Имеет ли значение ток больше, чем сопротивление при построении цепей?

Что более важно , так это несколько субъективная тема. Концепция двойственности — это один из способов сформулировать ее: у каждой электрической вещи есть двойственность . Один из наиболее очевидных примеров: конденсаторы — это двойные катушки индуктивности. Все, что верно для катушек индуктивности (по крайней мере, идеальных), верно и для конденсаторов, если поменять местами напряжение и ток, последовательное и параллельное.

Есть также много электрических машин с дуалами. Например, обычный громкоговоритель приводится в действие магнитным притяжением или отталкиванием между электромагнитом ( звуковой катушкой ) и постоянным магнитом. Это громкоговорители с низким импедансом (обычно$4\Omega$или$8\Omega$, что означает, что усилитель, предназначенный для их управления, будет рассчитан на вывод большого тока при небольшом напряжении. Но есть также электростатические динамики , которые являются устройствами с высоким импедансом ($>10M\Omega$, легко), управляемые малыми токами при высоких напряжениях. Вместо того, чтобы быть в основном индуктивной нагрузкой, они в основном являются емкостной нагрузкой.

В мире полно таких двойников. Итак, что касается теории, в основном можно обмениваться напряжением и током, и в итоге вы получаете другую схему или машину, которая выполняет то же самое.

Однако мы живем в предвзятом мире. Источники напряжения более распространены, чем источники тока . Когда мы представляем физические величины электрически (например, звуковое давление), мы склонны анализировать их как напряжения, а не токи. Когда мы думаем о механических приводах, мы думаем о магнитных соленоидах , прежде чем думать об электростатических. Я не совсем уверен, почему это правда, но это так. Возможно, это связано с практичностью создания вещей из материалов, о которых мы знаем. На самом деле я думал о том, чтобы сформулировать это как вопрос на этом сайте, но я не мог придумать способ сделать это не слишком субъективным.

Вот урок, который нужно усвоить: поскольку источники напряжения настолько распространены, обычно нужно учитывать только ток, потому что напряжение уже определено за вас. Если у вас есть, скажем, Arduino, работающая от источника питания 5 В, то вы не думаете о напряжении. Напряжение составляет 5 В, и вы ничего не можете с этим поделать, если хотите использовать этот Arduino. Все, что вы можете изменить в своей конструкции, это то, какой ток вам требуется для обеспечения питания 5 В.

Однако теоретической разницы между током и напряжением нет . Это две стороны электрической медали, одинаково важные. И во многих случаях вы можете обменять одно на другое. Рассматривайте оба в равной степени в своем мышлении.

Это не так просто, как «ток имеет значение, а напряжение — нет». В зависимости от задействованных деталей существуют различные режимы отказа:

Одной из самых частых проблем является выход из строя из-за перегрева , а это значит, что компоненты просто плавятся или сгорают (интересные видео про перегорание резисторов можно найти на ютубе). Перегрев вызван чрезмерным рассеиванием мощности . В случае омического резистора (типа стандартного резистора или в первом приближении лампочки) мощность равна$P = I^2*R$или эквивалентно$U^2/R$, так что вы можете посмотреть на это как со стороны тока, так и со стороны напряжения.

В качестве простого примера рассмотрим резистивное устройство, которое может рассеивать мощность 1 Вт и имеет сопротивление 100 Ом. Это означает, что вы можете иметь не более 10 В на нем. Вы можете запустить это устройство от источника напряжения 100 В, но вам понадобится резистор на 900 Ом, подключенный последовательно, который будет иметь 90 В на нем и, следовательно, будет рассеивать 9 Вт мощности. Это не только снижает эффективность вашей схемы до 10%, но также может потребовать довольно хорошего решения для радиатора. Если вы запустите его от источника питания 1 В, он не перегреется, но у вас будет выходная мощность всего 10 мВт - этого может не хватить для намеченных целей. Таким образом, даже для очень простого устройства вы не можете произвольно выбрать напряжение источника питания.

Затем возникают повреждения, вызванные электрическим пробоем изоляторов. Это связано с сильными электрическими полями. Обычно мы думаем о воздухе/пластике/эпоксидной смоле как о изоляторах, но они могут выдерживать только определенное электрическое поле. Например, напряжение пробоя для воздуха составляет около 3000 В/мм. Это (а также другие электрохимические эффекты) приводит к тому, что конденсаторы умирают при воздействии чрезмерного напряжения.

Полупроводники, такие как диоды и транзисторы, более сложны, и в них нужно учитывать больше эффектов. Например, большинство светодиодов не пропускают ток при напряжении 1 В. Вам нужно минимальное напряжение, чтобы они вообще проводили (и излучали свет).

Разговоры о «сопротивлении» в отношении полупроводниковых устройств, таких как светодиоды и микропроцессоры (на Arduino), могут ввести вас в заблуждение, поскольку они не ведут себя как резисторы. Вместо этого эти типы устройств имеют порог напряжения и ведут себя по-разному выше и ниже порога.

Для красных светодиодов это около 2В. Так что, если, например, вы подключите светодиод к регулируемому настольному источнику питания и будете постепенно наматывать его, вы можете наблюдать (значения очень приблизительные):

• 1,5 В без света, почти нулевой ток
• 1,7 В тусклый свет, несколько мА потока
• Нормальная яркость 1,9 В, ток близок к значению из таблицы
• 2,1 В яркий, начинает немного греться
• 2,3 В очень яркое, цвет меняется, светодиод выходит из строя через короткое время

Добавление резистора дает вам систему с двумя компонентами, которые по-разному реагируют на напряжение и ток. Резистор имеет строго линейное поведение - ток и напряжение точно пропорциональны друг другу - и поэтому система стабилизируется с определенным током через светодиод, который для нее чувствителен.

Нечто подобное относится к напряжению база-эмиттер биполярных транзисторов, которое обычно составляет около 0,7 В в широком диапазоне токов.

То, что убивает микропроцессоры при воздействии на них перенапряжения, — подобная нелинейность: ток, протекающий при повышенном напряжении, будет намного больше в каком-то внутреннем месте, которое затем сгорит.

(Этот эффект можно использовать выборочно внутри устройства: в некоторых устройствах есть программируемые предохранители, которые можно преднамеренно сжечь, чтобы активировать функции безопасности или установить серийный номер.)

Полупроводниковые устройства действительно могут быть созданы для работы с очень высокими напряжениями (мощные МОП-транзисторы, IGBT), но это делает их большими и дорогими.