Вопрос о параллельных и последовательных цепях (поток электронов)

Я думаю, что способ думать об этом состоит в том, чтобы думать о грузовых линиях .

(Общественное достояние из Викимедиа)

График линии нагрузки показывает два уравнения, которые необходимо решить, чтобы получить рабочую точку схемы. I - ток, протекающий по цепи по часовой стрелке. V _D – потенциал, указанный на схеме. Кривая отклика диода показывает все возможные комбинации I и V _D , которые согласуются с характеристическим уравнением диода:

$I(V_D) = I_s(\exp{(nV_D/V_T)}-1)$.

А кривая линии нагрузки показывает все возможные комбинации I и V _D , которые согласуются с характеристиками источника Thevenin, образованного батареей и резистором:

$I(V_D) = (V_{DD} - V_D)/R$

Поскольку существует только одна комбинация I и V _D , удовлетворяющая обоим уравнениям, показанная пересечением двух кривых, это будет рабочая точка схемы.

Итак, как это поможет ответить на ваш вопрос?

Когда вы соединяете два компонента параллельно, их напряжение одинаково, а их токи складываются, поэтому кривая отклика параллельной комбинации растягивается в направлении «I». Когда вы соединяете два компонента последовательно, их ток одинаков, а их напряжения складываются, поэтому кривая отклика последовательной комбинации растягивается в направлении «V».

если бы у нас был светодиод, подключенный между батареей 5 В, такой как +----светодиод----(земля), мы бы испытали падение напряжения 5В на светодиоде,

Это нереалистичный сценарий из-за крутой формы кривой отклика диода. Если вы поместите 5 В на диод, у вас больше шансов взорвать диод, чем получить рабочую схему.

Тем не менее, реальные источники напряжения, такие как батареи, имеют некоторое паразитное последовательное сопротивление (и настоящие диоды также имеют некоторое паразитное последовательное сопротивление), поэтому, если у вас есть достаточно мощный диод, вы можете найти его рабочую точку при питании от батареи 5 В с нагрузкой. -линейный анализ, как показано на рисунке выше.

однако 2 светодиода будут просто падением напряжения в 2,5 раза ..... Я не понимаю, ПОЧЕМУ это так? Разве не следует использовать все «Давление» от напряжения батареи после первого светодиода?

Если у вас есть два устройства последовательно, их ток одинаков. Если это идентичные компоненты (с одинаковыми кривыми отклика), это означает, что напряжение на каждом из них должно быть таким же, как и на другом. Таким образом, если вы подадите 5 В на последовательную комбинацию идентичных частей, вы знаете, что получите 2,5 В на каждой из них.

Кроме того, как одинаковое давление/напряжение может быть распределено в параллельной цепи?

В реальной цепи оно распределено не идеально, потому что в проводах, соединяющих части, есть некоторое сопротивление. Но в модели с идеальными проводами определение провода состоит в том, что напряжение одинаково во всех точках провода. И этого приближения достаточно для анализа подавляющего большинства схем.

1) Как можно быстрее «осушить» ванну/раковину/ведро, если вместо одного шланга будет три?

2) Когда вы ставите три пружины встык и растягиваете (или сжимаете) их, все ли пружины сжимаются (сжимаются) или только одна с одного конца?

Энергия уходит из аккумулятора, как вода из ведра. Гравитация заставляет двигаться воду: электрохимический потенциал заставляет двигаться электроны. Если вы сделаете больше отверстий или сделаете их больше, вода уйдет быстрее. Если вы поставите больше резисторов или сделаете резисторы более проводящими, мощность исчезнет раньше.

Резисторы, соединенные последовательно, действуют как последовательно соединенные пружины, потому что обе системы являются ЛИНЕЙНЫМИ. Это слово «ЛИНЕЙНЫЙ» означает именно то, что когда вы соединяете их последовательно, давление распределяется между ними. Точно так же, как сказать, что пружина или резистор КРАСНЫЙ или СИНИЙ, некоторые материалы являются ЛИНЕЙНЫМИ - давление распределяется по длине. Резисторы изготавливаются из такого материала, потому что мы ХОТИМ, чтобы они были такими же. Если бы мы этого не хотели, мы бы использовали какой-нибудь другой материал.

