaimanapun, jika Anda membayangkan pompa (baterai), beberapa pipa diisi dengan air (kabel), dan bagian di mana pipa menyempit (resistor)
Air selalu ada, tetapi ketika Anda memulai pompa itu menciptakan tekanan (tegangan) ) dan membuat air mengalir di sekitar rangkaian (arus). Penyempitan pipa (resistor) membatasi aliran (arus) ke jumlah tertentu dan menyebabkan penurunan tekanan di atasnya (tegangan melintasi resistor, dalam hal ini sama dengan baterai)

Dengan sirkuit kedua (dua resistor secara paralel), cukup jelas bahwa jumlah arus yang sama yang mengalir ke persimpangan atas harus mengalir keluar dari persimpangan bawah (lihat Kirchoff). Jika resistornya sama, maka mereka akan berbagi arus sama. ini bisa jadi sebagai satu pipa besar (kawat) membelah menjadi dua pipa yang lebih sempit (resistor) dan kemudian menyatu kembali menjadi satu pipa besar lagi. Jika mereka tidak sama, maka satu akan mengambil lebih banyak aliran (saat ini) daripada yang lain tetapi total keluar akan selalu bertambah hingga total dalam.

Anda dapat mengajukan pertanyaan yang sama dengan analogi air - bagaimana air "tahu" berapa banyak yang mengalir? Karena dibatasi oleh lebar pipa dan tekanan pompa.

EDIT - Tampaknya pertanyaan yang diajukan sedikit berbeda dari yang saya duga pada awalnya. Masalahnya adalah ada beberapa jawaban yang berbeda (seperti yang Anda lihat) pada berbagai tingkat abstraksi, misalnya dari hukum Ohm ke Maxwell ke fisika Quantum. Pada tingkat elektron individu saya pikir Anda mungkin memiliki masalah karena dualitas gelombang partikel dan jalur ganda (lihat eksperimen celah ganda dengan foton) yang disebutkan oleh Majenko.
Perhatikan bahwa alasan saya katakan di atas bahwa "air selalu ada" adalah karena elektron itu sendiri tidak mengalir pada ~ 2/3 kecepatan cahaya di sekitar sirkuit, melainkan energi dari satu disebarkan ke yang berikutnya (semacam) dan seterusnya. Sedikit seperti bola memantul secara acak dan menjadi satu sama lain, dengan kecenderungan rata-rata secara keseluruhan memantul ke arah potensi yang diterapkan. Cara yang lebih sederhana untuk memikirkannya adalah seperti garis bola snooker - jika Anda menekan bola putih menjadi satu ujung, energi akan "ditransmisikan" melalui semua bola (mereka tidak akan benar-benar mengubah posisi), dan kemudian bola di ujung lainnya akan memisahkan diri.
Saya merasa penjelasan kuantum mungkin seperti: kita hanya bisa memperkirakan probabilitas bahwa elektron individu akan "memilih" satu jalur (atau berada di satu area tertentu) tetapi prosesnya tidak akan dapat diamati secara langsung (yaitu fisika teoretis)

Either way saya pikir ini pertanyaan yang sangat bagus dan membutuhkan jawaban yang baik (akan mencoba dan meningkatkan yang ini jika waktu memungkinkan), meskipun pada tingkat terendah mungkin lebih baik ditangani pada tumpukan fisika.


15

Pada awalnya, saat ini tidak benar-benar tahu. Dengan asumsi saklar kartun besar di garis, ketika terbuka, itu merupakan impedansi besar. (Kapasitif) muatan menumpuk di kedua sisi; khususnya, elektron memadati terminal negatif dan terminal positif tidak memiliki jumlah elektron yang sama dari normal (muatan gambar). Aliran arus dapat diabaikan (fA *), sehingga tidak ada potensi penurunan resistor. Elektron tidak memiliki pergerakan atau aliran bersih karena tolakan elektrostatik dengan tetangganya, termasuk kelompok besar pada sakelar, sama dengan gaya dari bias medan listrik eksternal.

Ketika sakelar pertama kali ditutup, elektron ekstra dekat sakelar zip ke kontak lain, mengisi muatan gambar. Sekarang karena tidak ada banyak elektron bully yang menolak untuk bergerak dan mendorong kembali, sisanya menjadi balistik (hah! Tapi sebenarnya tidak ) dan mulai masuk ke sirkuit.

Mereka yang di dalam dan di dekat resistor bertemu ... perlawanan (ayolah; saya harus) . Tidak ada elektron atau situs bebas yang hampir sama banyaknya, jadi, tidak berbeda dengan impedansi yang sangat besar yang disajikan sebelumnya oleh saklar, muatan menumpuk di kedua ujungnya ketika para pengacau yang tidak sabar berdesak-desakan untuk mencari tempat yang sesuai. Itu terus membangun sampai kesetimbangan tercapai: medan elektrostatik dari sekelompok elektron yang menunggu untuk melewati resistor sama dengan bias medan listrik eksternal.

