Откуда электричество «знает» соотношение сопротивлений делителя напряжения?

Проведем еще один мысленный эксперимент:

Представьте, что мы постепенно укорачиваем соединение между двумя резисторами, пока оно не станет бесконечно малым. Теперь у вас фактически есть один резистор с точкой делителя где-то посередине. Один конец этого резистора подключен к напряжению питания, скажем, 5 Вольт. Другой конец подключен к земле, которую мы назовем 0 Вольт, потому что мы будем использовать ее в качестве точки отсчета для нашего измерения напряжения.

Опять же, представьте, что мы постепенно перемещаем точку делителя вверх к концу 5 В или вниз к концу 0 В. В каком месте этого комбинированного резистора вы ожидаете, что измеренное напряжение упадет с 5 Вольт до 0 Вольт?

Понятно ли, что напряжение не имеет ступенчатого изменения в одной точке, а пропорционально доле резистора ниже точки делителя? Падение напряжения линейно по длине комбинированного сопротивления.

Теперь представьте, что мы постепенно восстанавливаем длину той связи, которую растянули в первой визуализации. И представьте, что само соединение сопротивления не имеет - нулевое. (Это не совсем ноль, но настолько близко, что мы можем его игнорировать). Понятно ли, что напряжение не будет отличаться на обоих концах соединения, когда вы снова его растянете?

Общее напряжение падает линейно по отношению к общему сопротивлению , а точка делителя «выбирает» это напряжение в определенной части общего сопротивления.

Ток не «заботится» или «знает», протекает ли он через множество отдельных резисторов или один непрерывный; напряжение непрерывно падает на каждом участке пути сопротивления. Соединения с нулевым сопротивлением просто не имеют значения .

Что касается тока, то здесь нет делителя, есть только один путь, который имеет определенное (общее) сопротивление. Допустим, у вас есть 1k$\Omega$и 2к$\Omega$резистор последовательно. Итого: 3k$\Omega$, и если вы приложите к нему 3 В, вы получите по закону Ома

$I = \dfrac{V}{R} = \dfrac{3V}{3k\Omega} = 1mA$

Теперь закон Ома также применяется к любому отдельному резистору в цепи. Чтобы найти напряжение на 1к$\Omega$резистор:

$V = I \cdot R = 1mA \cdot 1k\Omega = 1V$

Так что на самом деле вы получаете часть исходных 3 В, поэтому это называется делителем, коэффициент которого определяется соотношением между резисторами. Но для тока нет разницы между нагрузкой в ​​3к$\Omega$и один состоит из 1k$\Omega$плюс 2к.$\Omega$резистор.

Что не так с аналогией с водой? Когда насос проталкивает воду через капилляр, манометр ниже увидит полное давление в точке X, но примерно половину давления в точке Y. Вода не «знает», какое давление должно быть, она просто встречает меньшее сопротивление. по мере того, как он движется вниз по капилляру, и давление уменьшается пропорционально.

(Кстати, так перепускной клапан в домашней системе центрального отопления регулирует скорость потока через радиаторы).

Картина такова: электроны толкаются силой. Общее количество силы (напряжение питания) делится между величиной сопротивления в каждой части дорожки. Поток электронов уравновешивается таким образом, что сумма всех напряжений на всех элементах составляет напряжение питания.

Объяснение: Ток — это, по сути, «все электроны в проводе, медленно движущиеся в определенном направлении». Представьте себе кучу мячей в шланге. Один должен выйти с другой стороны, когда вы нажмете один на своей стороне.

Чтобы заставить их двигаться, нужно приложить силу. Это электрическая сила, когда электрическое поле (в основном напряжение) действует на заряженные объекты, в нашем случае на электроны.

Чтобы заставить их двигаться быстрее, вы должны приложить больше усилий. (вернее, та же сила чаще)

Какая сила нужна относительно скорости/тока, зависит от сопротивления пути.

Все электроны на пути движутся вместе. Это означает, что все в источнике питания, проводах и резисторах, все электроны движутся более или менее синхронно.

Теперь электроны движутся. Для каждой бесконечно малой части пути существует сопротивление, которое определяет, насколько большим должно быть напряжение, чтобы заставить электроны двигаться. Они движутся, потому что есть течение. Они вынуждены.

Напряжения каждой части пути складываются в общее напряжение.

Все дело в законе Ома .

Напряжение на двух резисторах создает ток, протекающий в них обоих. Этот ток будет одинаковым для всех резисторов, если они соединены последовательно, и будет определяться законом Ома.

На каждом резисторе протекающий ток вызовет падение напряжения, опять же определяемое законом мистера О.

Вы можете найти математику повсюду, но сначала поймите это и то, как работает резистор. Поскольку это тема для злоупотреблений, я бы посоветовал вам прочитать вики о резисторе и законе Ома . Как только вы поймете и то, и другое, делитель напряжения станет волшебным образом понятен.

Так или иначе:

Откуда электричество «знает» соотношение сопротивлений делителя напряжения?

Откуда вы знаете, что если вы прыгаете с моста, то падаете с определенной скоростью? Это просто из-за физики.

Ну, во-первых, это вид с одним резистором. Мы посмотрим на это с настройкой автомобильного аккумулятора и скажем, что у нас есть минусовая земля и +12В горячее.

В нашей первой схеме мы перемещаем 12 вольт через сопротивление 12 Ом и перемещаем 1 ампер для 12 ватт через нашу нагрузку. Это все, что может двигаться там. Относительная разница между подающей и принимающей стороной одинакова.

