Как резистор может влиять на цепь, если он ведет прямо на землю?

В вашем примере мы предполагаем, что ток не течет к$Vout$, это всего лишь точка измерения. Представьте, что это просто точка, плавающая в пространстве и не имеющая связи, кроме$R1$и$R2$.

Также ток течет по петле , по соглашению (подробнее ниже) от$Vin$, через два резистора, через землю, затем обратно к тому, что создает$Vin$(скажем, батарея.) Земля - ​​это просто ссылка на ноль вольт.

Учитывая это, мы знаем, что каждый резистор имеет свое собственное падение напряжения . Сумма этих падений напряжения будет$Vin - GND$, или просто$Vin$.

Вы также можете интуитивно увидеть, что$Vout$будет зависеть от соотношения двух резисторов. Если$R1$равно$R2$, то доля падения напряжения равна, поэтому$Vout = Vin/2$. Как$R2$уменьшается его падение напряжения также уменьшается, в то время как$R1$падение напряжения увеличивается.

Как мы это анализируем? Закон Ома и еще несколько законов.

В такой последовательной цепи ток в любой части цепи одинаков. Это закон тока Кирхгофа , или KCL, применительно к простым петлям тока.

Закон Кирхгофа о напряжении , или KVL, гласит, что все падения напряжения в цепи должны в сумме составлять общее напряжение. На основании КВЛ мы знаем, что сумма падений напряжения всех элементов равна$Vin$.

С этими инструментами в руках приступим к взлому.

Начнем с определения тока последовательной цепи, используя закон Ома :

• $I = \frac E R$

с полным сопротивлением$R$сумма$R1$и$R2$. Мы подключаем их и решаем для$I$:

• $I = (Vin - 0V) * \frac {1} {R1 + R2} = {Vin} * \frac {1} {R1 + R2}$

На основании KCL мы знаем, что ток через каждый резистор одинаков:

• $I = I_{R1} = I_{R2}$

Таким образом, мы можем решить для$Vout$снова с законом Ома:

• $E = I*R$

Мы используем KCL для замены полного тока$I$для$I_{R2}$, и, наконец, вычислить$Vout$:

• $Vout = {I} * {R2} = [Vin * \frac {1} {R1+R2}] * R2$

или,

• $Vout = Vin * \frac {R2} {R1+R2}$

которое вы можете узнать как уравнение делителя напряжения .

Что, если бы какой-то ток протекал в$Vout$? Мы бы изменили уравнение, чтобы отразить это, используя обобщение KCL, которое утверждает, что токи, втекающие в точку, равны токам, вытекающим из нее.

Наконец, несколько слов о потоке электронов и токе.

По поводу:

Отсюда: https://xkcd.com/567/

Течение тока от положительного к отрицательному называется обычным током . Не беспокойтесь об этом слишком сильно, классические уравнения, такие как закон Ома, KCL и KVL, все еще работают, пока вы придерживаетесь, гм, условности.

Если это было достаточно путеводно для Джеймса Клерка Максвелла , то достаточно путеводно для тебя, приятель.

Вот еще о чем подумать. Электроны «текут» по цепи, это называется дрейфом электронов . Условно говоря, это довольно медленно, порядка см в секунду в таком проводнике, как медь. И действительно, они дрейфуют от негатива к позитиву.

Связанный: влияет ли разница напряжений на скорость электронов?

Мы думаем об электронах, когда говорим об атомной теории таких материалов, как батареи, полупроводники и электронные лампы. Это само происхождение термина «электроника», наследие, которое Дж. Дж. Томсон оставил нам в 1897 году, примерно через 50 лет после того, как Максвелл опубликовал свою единую теорию электромагнетизма. До Томсона никто толком не знал, что такое электрон, не говоря уже о его заряде.

С другой стороны, заряд распространяется со значительной долей скорости света. Заряд — это «электрическая» сторона электромагнетизма, и это то, что мы анализируем, когда говорим о таких базовых схемах.

Таким образом, с точки зрения Максвелла, совершенно справедливо сказать, что заряд течет от положительного к отрицательному почти со скоростью света. И при этом создает магнитное поле.

