Akım, direnci görmeden önce ne kadar akacağını nasıl biliyor?

Örnek olarak aşağıdaki devrelerle:

ve

Akım Ine kadar akacağını nasıl bilecek? Başka herhangi bir dalga önce devrede dolaşır, sonra geri gelir ve çok fazla akımın akması gerektiğini söyler mi?

İstediğiniz şeyin bu olup olmadığından emin değilsiniz, ancak evet, batarya bağlandığında, bir elektrik alanı dalgası bataryadan telleri yüke doğru ilerletir. Elektrik enerjisinin bir kısmı (Ohm kanununa bağlı olarak) yük tarafından emilir ve gerisi yükten yansıtılır ve aküye geri gider, bazıları akü tarafından absorbe edilir (yeniden Ohm kanunu) ve bir kısmı aküyü yansıtır, vb. Sonuçta, tüm sekmelerin birleşimi beklediğiniz sabit kararlı durum değerine ulaşır.

Genelde bu şekilde düşünmüyoruz, çünkü çoğu devrede ölçmek için çok hızlı oluyor. İçin uzun iletim hatları bununla birlikte, ölçülebilir ve önemlidir. Hayır, akım, dalgaya ulaşana kadar yükün ne olduğunu "bilmez". O zamana kadar, yalnızca tellerin kendi karakteristik empedansını veya "dalgalanma empedansını" bilir . Diğer ucun kısa devre veya açık devre veya arada bir empedans olup olmadığını henüz bilmiyor. Sadece yansıyan dalga geri döndüğünde diğer ucunda ne olduğunu “bilebilir”.

Kafes diyagramı örnekleri ve voltajın zaman içinde adım adım nasıl değiştiğinin grafiği için yüksek hızlı mantık sistemlerinde Devre Yansıma Örneği ve İletim hattı etkileri bölümüne bakınız .

Ve bunu anlamamanız durumunda, ilk devrenizde akım, devredeki her noktada eşittir. Bir devre, hepsi suyla dolu bir boru hattı halkası gibidir. Suyun bir noktada bir pompa ile akmasına neden olursanız, ilmek içindeki diğer her noktadaki suyun aynı oranda akması gerekir.

Bahsettiğim elektrik alanı dalgaları, borudaki su içerisinde dolaşan basınç / ses dalgalarına benzer. Suyu borunun bir noktasında hareket ettirdiğinizde, borunun diğer ucundaki su anında değişmez; rahatsızlık suyun diğer ucuna ulaşıncaya kadar ses hızında yayılmalıdır.

Teori ele alındığından, kaba bir benzetmeyle devam edeceğim (İnşallah ne sorduğunuzu doğru anlıyorum, çok net değil)

Her neyse, bir pompa (batarya), suyla dolu bazı borular (teller) ve borunun daraldığı bir bölüm (direnç) hayal ediyorsanız
Su her zaman oradadır, ancak pompayı çalıştırdığınızda basınç (voltaj) oluşturur ) ve suyun devre (akım) etrafında akmasını sağlar. Borunun daralması (direnç) akışı (akımı) belirli bir miktarla sınırlandırır ve bunun üzerinde basınç düşmesine neden olur (dirençte voltaj, bu durumda aküye eşit)

İkinci devrede (paralel olarak iki direnç), üst bağlantıya akan aynı miktarda akımın alt bağlantıdan dışarı akması gerektiği açıktır (bkz. Kirchoff). aynı şekilde. bu, iki dar boruya (dirençler) bölünen ve daha sonra tekrar büyük bir boruya kaynaşan büyük bir boru (tel) olabilir. Eşit olmaları durumunda, biri diğerinden daha fazla akış (akım) alır, ancak toplam çıkış her zaman toplamın içine eklenir.

Aynı soruyu su benzetmesiyle de sorabilirsiniz - su ne kadar akacağını "nasıl" bilir? Çünkü boru genişliği ve pompa basıncı ile sınırlıdır.

