Lembaran Kerja Undang-undang Ohm

U.S. Economic Collapse: Henry B. Gonzalez Interview, House Committee on Banking and Currency (Jun 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Lembaran Kerja Undang-undang Ohm

Elektrik Asas


soalan 1

Tentukan istilah berikut: tenaga, kerja, dan kuasa .

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kerja adalah usaha kekuatan di atas jarak jauh. Tenaga adalah keupayaan untuk melaksanakan kerja. Kuasa adalah kadar kerja yang dilakukan setiap masa unit.

Nota:

Pelajar boleh mencari teks fizik asas membantu dalam mendapatkan definisi ini. "Kerja" adalah konsep yang sukar untuk menentukan, terutamanya untuk pelajar yang tidak dikenali dengan fizik asas. Secara teknis, ia adalah produk vektor dot kekerasan dan anjakan, yang bermaksud bahawa kerja sama dengan masa kekuatan jarak hanya jika vektor gaya dan jarak adalah sejajar dengan satu sama lain. Dalam erti kata lain, jika saya membawa jisim 10 kg (mengangkat ke arah tarikan graviti) sambil berjalan sejajar dengan tanah (tidak naik atau turun), vektor gaya dan perpindahan adalah berserenjang antara satu sama lain, dan kerja yang saya lakukan dalam membawa jisim adalah sifar . Ia hanya jika kuasa saya diarahkan dengan tepat arah yang sama seperti gerakan saya bahawa semua usaha saya diterjemahkan ke dalam kerja.

Soalan 2

Voltan biasanya ditakrifkan sebagai "tekanan elektrik." Walau bagaimanapun, unit volt boleh ditakrifkan dari segi unit fizikal yang lebih asas. Apakah unit-unit ini, dan bagaimana ia berkaitan dengan unit volt "# 2"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

1 volt adalah sama dengan 1 joule tenaga yang diberikan kepada 1 coulomb charge (6.25 × 10 18 elektron):

V = W


Q

Di mana,

V = Voltan (volt)

W = Kerja, atau tenaga berpotensi (joule)

Q = Caj (coulombs)

Nota:

Perhatikan bahawa saya menggunakan huruf "V" untuk menandakan voltan dan bukannya "E" seperti biasanya. Ini kerana kerja fizik umum, "E" biasanya bermaksud sama ada "Tenaga" atau "Medan Elektrik". Sesetengah buku rujukan elektronik menggunakan huruf "E" untuk voltan, manakala yang lain menggunakan huruf "V", atau menggunakan kedua-dua huruf secara bergantian.

Soalan 3

Arus elektrik diukur dalam unit ampere, atau amp . Apakah definisi fizikal untuk unit ini? Kuantiti asas apa yang membentuk 1 ampere arus elektrik?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

1 ampere arus elektrik adalah kadar gerakan elektron yang sama dengan 1 coulomb per saat:

I = Q


t

Di mana,

I = Arus elektrik (amperes)

Q = Caj gerak (coulombs)

t = Masa (saat)

Nota:

Mungkin berguna pada ketika ini untuk mengkaji bilangan elektron yang membentuk satu coulomb caj: 6.25 × 10 18 elektron.

Secara teknikal, definisi matematik semasa melibatkan kalkulus:

I = dq


dt

Walau bagaimanapun, pelajar pada peringkat ini mungkin tidak bersedia untuk meneroka derivatif lagi, dan persamaan memberikan jawapan untuk (purata) arus yang mencukupi.

Soalan 4

Untuk tekanan air tertentu, yang akan mengalir kadar air yang lebih besar: muncung kecil (terhad) atau muncung yang besar (tanpa had)? Terangkan bagaimana ini berkaitan dengan kajian voltan, arus, dan rintangan dalam litar elektrik yang mudah.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Jelas sekali, muncung yang tidak berkuasa akan melewati kadar aliran air yang lebih besar melaluinya, semua faktor lain yang sama. Dalam litar elektrik, rintangan kurang akan melepasi kadar arus elektron yang lebih besar (semasa) untuk jumlah "tekanan" (voltan) yang diberikan.