Откуда они «знают», чтобы разделить нагрузку? Они не знают. Они прыгают вокруг, пока нагрузка не будет разделена. Для резисторов «отскок» происходит очень быстро — при эффективном рассеивании света — до тех пор, пока распределение не станет правильным. Как для пружин, так и для резисторов скорость, с которой они отскакивают взад и вперед, пока не осядут, называется «скоростью волны».

Если у вас есть правильное тестовое оборудование и правильный тестовый материал, вы можете измерить напряжение, выравнивающее цепь резисторов при их подключении.

Думайте о батарее как о насосе для жидкости с электрическим зарядом. Он создает разницу давлений с одной стороны на другую (напряжение), и при этом электрический заряд перемещается через насос и подключенную к нему цепь.

Давайте подумаем о резисторах вместо светодиодов. Резистор похож на шланг. Через него может проходить ток, но из-за трения давление на одной стороне шланга выше, чем на другой. Резистор с высоким номиналом подобен маленькому шлангу с большим трением. Резистор с низким номиналом представляет собой большой шланг с меньшим трением. Проволока — это шланг, настолько большой, что трением можно пренебречь.

Если вы соедините три шланга или резистора последовательно, их сопротивления складываются, и они обеспечивают большее сопротивление току как единое целое, чем один. Хотя давление, создаваемое насосом, не изменилось, ток будет меньше. Если шланги или резисторы идентичны, сопротивление будет в три раза больше, чем в один.

Если вы подсоедините три шланга параллельно, это будет похоже на подсоединение одного большего шланга. Давление, создаваемое насосом, все еще не изменилось, но теперь может протекать больший ток. Сопротивление будет составлять одну треть сопротивления одного шланга или резистора, если они идентичны.

Другой способ подумать об этом: весь ток для каждого из трех одинаковых параллельных шлангов должен исходить от насоса и возвращаться к нему. Каждый шланг по-прежнему испытывает такое же давление, как если бы был только один шланг, поэтому в этом шланге будет течь тот же ток. Но ток в насосе должен быть в три раза больше, чем в одном шланге, потому что ток больше некуда течь. В электрических системах это формально объясняется законами Кирхгофа .

Это разряжает батарею быстрее, потому что мощность, скорость преобразования энергии (электрическая энергия преобразуется в тепло в резисторе), равна текущему напряжению:

$P = I E$

Если напряжение в вольтах, а ток в амперах, то мощность в ваттах. Механические системы имеют мощность также в ваттах. Например, мощность равна силе, умноженной на скорость:

$P = F v$

Вы можете толкать что-то совсем немного, но очень быстро (скажем, поднимая теннисный мяч), или толкать что-то очень сильно, но очень медленно (поднимая машину домкратом), но сила может быть одинаковой. Конечно, подъем автомобиля требует больше энергии, чем подъем теннисного мяча, и именно поэтому подъем автомобиля занимает больше времени: при малой мощности требуется больше времени для накопления достаточного количества энергии преобразования (химической энергии из пищи в гравитационную потенциальную энергию) в поднять машину.

Итак, для чего-то вроде батареи, где напряжение (электродвижущая сила ) остается примерно постоянным, скорость, с которой оно разряжается, пропорциональна току. Мощность — это скорость, с которой батарея преобразует свою химическую энергию в электрическую.

Чтобы применить это к светодиодам, рассмотрите светодиод как обратный клапан. Это диод, и он ограничивает ток только в одном направлении. Для открытия клапана требуется некоторое давление (прямое падение напряжения), но помимо этого может протекать больший ток без значительно большей потери давления на обратном клапане. Вот почему для светодиода требуется какое-то устройство (часто последовательный резистор) для ограничения тока: если напряжение батареи больше, чем прямое напряжение диода, то может протекать тонна тока, возможно, больше, чем диод рассчитан. , и он сломается.