Pada titik ini arus tahu berapa banyak untuk mengalir, dan tidak akan berubah [sampai Anda menyadari bahwa Anda memasukkan resistor 1,3-ohm daripada 1,3-kohm, dan itu menggoreng dan membuka sirkuit lagi].

Jika sumber benar-benar dihapus dari sistem pada awalnya, tidak akan ada biaya kapasitif awal. Sambungan seketika dengan sumber (saklar DPST) akan mengarah ke medan listrik yang merambat di sepanjang kabel dekat c , mempercepat dan menyeret elektron bersamanya, dan mengarah ke crowding-jenis-stadion sepak bola yang sama dengan resistor. Namun, dalam kasus dengan resistor paralel, pintu stadion tersebut mungkin memiliki lebar yang berbeda, sehingga arus kesetimbangan akan berbeda.


1
Foto untuk dinilai? Itu milikku!
Majenko

4

Bagaimana arus di delta sungai "tahu" cabang mana yang harus diambil? "Saat ini" dalam setiap kasus berarti aliran agregat molekul air atau elektron, jadi pertama-tama, ganti pertanyaan dengan "Bagaimana setiap elektron (atau molekul) tahu ke mana harus pergi"? Tidak; itu hanya akan tersapu dalam aliran lokal segera, dan pada tingkat mikro atau atom, akan menggantikan yang berangkat tepat di depannya. Jadi, apa yang terjadi tepat pada titik diverge? Bagi mata makro kita, arah yang diambilnya acak, didistribusikan sebagai rasio arus cabang. Pada tingkat yang paling rendah, beberapa gangguan kecil akan mendorongnya dengan satu atau lain cara.

(Deskripsi / analogi yang sangat kasar, saya tahu - maafkan ketidakakuratan yang tersirat.)


4

"Mengetahui" seberapa banyak mengalir berarti pengetahuan, yang menyiratkan kecerdasan.

Saat ini tidak cerdas, dan tidak mengalir per se. Arus ditarik, atau "ditarik" oleh beban - dalam hal ini resistor.

Jumlah arus yang ditarik beban ditentukan oleh Hukum Ohm:

I=VR

Di sirkuit pertama itu cukup sederhana untuk menghitung.

Sirkuit kedua sedikit lebih kompleks. Menghitung cukup sederhana, selama Anda dapat menghitung resistansi total:IS

1RT=1R1+1R2

atau

RT=R1×R2R1+R2

Jumlah arus yang kemudian mengalir melalui masing-masing hambatan kemudian ditentukan oleh rasio dari dua resistor. Jika resistornya sama, maka tepat separuh arus akan mengalir melalui masing-masing. Jika dua kali , maka sepertiga dari arus akan mengalir melalui , dan dua pertiga melalui (perhatikan rasio saat ini adalah kebalikan dari rasio resistensi).R 2 R 1 R 2R1R2R1R2


6
Saya akan menganggapnya lebih tepat untuk mendefinisikan sumber sebagai mendorong arus lalu beban sebagai menggambarnya. Sumber menerapkan daya ke sistem. Medan listrik menggerakkan arus dalam kaitannya dengan seberapa banyak beban "menahan" aliran arus, tetapi medan listrik adalah sumber arus. Masih akan ada medan listrik tanpa beban, hanya saja tidak ada arus. Dengan korsleting, beban adalah arus pendek dan arus akan sangat besar.
Kortuk

11
Anda menjelaskan cara menggunakan Hukum Ohm untuk menemukan arus, tetapi Anda tidak menjawab pertanyaan OP.
stevenvh

Bukankah itu yang diminta OP saat itu? Hampir mustahil untuk mengatakannya dengan pertanyaan itu. Ini lebih samar daripada manusia salju di badai salju.
Majenko

5
Dia ingin tahu bagaimana arus tahu bagaimana membagi dua jalur. Pada skema kita dapat melihat apa yang ada di depan dan membuat perhitungan (yang telah Anda lakukan dengan benar), tetapi ketika sebuah elektron mencapai sebuah node, ia tidak tahu, maka pertanyaannya "bagaimana ia tahu ke mana harus pergi?". Saya pikir dia mengerti Ohm cukup baik, ini sesuatu yang sedikit lebih filosofis.
stevenvh

1
@Majenko - Itu sebenarnya tidak berlaku dalam kasus ini, karena kami lebih memperhatikan fenomena makroskopis listrik (arus) daripada posisi elektron tertentu, tetapi A + untuk upaya ;-)
DrFriedParts

3

Sebenarnya, saat ini tidak tahu berapa banyak yang mengalir pada t = 0.