Nota:

Aliran air bukan analogi sempurna untuk elektrik, tetapi cukup dekat untuk berguna dalam pendidikan elektrik asas. Bersedia untuk membincangkan kekurangan air sebagai analogi dengan murid-murid anda (iaitu "Bagaimana elektron tidak menumpahkan hujung dawai terbuka seperti air tumpah keluar hujung terbuka atau paip" panel kerja panel panel lalai " itemscope>

Soalan 5

Katakan anda akan membina litar ini dan mengambil pengukuran arus melalui perintang dan voltan merentas perintang:

Merakam nilai-nilai berangka dalam jadual, hasilnya kelihatan seperti ini:

XXXXXXXXXXXXXX
Semasavoltan
0.22 A0.66 V
0.47 A1.42 V
0.85 A2.54 V
1.05 A3.16 V
1.50 A4.51 V
1.80 A5.41 V
2.00 A5.99 V
2.51 A7.49 V

Plot angka ini pada graf berikut:

Apakah hubungan matematik yang anda lihat antara voltan dan arus dalam litar mudah ini "# 5"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini adalah contoh fungsi linear : di mana plot yang menggambarkan set data mengesan garis lurus pada graf. Dari baris ini, dan juga dari angka angka, anda sepatutnya dapat melihat nisbah berterusan antara voltan dan arus.

Nota:

Angka data mentah dibuat dengan sengaja "bising" dalam masalah ini untuk mensimulasikan jenis kesalahan pengukuran yang dihadapi dalam kehidupan nyata. Satu alat yang membantu mengatasi masalah-masalah penafsiran yang terhasil daripada bunyi seperti ini adalah grafik. Walaupun dengan bunyi bising hadir, linearity fungsi itu agak jelas dinyatakan.

Pelajar anda perlu belajar untuk membuat graf sebagai alat untuk memahami data mereka sendiri. Apabila hubungan di antara nombor diwakili dalam bentuk grafik, ia memberi satu lagi cara ungkapan kepada data, membantu orang untuk memahami pola lebih mudah daripada dengan mengkaji baris dan lajur nombor.

Soalan 6

Terangkan, langkah demi langkah, bagaimana untuk mengira jumlah semasa (I) yang akan melalui perintang dalam litar ini:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Current resistor = 0.02553 amps, atau 25.53 milliamps (mA).

Nota:

Hanya perhitungan Undang-undang Ohm yang mudah di sini - tiada kiat! Walau bagaimanapun, soalan ini adalah untuk membolehkan pelajar berfikir tentang langkah-langkah yang mereka ikuti dalam membuat pengiraan. Ramai pelajar hanya ingin menghafal prosedur dan bukannya belajar mengapa melakukan apa yang perlu dilakukan untuk menjawab soalan tersebut. Ia adalah tugas anda sebagai pengajar untuk mencabar mereka melebihi memorisasi, dan melalui pemahaman.

Soalan 7


∫f (x) dx Kalkulus isyarat!


Plot hubungan antara voltan dan arus untuk perintang tiga nilai yang berbeza (1 Ω, 2 Ω, dan 3 Ω), semua pada graf yang sama:

Corak apa yang anda lihat diwakili oleh tiga plot anda "# 7"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Semakin besar rintangan, curam lereng garis diplot.

Jawapan lanjutan: cara yang betul untuk menyatakan derivatif setiap plot ini adalah (dv / di). Derivatif fungsi linier adalah malar, dan dalam setiap ketiga-tiga kes yang konstan adalah sama dengan rintangan perintang dalam ohm. Oleh itu, kita boleh mengatakan bahawa untuk litar perintang mudah, kadar perubahan segera bagi fungsi voltan / semasa ialah rintangan litar.

Nota:

Pelajar perlu menjadi lebih selesa dengan graf, dan mencipta graf mudah mereka sendiri adalah cara terbaik untuk membangunkan pemahaman ini. Perwakilan grafik fungsi Undang-undang Ohm membolehkan pelajar melihat "pandangan" konsepnya, membolehkan mereka lebih mudah memahami konsep yang lebih maju seperti rintangan negatif .

Jika pelajar mempunyai akses kepada sama ada kalkulator grafik atau perisian komputer yang mampu menggambar graf 2-dimensi, menggalakkan mereka untuk merancang fungsi menggunakan sumber-sumber teknologi ini.

Saya telah menemui kebiasaan yang baik untuk "menyelinap" konsep matematik ke dalam kursus sains fizikal apabila mungkin. Bagi begitu ramai orang, matematik adalah subjek yang abstrak dan mengelirukan, yang mungkin difahami hanya dalam konteks aplikasi kehidupan sebenar. Kajian tentang elektrik dan elektronik kaya dengan konteks matematik, jadi mengeksploitasikannya apabila mungkin! Pelajar anda akan mendapat banyak manfaat.