EDIT - Sorulan soru başlangıçta düşündüğümden biraz farklı görünüyor. Sorun şu ki (görebileceğiniz gibi) farklı soyutlama seviyelerinde, örneğin Ohm kanunlarından Maxwell'e ve Quantum fiziğine kadar birkaç farklı cevap var. Bireysel elektron seviyesinde, Majenko tarafından belirtilen parçacık dalgası dualitesi ve çift yoldan (foton ile çift yarık deneyi bakınız) nedeniyle bir probleminiz olabileceğini düşünüyorum.
Yukarıda “suyun her zaman orada bulunduğunu” söylediğimin sebebinin, elektronların kendilerinin bir devrenin etrafındaki ışık hızının ~ 2/3 oranında akmaması nedeniyle, birinden gelen enerjinin bir diğerine yayılmasından kaynaklandığını unutmayın (tür) ve bunun gibi. Uygulanan potansiyel yönünde sıçrayan ortalama bir eğilim ile rastgele ve birbirlerinin içine zıplayan bir bit gibi toplar. Bunu düşünmenin daha basit bir yolu bilardo topları çizgisi gibidir - beyaz topun bir ucuna vurursanız, enerji tüm toplar arasında "iletilir" (gerçekte konumunu değiştirmeyecekler) ve sonra top diğer ucu kopacak.
Kuantum açıklama gibi bir şey gidebileceğini hissediyorum: Biz sadece tahmin olasılık Bir bireysel elektronun bir yolu "seçmesi" (veya belirli bir alanda olması), ancak işlem doğrudan gözlemlenmeyecektir (yani teorik fizik)

Her iki durumda da bence bu mükemmel bir soru ve iyi bir cevap gerektiriyor (zaman zaman izin verirse bunu denemeye çalışacak), ancak en düşük seviyede fizik yığınında daha iyi ele alınabilir.

İlk başta, akım gerçekten bilmiyor. Çizgide büyük bir karikatür geçişi olduğu varsayıldığında, açıldığında büyük bir empedans temsil edilir. (Kapasitif) şarj her iki tarafında da oluşur; özellikle, elektronlar negatif terminali sıkıştırır ve pozitif terminal normalden aynı sayıda elektrondan yoksundur (görüntü yükü). Akım akışı ihmal edilebilir (fA *), bu nedenle direnç boyunca potansiyel bir düşüş yoktur. Elektronların net bir hareketi veya akışı yoktur, çünkü anahtardaki büyük demet de dahil olmak üzere komşularıyla elektrostatik itme, harici elektrik alan yanlılığının kuvvetine eşittir.

Anahtar ilk kapatıldığında, anahtarın yanındaki fazladan elektronlar diğer kontaklara bağlanır ve görüntü yükünü doldurur. Artık, hareket etmeyi ve geri itmeyi reddeden büyük bir grup kabadayı elektriği olmadığından, gerisi balistiktir ^{_{( aslında , öyle değil )}} ve devreyi sıkıştırmaya başlar.

Direnç içinde ve yakınında olanlar ... dirençle karşılaşırlar (hadi ama zorunda kaldım) . Neredeyse pek çok serbest elektron veya alan yoktur, bu nedenle, anahtarın daha önce sunduğu çok büyük empedanstan farklı olarak, şarj eden iki tarafın bir çizgi için bir noktaya gelmesi için sabırsızlıkla çalışan jogle olarak şarj her iki ucunda da yükselir. Denge elde edilinceye kadar birikmeye devam eder: rezistörden geçmeyi bekleyen elektron demetindeki elektrostatik alan, dış elektrik alanı yanlılığına eşittir.

Bu noktada akım ne kadar akacağını bilir ve değişmez ['1.3-kohm yerine 1.3-ohm'luk bir direnç koyduğunuzu anlayıncaya ve devreleri tekrar açarsa].

Kaynak önce sistemden tamamen çıkarılmışsa, ilk kapasitif şarj olmaz. Kaynakla yapılan anlık bir bağlantı (DPST anahtarı), c yakınında tel boyunca ilerleyen, bununla birlikte elektronları hızlandıran ve sürükleyen ve dirençlerde aynı stadyumu terk eden kalabalığa yol açan bir elektrik alanına yol açar . Bununla birlikte, paralel dirençler söz konusu olduğunda, söz konusu stadyumun kapıları farklı genişliklerde olabilir, bu nedenle denge akımları farklı olacaktır.