Setiap resistor memiliki beberapa kapasitansi, karena mereka terdiri dari sisi-sisi penghantar yang dipisahkan dengan isolator (walaupun tidak sempurna). Karena kapasitansi ini, pada t = 0, arus mengalir sebanyak pasokan daya. Kemudian ia melambat setelah beberapa saat ke nilai normal. Setiap resistor praktis dapat dimodelkan sebagai resistor dan kapasitor secara paralel. Jadi, sirkuit pertama Anda sebenarnya adalah sirkuit RC paralel.


Juga, jangan lupa bahwa medan E (medan listrik) menciptakan medan B (medan magnet), dan sebaliknya. Ketika Anda menerapkan tegangan melintasi resistor, yang Anda lakukan adalah membuat medan listrik di dalam resistor. Yang menyebabkan perubahan keadaan medan listrik (Anda menaikkan medan listrik dari nol ke nilai bukan nol). Perubahan medan listrik menciptakan medan magnet dan akhirnya menciptakan aliran arus.

Silakan merujuk ke Persamaan Maxwell untuk informasi lebih lanjut.


AFAIK, medan listriklah yang menyebabkan elektron mengalir, bukan medan magnet (atau setidaknya medan magnet tidak lebih penting).
heltonbiker

Saya akan menunjukkan bahwa semua sirkuit listrik memiliki induktansi, yang sangat kecil juga. Ini berhenti arus sesaat sebanyak kapasitansi memungkinkan. Rasio kedua kualitas ini kadang-kadang disebut impedansi gelombang dan menentukan berapa banyak arus akan mengalir pada awalnya.
Kortuk

3

Bagaimana arusnya? Ia tahu karena mekanika statistik (dengan Boltzman dan kemudian Fermi-Dirac terlibat, dan kemudian Maxwell), ketika fermion (elektron) pada suhu tertentu cenderung menempati volume konduktor (logam) ketika elektron terbang bebas seperti partikel gas dan bouncing ideal melawan atom. Kecepatan (energi) partikel individu sekitar 1K mil per detik (kurang dari kecepatan cahaya), kecepatan melayang adalah beberapa milimeter per detik (lihat "kecepatan melayang" wiki). Jarak bebas elektron rata-rata mendefinisikan "konduktivitas". Bagi pengamat aliran elektron, perilaku elektron akan terlihat seperti kecenderungan partikel untuk mempertahankan "electroneutrality", ketika setiap bagian konduktor lokal mengandung jumlah elektron dan proton yang kira-kira sama. Elektron dibebankan, sehingga mereka menerapkan gaya memukul mundur satu sama lain. Keterlibatan gaya, kecepatan dan massa dari waktu ke waktu berarti bahwa ada foton virtual yang dipancarkan dan diserap selama akselerasi dan perlambatan elektron. Foton ini merambat jauh lebih cepat daripada partikel dan menciptakan "tekanan". Secara keseluruhan tergantung pada bahan, kecepatan dinding tekanan mendekati kecepatan cahaya. Itu bisa dinamai "gelombang". Kisah selanjutnya lebih baik dijelaskan oleh Endolith di atas.

Angka-angka untuk tembaga pada suhu kamar dapat dilihat pada artikel ini .

TLDR: Gas elektron ideal dengan mekanika statistik-> Boltzman-> Fermi-Dirac-> Maxwell-> Ohm


3

Tidak ada yang menyebutkan fakta bahwa semua skema mengadopsi model elemen yang disebut lumped .

Dalam sebuah skematis, sebuah kawat bukanlah sebuah kawat dalam akal sehat, itu adalah hubungan yang menyederhanakan antara node. Jika Anda ingin menggambarkan langkah demi langkah apa yang terjadi pada arus (atau apa yang "dirasakan") di sepanjang kawat, Anda harus menggambar serangkaian elemen pasif tanpa batas.


2

Analogi terbaik yang membantu saya untuk memahaminya dengan sangat cepat dan mudah, saya pernah bertemu di suatu tempat di Internet, tetapi tidak dapat menunjukkan sumbernya saat ini. Jika seseorang tahu di mana itu, beri tahu saya, jadi ini bisa dimasukkan. Analogi sangat singkat dan ini akan menjadi jawaban yang sangat singkat. Tidak ada formula sama sekali. Jadi ini semacam non-ilmiah, tetapi analogi yang elegan dan sangat mudah untuk dibayangkan dan dipahami manusia.

Kebanyakan orang membayangkan rangkaian sederhana seperti yang ada dalam contoh seperti tabung kosong atau pipa yang diisi dengan air. Ini sebagian karena analogi aliran air yang produktif.