Soalan 8

Apakah nilai perintang ini, dalam ohm (Ω)?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Nilai rintangan = 2700 Ω, atau 2.7 kΩ.

Satu format ungkapan ungkapan komponen yang popular di Eropah adalah untuk menggantikan titik perpuluhan dengan awalan metrik, jadi 2.7 kΩ akan diwakili sebagai 2k7 Ω. Bukan sahaja notasi ini lebih mudah, tetapi ia juga melampaui kesulitan interpretasi yang dialami antara orang Eropah dan Amerika dengan kegunaan bertentangan koma dan titik perpuluhan.

Nota:

Sesetengah pelajar mungkin tidak menyedari bahawa di Eropah, koma digunakan sebagai titik perpuluhan dan visa. Oleh itu, dua ribu tujuh ratus akan ditulis sebagai 2, 700 di Amerika dan 2.700 di Eropah. Sebaliknya, nombor π akan ditulis sebagai 3.141593 di Amerika tetapi 3, 141593 di Eropah. Membingungkan "itemscopepanel panel panel lalai" itemscope>

Soalan 9

Pepatah umum tentang elektrik adalah bahawa ia sentiasa mengambil jalan yang paling sedikit perlawanan. "Jelaskan bagaimana pepatah ini berkaitan dengan litar berikut, di mana arus elektrik dari bateri menghadapi dua laluan alternatif, satu yang kurang resistif daripada yang lain:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Perintang 250 Ω akan mengalami arus 40 mA, manakala perintang 800 Ω akan mengalami arus 12.5 mA.

Nota:

Sebagai seorang pengajar, saya sangat terkejut mendengar ramai pelajar awal yang mendakwa bahawa semua arus akan melalui perintang yang lebih rendah, dan tidak ada perintang yang lebih besar! Peribahasa tentang "mengambil jalan rintangan yang paling sedikit" benar-benar harus difahami sebagai "mengambil jalan secara rintangan yang lebih rendah." Orang yang baru dalam kajian elektrik sering salah fahami prinsip asas seperti itu, kesilapan mereka biasanya berdasarkan kebijaksanaan rakyat seperti ini. Adalah penting untuk memecahkan mitos-mitos ini dengan fakta yang sukar. Dalam kes ini, Undang-undang Ohm berfungsi sebagai alat matematik yang boleh kita gunakan untuk menghilangkan idea palsu.

Sudah tentu, litar yang mudah seperti ini boleh dipasang dan diuji dalam kelas, supaya semua dapat melihat kebenaran untuk diri mereka sendiri.

Soalan 10

Satu gaya mentol lampu, sangat berbeza dari reka bentuk "pijar" yang berfungsi pada prinsip cahaya pemancar filamen yang dipanaskan super, dipanggil tiub pelepasan gas . Dalam reka bentuk mentol lampu ini, cahaya dihasilkan oleh "pengujaan" langsung molekul gas sebagai pasang elektrik melalui dua elektrod:

Kedua-dua jenis mentol lampu mempunyai plot tegasan / semasa yang menarik, tidak ada yang sama dengan plot tegangan / semasa perintang. Pertama, plot voltan / semasa untuk mentol lampu pijar:

Selanjutnya, plot voltan / semasa untuk mentol lampu pelepasan gas:

Berdasarkan kedua-dua graf ini, apa yang boleh anda katakan mengenai rintangan elektrik setiap jenis mentol di atas julat operasinya "# 10"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Tidak seperti perintang, yang menawarkan jumlah rintangan yang agak tetap (tidak berubah) terhadap pergerakan elektron dalam pelbagai keadaan operasi, rintangan elektrik mentol cahaya biasanya berubah secara dramatik ke atas rentang operasi masing-masing.

Dari graf, tentukan di mana rintangan untuk setiap jenis mentol lampu maksima, dan jika rintangan minimum .

Nota:

Banyak jenis komponen elektrik dan elektronik mengalami perubahan dalam rintangan elektrik ke atas rangkaian operasi arus dan voltan. Resistor, walaupun mudah untuk belajar, tidak menunjukkan tingkah laku komponen elektronik yang paling. Adalah penting bagi pelajar untuk memahami bahawa dunia sebenar elektrik dan elektronik adalah jauh lebih rumit daripada apa yang boleh dicadangkan oleh Undang-undang Ohm (dengan asumsi tersirat rintangan tetap). Ini adalah satu konsep bahawa graf benar-benar membantu untuk menggambarkan.