Bir nehir deltasındaki akım hangi dalın alınacağını nasıl "bilir"? Her durumda "Şimdiki", su moleküllerinin veya elektronların toplam akışını ifade eder, bu nedenle ilk önce, "Her elektron (veya molekül) hangi yoldan nasıl gideceğini nasıl biliyor" sorusuyla değiştirilir. Öyle değil; hemen yerel akışta süpürülecek ve mikro veya atom seviyesinde, hemen önündeki çıkış yerini alacaktır. Peki, tam ayrılma noktasında ne olur? Makro gözlerimize göre, yön akım, dal akımlarının oranı olarak dağıtılan rastgeledir. En düşük seviyede, bazı küçük rahatsızlıklar onu ya da böyle dürtmek olacaktır.

(Çok kaba açıklama / analojiler, biliyorum - zımni yanlışlıkları affet.)

Akışın ne kadar akacağını "bilmek" zeka anlamına gelen bilgiyi ifade eder.

Akım akıllı değildir ve kendiliğinden akmaz. Akım yük tarafından çekilir veya "çekilir" - bu durumda dirençler.

Yükün çektiği akımın miktarı Ohm Kanunu tarafından belirlenir:

$I=\dfrac{V}{R}$

İlk devrede hesaplamak için yeterince basit.

$I_S$

$\dfrac{1}{R_T} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}$

veya

$R_T = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

$R_1$$R_2$$R_1$$R_2$

Aslında akım, t = 0'da ne kadar akacağını bilmiyor.

Her rezistansın bazı kapasitansları vardır, çünkü bunlar yalıtkanla ayrılmış iletken taraflardan oluşur (mükemmel olmasalar da). Bu kapasitanstan dolayı, t = 0'da akım, güç kaynağının sağlayabildiği kadar acele eder. Sonra bir süre sonra normal değerine yavaşlar. Her pratik direnç, bir direnç ve paralel olarak bir kapasitör olarak modellenebilir. Yani, ilk devreniz aslında paralel bir RC devresidir.

Ayrıca, E alanın (elektrik alan) B alan (manyetik alan) oluşturduğunu ve bunun tersinin de olduğunu unutmayın. Direnç boyunca bir voltaj uyguladığınızda, yaptığınız şey, direncin içinde bir elektrik alanı yaratırsınız. Elektrik alanının durumunda bir değişikliğe neden olur (elektrik alanını sıfırdan sıfır olmayan bir değere yükseltirsiniz). Elektrik alanındaki değişim manyetik alan yaratır ve sonunda bir akım akımı oluşturur.

Daha fazla bilgi için lütfen Maxwell Denklemlerine bakın .

Akım nasıl biliyor? İstatistiksel mekanikler (Boltzman ve daha sonra Fermi-Dirac ile birlikte ve daha sonra Maxwell ile), çünkü belirli bir sıcaklıktaki fermiyonlar (elektronlar) elektronlar ideal gaz parçacıkları gibi serbest uçup zıpladığında iletken hacmini (metal) işgal etme eğiliminde olduklarını bilir. Atomlara karşı. Tek tek parçacıkların hızı (enerji) saniyede yaklaşık 1K mildir (ışık hızından daha az), sürüklenme hızı saniyede birkaç milimetredir (bkz. Wiki "sürüklenme hızı"). Elektronların ortalama serbest uçuş mesafesi "iletkenliği" tanımlar. Elektron akışını gözlemlemek için, elektronların davranışı, iletkenlerin her bir yerel kısmı yaklaşık olarak eşit miktarda elektron ve proton içerdiğinde, elektronların davranışı, "elektronotivite" yi korumak için parçacıkların eğilimi gibi görünecektir. Elektronlar şarj edilir, böylece birbirlerine itme kuvveti uygularlar. Zaman içinde kuvvet, hız ve kütlenin katılımı, elektronların hızlanması ve yavaşlaması sırasında yayılan ve emilen sanal fotonlar olduğu anlamına gelir. Bu fotonlar parçacıklardan çok daha hızlı yayılır ve "basınç" yaratır. Genel olarak malzemeye bağlı olarak, basınçlı duvarın hızı ışık hızına yakındır. Bu "dalga" olarak adlandırılabilir. Hikayenin geri kalanı yukarıda Endolith tarafından daha iyi açıklanmaktadır.

Oda sıcaklığında bakır sayıları bu makalede görülebilir .

TLDR: İstatistik mekaniği ile ideal elektron gazı-> Boltzman-> Fermi-Dirac-> Maxwell-> Ohm

Tüm şemaların, toplanmış eleman modelini benimsemesi gerçeğinden kimse bahsetmedi .