Pada kenyataannya itu jauh lebih seperti tabung diisi dengan bola padat seperti tabung bowling. Tabung itu diisi dengan bola-bola dalam garis dari ujung ke ujung dan tidak ada celah di antara mereka. Saat Anda mendorong bola di satu ujung, semua bola menempuh jarak yang sama .

Gerakan ini adalah arus elektron dan gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkan bola adalah tegangan yang diberikan.

Sumber kebingungan lainnya adalah kalimat "jalur paling tidak resistensi". Seseorang dapat membayangkan seseorang di perempatan yang memilih 1 dari 3 cara yang mungkin. Ketika orang mengambil jalan semua orang pergi ke arah itu, dan ini adalah persis bagaimana saat ini TIDAK ALIRAN . Alih-alih saat ini akan "terpecah" dan mengalir ke semua arah yang mungkin, tetapi secara proporsional dengan perlawanan dalam cara-cara itu. Terkadang resistensi begitu tinggi, jumlah saat ini sangat kecil, yang bermanfaat untuk diabaikan untuk penyederhanaan.


0

Pertanyaan Anda agak kacau dan saya tidak melihat bagaimana gelombang ada hubungannya dengan ini. Namun, hukum dasar Ohm mudah dijelaskan dalam contoh Anda. Kedua resistor memiliki tegangan di atasnya. Itu berarti arus yang melalui mereka adalah . Secara khususVSVSR

I1=VSR1

I2=VSR2

IS hanyalah jumlah dari dua arus melalui resistor:

IS=I1+I2

Anda bisa mendapatkan dengan cara lain, dengan mempertimbangkan resistensi setara dan secara paralel.ISR1R2

Secara umum:R1||R2||...Rn=1(1R1+1R2+...1Rn)

R1||R2=11R1+1R2=R1×R2R1+R2

Menggunakan hukum Ohm lagi, itu lurus ke depan untuk menghitung Apakah:

IS=VSR1||R2=VS×R1+R2R1×R2

Perhatikan bahwa ini adalah jawaban yang sama seperti di atas di mana kami menghitung arus melalui setiap resistor dan menambahkannya untuk mendapatkan :IS

IS=I1+I2

IS=VSR1+VSR2=VS×1R1+1R2=VS×R1+R2R1×R2=VS×(R1||R2)


9
Komentar yang sama dengan jawaban Matt: seperti yang saya pahami, dia bertanya bagaimana elektron tahu ke mana harus pergi ketika mereka mencapai simpul, karena mereka tidak tahu apa yang ada di depan. Kita dapat melihatnya karena kita memiliki skematisnya, tetapi jika Anda mengikuti jalur yang terpecah Anda tidak dapat memberi tahu di tempat berapa banyak arus akan ke kiri dan seberapa banyak ke kanan. Tapi sementara kita punya waktu untuk bermain dengan Ohm dan Kirchhoff, elektron tidak bisa berhenti di sana untuk melihat ke depan. Saya mengangkat pertanyaan itu.
stevenvh

Sebelum mengatakan kata-kata seperti 'rusak' dan kalimat-kalimat seperti 'gelombang ada hubungannya ...' Anda sebaiknya menyapu dasar-dasar Anda dan belajar tentang keadaan transien dan mantap dari rangkaian listrik / elektronik.
Claudio Avi Chami

0

Sebenarnya, gelombang ada banyak hubungannya dengan itu, sampai kondisi mantap tercapai. Pada awalnya, bahkan rangkaian paling sederhana yang terbuat dari baterai, sakelar, kabel, dan resistor, adalah saluran transmisi, dikelilingi oleh gelombang elektromagnetik, dan memerlukan analisis sementara untuk dapat memahaminya. Analisis sementara ini akan menjawab pertanyaan awal di blog ini, jika saya memahami pertanyaan itu ... Bahkan baterainya kompleks, dan pada awalnya, sampai kondisi mantap tercapai, memerlukan analisis yang diatur oleh eqn maxwells, dan banyak lagi. Pada tahun-tahun sebelumnya, DC101 awalnya diajarkan menggunakan analogi air dalam pipa, dll. Analogi juga digambar untuk induktansi dan kapasitansi. Ini adalah cara yang bagus untuk membantu seseorang memahami DC, jika Anda memiliki lima menit untuk mengajarkannya kepada mereka, dan hukum ohm sejauh yang Anda bisa ambil dari siswa Anda.


0

Itu seperti jalan raya yang penuh dengan mobil di mana jalan raya adalah konduktor dan mobil adalah elektron. Jika ada perbaikan jalan di depan membatasi jalan tol dari tiga ke satu jalur, semua jalur melambat dan mobil 20 mil di belakang juga tidak akan bisa melaju lebih cepat di bagian tiga jalur karena mobil di depan tidak akan membiarkan mereka.

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.
Judi bola <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>|