Soalan 11

Lukis gambarajah skematik untuk litar eksperimen untuk mengumpul data yang diperlukan untuk plot graf voltan / semasa lampu pelepasan gas.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Nota:

Salah satu matlamat saya sebagai pendidik teknikal adalah untuk menggalakkan perkembangan kemahiran eksperimen dalam pelajar saya. Cara yang paling tepat untuk mendapatkan pengetahuan tentang operasi peranti atau prinsip elektrik adalah untuk membina litar yang sebenarnya mengujinya. Saya telah menggunakan teknik ini berkali-kali dalam kerjaya saya untuk melanjutkan pengetahuan saya tentang subjek, dan ia telah terbukti menjadi kemahiran yang tidak ternilai.

Dalam soalan ini, pelajar secara tersirat diminta mengenal pasti beberapa perkara penting:

• Di mana untuk menyambungkan meter untuk mengukur voltan lampu.
• Di mana hendak menyambung satu meter untuk mengukur arus lampu.
• Bagaimana untuk membuat laras semasa, supaya pelbagai nilai boleh diuji dan diperiksa.

Di samping itu, pelajar mesti mengenal pasti apa julat voltan / semasa yang diperlukan untuk menguji lampu pelepasan gas. Perhatikan sumber kuasa voltan tinggi yang ditunjukkan dalam rajah skema. Pelajar boleh bertanya "Berapakah voltan ini mesti menjadi" panel kerja lalai panel kerja "panel"

Soalan 12

Apakah rintangan negatif ?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

"Rintangan negatif" adalah di mana komponen elektrik melepasi arus kurang apabila voltan jatuh merentasinya.

Nota:

Bukan sahaja banyak peranti pelepasan gas mempamerkan rintangan negatif terhadap beberapa bahagian operasi mereka, tetapi banyak peranti semikonduktor juga berfungsi.

Soalan 13

Apabila arus elektrik melalui konduktor yang menawarkan beberapa rintangan elektrik, suhu konduktor itu meningkat di atas ambien. Mengapa ini? Kepentingan apa yang praktikal adalah kesan ini?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Rintangan elektrik adalah sama dengan geseran mekanikal: elektron tidak boleh mengalir secara bebas melalui rintangan, dan "geseran" yang mereka hadapi menerjemahkan beberapa tenaga mereka ke dalam haba, sama seperti geseran dalam galas mekanikal yang dipakai menerangkan beberapa tenaga kinetik yang berputar ke dalam haba, atau geseran di antara tangan seseorang sambil menggosoknya bersama pada hari yang sejuk menerangkan beberapa gerakan menjadi panas.

Nota:

Ini adalah titik permulaan yang baik untuk perbincangan mengenai kerja, tenaga, dan kuasa. Kuasa, tentu saja, boleh secara langsung dikira dengan mengalikan voltan dengan arus, dan diukur dalam watt . Ia juga menyediakan peluang untuk membincangkan beberapa batasan praktikal konduktor elektrik.

Soalan 14

Untuk sejumlah arus elektrik, yang mana perintang akan menghilangkan jumlah kuasa yang paling besar: perintang nilai (rintangan rendah) yang kecil, atau perintang nilai tinggi (rintangan tinggi)? Terangkan jawapan anda.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Perintang dengan penarafan rintangan yang tinggi (banyak "ohm" rintangan) akan menghilangkan lebih banyak kuasa haba daripada perintang bernilai lebih rendah, memandangkan jumlah arus elektrik yang sama melaluinya.

Nota:

Soalan ini direka untuk membuat pelajar berfikir secara kualitatif mengenai hubungan antara arus, rintangan, dan kuasa. Saya telah menemui bahawa analisis kualitatif (bukan angka) sering lebih mencabar daripada meminta pelajar mengira jawapan secara kuantitatif (dengan nombor). Seringkali, matematik mudah adalah sejenis halangan di mana pelajar mencari perlindungan dari pemahaman sebenar sesuatu topik. Dengan kata lain, lebih mudah untuk menumbuk kekunci pada kalkulator (atau bahkan melakukan pengiraan dengan kertas dan pensil) daripada benar-benar memikirkan hubungan antara pembolehubah dalam masalah fizikal. Walau bagaimanapun, pemahaman kualitatif tentang sistem elektrik adalah penting untuk penyelesaian masalah yang cepat dan cekap.