Şematik olarak, bir tel ortak anlamda bir tel değildir, düğümler arasında basitleştirici bir ilişkidir. Bir tel boyunca akıma ne olduğunu (veya “algıladığını”) adım adım tanımlamak istiyorsanız, sonsuz sayıda pasif eleman çizmek zorunda kalacaksınız.

Bunu gerçekten hızlı ve kolay anlamama yardımcı olan en iyi benzetme, İnternette bir yerde tanıştım, ancak şu anda kaynağı gösteremiyorum. Birisi nerede olduğunu biliyorsa, bana bildirin, bu da dahil edilebilir. Analoji çok kısa ve bu çok kısa cevap olacak. Herhangi bir formül yok. Bu yüzden bilimsel değil, zarif bir benzetme ve insanın hayal etmesi ve kavraması gerçekten çok kolay.

Çoğu insan, suyla dolu boş bir tüp veya boru gibi örneklerde olduğu gibi basit bir devre hayal eder. Bu kısmen üretken su akışı analojisinden dolayıdır.

Gerçekte bowling tüpü gibi katı toplarla dolu bir tüp gibi daha fazladır. Bu tüp uçtan uca toplarla doludur ve aralarında boşluk yoktur. Topu bir uçtan bastırdığınızda , tüm toplar aynı mesafeye gider .

Bu hareket elektronların akımıdır ve topları hareket ettirmek için gereken kuvvet uygulanan voltajdır.

Diğer bir karışıklık kaynağı "en az dirençli yol" cümlesidir. Birisi kavşakta olası 3 yoldan birini seçen birini hayal edebilir. Kişi bir yoldan gidince, tüm kişi o yöne gider ve bu tam olarak şu anda AKIŞTANMAMIŞTIR . Bunun yerine akım "bölünecek" ve mümkün olan her yöne doğru akacak, ancak o şekilde direnciyle orantılı olacaktır. Bazen direnç o kadar yüksek ki, mevcut miktar o kadar küçük ki, sadeleştirmek için ihmal edilmesinde fayda var.

$V_S$$\frac{V_S}{R}$

$I_1 = \dfrac{V_S}{R_1}$

$I_2 = \dfrac{V_S}{R_2}$

$I_S$

$I_S = I_1 + I_2$

$I_S$$R_1$$R_2$

$R_1 || R_2 || ... R_n = \dfrac{1}{(\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} + ... \dfrac{1}{R_n})}$

$R_1 || R_2 = \dfrac{1}{\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}} = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

Ohm yasasını tekrar kullanarak, hesaplamak için yalındır:

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1 || R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2}$

$I_S$

$I_S = I_1 + I_2$

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1} + \dfrac{V_S}{R_2} = V_S \times \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2} = V_S \times (R_1 || R_2)$

Aslında, kararlı bir duruma ulaşılıncaya kadar dalgaların bununla çok ilgisi var. Başlangıçta, bir batarya, bir anahtar, bir tel ve bir dirençten yapılmış en basit devre bile elektromanyetik dalgalarla çevrili bir iletim hattıdır ve anlamak için geçici bir analiz gerektirir. Bu geçici analiz, soruyu anlarsam, bu blogdaki ilk soruyu cevaplayacaktır ... Batarya karmaşık olsa da, başlangıçta, kararlı duruma ulaşılıncaya kadar, maxwells eşinin ve daha fazlasının yönettiği bir analiz yapılmasını gerektirir. Geçtiğimiz yıllarda, DC101 ilk başta borulardaki su analojisi vb. Kullanılarak öğretildi. Benzerlikler endüktans ve kapasitans için de çizildi. Onlara öğretmek için beş dakikanız varsa ve ohm yasası öğrencinizi alacağı kadar uzağınızda, birisinin DC'yi anlamasına yardımcı olmak için harika bir yoldur.

Otoyolun iletken olduğu ve araçların elektron olduğu araçlarla dolu bir otoyol gibi. Önünde otoyolu üç şeritten sınırlandıran yol çalışmaları varsa, tüm şeritler yavaşlar ve 20 mil geride kalan arabalar da üç şerit bölümünden daha hızlı ilerleyemez, çünkü öndeki otomobiller izin vermez.