Так как же течет заряд? Это область квантовой механики. Посмотрите на диаграммы Фейнмана для мягкого, элегантного введения. Попробуйте здесь: https://web.mit.edu/dikaiser/www/FdsAmSci.pdf

Земля — это просто точка в цепи, которую мы решили назвать «Нулевой вольт». Магических свойств у него нет.

Ваша схема может быть перерисована как:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Рис. 1. Потенциометр (справа) — переменная версия делителя потенциала (слева).

Рассмотрим потенциометр (например, регулятор громкости). Регулируя вайпер снизу вверх, можно выбрать любую часть V _{in .} Должно быть ясно, что внизу V _out будет 0 V, а вверху будет V _in . 40% пути вверх V _out = 0,4 V _in .

• Если мы опустим R2, у нас будет R1 последовательно с напряжением питания.
• Если мы замкнем R2 накоротко, то V _out всегда будет 0 В.

Совет: забудьте об электронах для работы с практическими схемами. Просто подумайте о токе, протекающем от + к -. Мы все так работаем.

Я думаю, что ваше замешательство вызвано несколькими недоразумениями. Я не буду повторять детали, которые вы можете найти в других ответах. Я остановлюсь на некоторых ключевых моментах.

Прежде всего, эта схема не является полным представлением физической схемы, а использует обычные упрощения, к которым привык эксперт.

В частности:

• он не показывает, что физически создает напряжение Vi, которое, кстати, не обязательно должно быть идеальным источником напряжения;

• он использует узловые напряжения , чтобы избежать указания напряжений между компонентами. Помните, что напряжение – это разность электрических потенциалов между двумя точками , поэтому при указании напряжения вам нужны две точки . Здесь Vi явно указано как напряжение в точке , что физически не имеет смысла. На самом деле вторая точка неявно указана на схеме и обозначена символом земли. Таким образом, Vi измеряется между верхней ножкой R1 и землей.

Более того, вы объединяете два понятия: заземление цепи и заземление сети (также известное как заземление, также известное как защитное заземление). Заземление цепи — это просто произвольно выбранная общая точка отсчета узловых напряжений в цепи. Сетевое заземление - это соединение, выполненное с землей вокруг здания из соображений безопасности. Иногда заземление цепи соединяется с землей в некоторых цепях, подключенных к сети, но это не всегда так. В любом случае, даже если вы отождествите заземление цепи с заземлением сети, это не изменит поведение цепи, но, конечно, может добавить путаницы, если вы не знаете, как работает заземление сети и почему оно используется для обеспечения безопасности.

Наконец, кажется, вы думаете, что любой ток, протекающий через R1, полностью выходит из цепи через Vout. Эта схема работает не так. Мы не знаем, что связано с Воутом, если вообще что-то. В настоящее время ничего не подключено, иначе R1 и R2 не были бы делителем напряжения (здесь я немного упрощаю). Таким образом, Vout — это просто метка, указывающая точку соединения между R1 и R2 и ее напряжение относительно земли. Это означает, что любой заряд, протекающий через R1, затем «продолжается» и также проходит через R2 к земле.

В любом случае, чтобы понять эту схему, вы можете думать о напряжениях как о высотах в ландшафте. Каждая точка имеет высоту (напряжение) относительно уровня моря (земля цепи). Заряды имеют определенную электрическую энергию, когда они находятся в точке цепи, точно так же, как тело имеет определенную гравитационную энергию, когда оно находится на определенной высоте (напряжение — это энергия на единицу заряда).

Давайте рассмотрим здесь только положительные заряды (еще одно упрощение): для каждого электрона, физически движущегося от A к B в цепи, вы можете думать о положительном «виртуальном заряде», движущемся от B к A. Чистое влияние на токи такое же. Думать с помощью электронов можно , но это только усилит путаницу, потому что в формулах везде будут появляться знаки минуса, без всякой выгоды. Инженеры и ученые думали о положительных зарядах в цепях еще до того, как были открыты электроны и до того, как они поняли, что проводимость в металлах связана с движущимися отрицательными зарядами.