Soalan 15

Plot hubungan antara kuasa dan arus untuk perintang 2 Ω pada graf ini:

Corak apa yang anda lihat diwakili oleh plot "# 15"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Lebih lancar melalui perintang, semakin banyak kuasa hilang. Walau bagaimanapun, ini bukan fungsi linear!

Nota:

Pelajar perlu menjadi lebih selesa dengan graf, dan mencipta graf mudah mereka sendiri adalah cara terbaik untuk membangunkan pemahaman ini. Perwakilan grafik Undang-undang Ohm (sebenarnya, Joule's Law) fungsi kuasa membolehkan pelajar "melihat" konsep.

Jika pelajar mempunyai akses kepada sama ada kalkulator grafik atau perisian komputer yang mampu menggambar graf 2-dimensi, menggalakkan mereka untuk merancang fungsi menggunakan sumber-sumber teknologi ini.

Soalan 16

Ditunjukkan di sini adalah gambarajah skematik untuk lampu suluh berkuasa bateri mudah:

Apa yang boleh diubahsuai mengenai litar atau komponennya untuk membuat lampu suluh menghasilkan lebih banyak cahaya apabila diaktifkan "# 16"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Entah bagaimana, kuasa yang hilang oleh bola lampu mesti ditingkatkan. Mungkin cara yang paling jelas untuk meningkatkan kecacatan kuasa ialah dengan menggunakan bateri dengan keluaran voltan yang lebih tinggi, dengan itu memberikan kuasa mentol yang lebih besar dan kuasa yang lebih besar. Walau bagaimanapun, ini bukan satu-satunya pilihan! Fikirkan cara lain, output lampu suluh boleh ditingkatkan.

Nota:

Penyelesaian "jelas" adalah aplikasi langsung dari Undang-undang Ohm. Penyelesaian lain mungkin tidak begitu langsung, tetapi semuanya akan dikaitkan dengan Hukum Ohm entah bagaimana.

Soalan 17

Terdapat dua persamaan Undang-undang Ohm asas: satu berkaitan voltan, arus, dan rintangan; dan voltan, arus dan kuasa lain yang berkaitan (persamaan terakhir kadang-kadang dikenali sebagai Hukum Joule dan bukannya Hukum Ohm):

E = IR

P = IE

Dalam buku teks dan buku rujukan elektronik, anda akan mendapati dua belas variasi dari dua persamaan ini, satu penyelesaian untuk setiap pemboleh ubah dari segi pasangan unik dua pembolehubah lain. Walau bagaimanapun, anda tidak perlu menghafal semua dua belas persamaan jika anda mempunyai keupayaan untuk memanipulasi dua persamaan mudah yang ditunjukkan di atas.

Tunjukkan bagaimana algebra digunakan untuk memperoleh sepuluh bentuk "lain" dari dua persamaan Undang-undang Hukum / Joule yang ditunjukkan di sini.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya tidak akan menunjukkan kepada anda bagaimana untuk melakukan manipulasi algebra, tetapi saya akan menunjukkan kepada anda sepuluh persamaan lain. Pertama, persamaan-persamaan yang mungkin diperoleh dengan ketat dari E = IR:

I = E


R

R = E


Saya

Seterusnya, persamaan-persamaan yang boleh diperoleh dengan ketara dari P = IE:

I = P


E

E = P


Saya

Seterusnya, persamaan-persamaan yang boleh diperoleh dengan menggunakan penggantian algebra antara dua persamaan asal yang diberikan dalam soalan:

P = I 2 R

P = E 2


R

Dan akhirnya, persamaan-persamaan yang mungkin diperoleh dari memanipulasi dua persamaan kuasa terakhir:

R = P


I 2

I = √


P


R

E =


PR

R = E 2


P

Nota:

Aljabar adalah alat yang sangat penting dalam banyak bidang teknikal. Satu perkara yang baik tentang kajian elektronik adalah bahawa ia menyediakan konteks yang agak mudah di mana asas-asas algebra asas boleh dipelajari (atau sekurang-kurangnya diterangi).

Begitu juga untuk konsep kalkulus juga: prinsip asas derivatif dan integral (sehubungan dengan masa) boleh digunakan dengan mudah untuk litar kapasitor dan induktor, dengan menyediakan konteks yang dapat dicapai oleh para pelajar dengan konsep-konsep lain yang mungkin abstrak. Tetapi kalkulus adalah topik untuk soalan-soalan lembaran kerja kemudian. . .