Вы также можете рассматривать это как горячее +6 В и заземление -6 В, и схема будет действовать точно так же. Повышение подачи (горячее) или понижение стока (земля) создаст разницу потенциалов (напряжение).

Теперь изменим нашу нагрузку: два резистора по 6 Ом каждый. Наше общее сопротивление теперь снова 12 Ом, поэтому мы по-прежнему будем потреблять 1 ампер. Каждая нагрузка теперь потребляет половину этого: 6 Вт. Чтобы потреблять 6 ватт через резистор 6 Ом при мощности 1 ампер, вы должны потерять 6 вольт. Помните, ток остается постоянным в цепи, где бы вы его ни измеряли. Вот почему предохранитель эффективен в любом месте последовательной цепи. Помните, что сила тока в основном представляет собой расход (галлоны в минуту), а получаемая мощность представляет собой комбинацию расхода и давления (напряжения). Таким образом, напряжение * сила тока == ватты (движущая сила).

Итак, электрическая часть. Чтобы использовать аналогию с водой, вы должны думать о водопроводной системе немного по-другому. «Раковина», куда теперь течет вода, должна рассматриваться как находящаяся под давлением, поэтому создается некоторое противодавление. Нагрузками являются турбины в трубе. Если у нас давление подачи 100 фунтов на квадратный дюйм, а у стока 50 фунтов на квадратный дюйм, мы получим поток.

Разница давлений между двумя точками на трубе после нагрузки будет пренебрежимо малой. Он по-прежнему будет оказывать давление на внешний мир, но относительное давление по сравнению с нашим сливным баком на 50 фунтов на квадратный дюйм будет очень низким. Добавление разделения с большим количеством труб после последней загрузки ничего не изменит.

Если мы вставим трубу перед первой загрузкой и подсоединим ее после последней загрузки, мы увидим на ней давление 100 фунтов на квадратный дюйм... или 50 фунтов на квадратный дюйм относительно наших двух резервуаров. Если мы постучим посередине этих двух одинаковых турбин к нашей раковине, мы увидим давление 25 фунтов на квадратный дюйм. Вода должна была затратить некоторую энергию, чтобы пройти через первую турбину.

Пока у нас достаточно давления (напряжения), чтобы вращать турбину (приводить в движение нагрузку), мы будем видеть падение на этой турбине, равное разнице давлений с обеих сторон. Если мы поместим туда несколько турбин, мы увидим падение давления, пропорциональное усилию, затраченному на вращение турбины.

Помните, что напряжение и давление относятся к относительной ссылке. В конце концов, 0 фунтов на квадратный дюйм на земле обычно измеряется относительно, и на самом деле это 14,7 фунтов на квадратный дюйм (абсолютное). Итак, представьте на секунду, что ваша цепь питания +24 В горячая по отношению к +12 В на землю, и, возможно, это будет иметь больше смысла, потому что вы визуализируете некоторое противодавление в своей голове и действительно сосредоточитесь на том факте, что относительное давление является движущей силой. точка.

Мы увеличиваем потребляемую мощность через наши турбины, используя большую трубу и большие турбины с тем же давлением, или мы можем увеличить давление в существующих трубах. Однако перепад давления на наших турбинах всегда будет оставаться пропорциональным, пока может течь вода.

Это все в области электротехники. Итак, если у нас есть цепь с двумя резисторами и мы подключаем батарею, появляется электрическое поле, идущее от одного конца батареи к другому концу через два резистора. Это та часть, которая движется со скоростью света (в материале). На это поле влияет материал провода и сопротивление, а также ширина пути и т. д. Следовательно, напряженность поля в разных точках полностью контролируется сопротивлением. Затем электроны в материале реагируют на поле. Скорость, с которой они движутся, контролируется силой поля, и она устанавливается значениями сопротивлений. Таким образом, электроны движутся с предсказанной скоростью, потому что поле, которое их контролирует, само контролируется резисторами.

Надеюсь, это то, что вы искали,

Мне также нравится думать об этом в аналогии с водой, но проще. Это работает следующим образом:

Представьте себе трубу, диаметры разных участков которой разные. Чем больше диаметр, тем больше воды может пройти. Сопротивление с более высоким значением будет работать как трубы меньшего диаметра, пропуская меньше воды.

Скажем, у вас есть 2 сопротивления: 1к и 2к. «Труба» сопротивления 2 кОм составляет примерно половину диаметра «трубы» сопротивления 1 кОм. Если вы предусмотрите хороший выход для воды между ними (т. е. разделенную линию напряжения), через нее пройдет много воды, но не вся. Часть воды все равно будет проходить через «трубу» 1к, так как в ней есть место, если она пуста. Сколько? примерно 1/3 воды сможет использовать трубу 1k за то же время, что 2/3 утекает через трубу разделения напряжения. Таким образом, с точки зрения потенциала, у вас будет примерно 2/3 В, проходящих через делитель. Все зависит от того, сколько воды попадает (из-за первого сопротивления) и сколько воды может выйти на землю (из-за второго сопротивления).

В любом случае, он будет иметь полный потенциал на двух концах, потому что это обязательно, но в середине у вас будет потенциал, который вы сможете сбежать по этому маршруту, который был намного более заманчивым, чем другой маршрут.

Я не уверен, что аналогия точна на 100%, но это ментальная модель... она не обязательно должна быть точной, просто выразительной :)