В любом случае, когда заряды перемещаются, они теряют или приобретают энергию подобно тому, как человек поднимается или опускается между местами на разной высоте. Поэтому, когда заряды текут в R2 от Vout к земле, они теряют энергию. Эта энергия преобразуется в тепло в R2. Эта потеря энергии - это то, что физически отличает напряжение Vout от напряжения земли (предполагаемого по определению равным 0 В). То есть точка между R1 и R2 находится при Vout вольт выше 0 В (на уровне моря), потому что заряды перемещаются в R2 и теряют энергию. Если бы резистора R2 не было, ток через резистор R1 не протекал бы, поэтому потенциал Vout был бы равен Vin (Vout = Vin).

Предположим, что ток через Vout не течет, поэтому через оба резистора будет течь один и тот же ток.

Напряжение на каждом резисторе определяется законом Ома, V=IR.

Отношение напряжения на каждом резисторе будет отношением их сопротивлений.

Изменение значения R2, ​​в то время как R1 остается постоянным, изменит их соотношение и, следовательно, коэффициент деления с Vin на Vout.

Что помогло мне рассуждать об этом раньше, так это то, что я размышлял об этом, используя аналогию с водой, которую преподавали в школе электротехники.

Резисторы - это дроссели в трубах. Vin — это ваш кран, а GND — канализация. Vвых - манометр.

Допустим, у вас есть тройник без ограничений. Вода может свободно стекать в канализацию. Какое давление вы увидите в средней точке буквы Т? Пренебрежимо мало. Если вы просто поставите ограничение в верхней части буквы Т, это особенно верно. Уменьшенный поток воды будет просто просачиваться в канализацию.

Поместите ограничение только снизу, а не сверху, и все давление вашего патрубка достигнет Т, и некоторое количество воды будет вытекать из ограничения, но до тех пор, пока у вас будет больше потока воды, чем то, что выпускает ограничение, вы почувствуете все. давление в Т.

Теперь поставьте ограничение сверху и снизу. Верх уменьшает поток воды до точки. По мере того, как вы увеличиваете ограничение от отсутствия до полной блокировки в нижней части тела, ваше обратное давление на Т будет увеличиваться.

Давление воды это напряжение. Расход воды текущий.

БОНУС:

Одна из присущих этой схеме проблем начинает проявляться, если рассматривать Vout как еще один набор каналов со своими ограничениями. Если Vout просто труба в канализацию, то там тоже не будет давления. Ограничение на Vout (скажем, R3) будет определять, какое давление на самом деле ощущается в Vout. Между тремя резисторами существует взаимосвязь, которая определяет, какое давление ощущается на выходе Vout. Вот почему делитель напряжения является неудобным регулятором напряжения, но может быть достаточно хорошим в некоторых ситуациях (как правило, когда давление на патрубке стабильно, а ограничение на R3 очень велико, приближаясь к бесконечности).

Закон Ома V = I x R означает, что ток I и напряжение V связаны в физическом элементе, характеризуемом его сопротивлением R. Это соответствует физической модели развития электрической мощности и выполнения электрической работы.

Электрическая работа - это сила, умноженная на расстояние, также эквивалентная количеству электрического заряда, умноженному на разность электрических потенциалов. Падение напряжения на резисторе при протекании тока является мерой электрической работы.

Течение тока представляет собой движение заряда через поверхность поперечного сечения в момент времени. Мощность – это скорость выполнения работы в момент времени. Таким образом, электрическая мощность равна напряжению, умноженному на силу тока.

Если резистор соединен с землей (V = 0) в одном узле и если ток течет в другой узел, то на резисторе возникает падение напряжения из-за электрической работы, и напряжение всегда более положительное в узле, где ток входит в узел. резистор.

Простой способ взглянуть на это состоит в том, что заземление фактически равно 0 В, а Vin - это любое входное напряжение.

С точки зрения Vout, R1 «тянет» Vout к напряжению Vin, R2 «тянет» Vout к 0 В, а Vout будет где-то между Vin и 0 В.

Если вы просто подставите значения для переменных (Vin, R1 и R2), вы увидите, что происходит. Установите Vin на 12 В, R1 и R2 на 100 Ом, а Vout будет 6 В. Установите R1 и R2 на 100 Ом и 200 Ом соответственно, и Vout будет 8 В. Поменяйте местами два значения, и получится 4 В.