Soalan 18

Dalam litar ini, tiga resistor menerima jumlah semasa yang sama (4 amps) dari satu sumber. Hitung jumlah voltan "jatuh" oleh setiap perintang, serta jumlah kuasa yang haus oleh setiap perintang:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

E 1 Ω = 4 volt

E 2 Ω = 8 volt

E 3 Ω = 12 volt

P 1 Ω = 16 watt

P 2 Ω = 32 watt

P 3 Ω = 48 watt

Soalan susulan: Bandingkan arah arus melalui semua komponen dalam litar ini dengan kutub-kutub voltan masing-masing. Apakah yang anda perhatikan tentang hubungan antara hala tuju semasa dan polariti voltan untuk bateri, berbanding semua resistor "nota yang disembunyikan"> Nota:

Jawapan kepada soalan ini tidak boleh membuat apa-apa kejutan, terutamanya apabila pelajar memahami rintangan elektrik dari segi geseran : resistor dengan rintangan yang lebih besar (lebih banyak geseran untuk gerakan elektron) memerlukan voltan yang lebih besar (tolak) untuk mendapatkan jumlah arus yang sama melalui mereka. Resistors dengan rintangan yang lebih besar (geseran) juga akan menghilangkan lebih banyak kuasa dalam bentuk haba, dengan jumlah arus yang sama.

Satu lagi tujuan soalan ini adalah untuk memupuk minda pelajar konsep komponen dalam litar siri mudah semua berkongsi jumlah semasa yang sama.

Hantarkan pelajar anda untuk mengenali pola matematik dalam penurunan voltan dan pelesapan kuasa. Apa yang boleh dikatakan, secara matematik, mengenai penurunan voltan merentasi 2 Ω perintang berbanding perintang 1 Ω, sebagai contoh?

Soalan 19

Dalam litar ini, tiga resistor menerima jumlah voltan yang sama (24 volt) dari satu sumber. Kira jumlah "yang dikeluarkan" oleh setiap perintang, serta jumlah kuasa yang hilang oleh setiap perintang:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

I 1 Ω = 24 amp

I 2 Ω = 12 amp

I 3 Ω = 8 amp

P 1 Ω = 576 watt

P 2 Ω = 288 watt

P 3 Ω = 192 watt

Nota:

Jawapan untuk soalan ini mungkin kelihatan paradoks kepada pelajar: nilai terendah perintang melepaskan kuasa terbesar . Matematik tidak berbohong.

Satu lagi tujuan soalan ini adalah untuk menanamkan minda pelajar konsep komponen dalam litar selari mudah yang semua berkongsi voltan yang sama.

Cabar pelajar anda untuk mengenali pola matematik dalam arus dan pelepasan kuasa masing-masing. Apa yang boleh dikatakan, secara matematik, mengenai arus yang dikeluarkan oleh 2 Ω perintang berbanding perintang 1 Ω, contohnya "panel kerja panel panel lalai"

Soalan 20

Kecerahan mentol lampu - atau kuasa yang hilang oleh sebarang beban elektrik, untuk perkara itu - boleh diubah dengan memasukkan rintangan ubah dalam litar, seperti ini:

Kaedah kawalan kuasa elektrik ini tidak tanpa kelemahannya. Pertimbangkan contoh di mana arus litar adalah 5 amps, rintangan pembolehubah ialah 2 Ω, dan lampu itu menurunkan 20 volt voltan di seluruh terminalnya. Hitung kuasa yang hilang oleh lampu, kuasa yang hilang oleh rintangan berubah-ubah, dan jumlah kuasa yang diberikan oleh sumber voltan. Kemudian, jelaskan mengapa kaedah kawalan kuasa ini tidak sesuai.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

P lamp = 100 watt

R perlawanan = 50 watt

P total = 150 watt

Soalan susulan: perhatikan bagaimana dalam soalan asal saya menawarkan satu set nilai hipotesis untuk digunakan dalam memikirkan mengapa rheostat siri (rintangan berubah) bukan cara yang cekap untuk mengawal kuasa lampu. Terangkan bagaimana andaian nilai-nilai tertentu adalah teknik menyelesaikan masalah yang berguna dalam kes-kes di mana tiada nilai diberikan kepada anda.

Nota:

Bincangkan konsep pemuliharaan tenaga: tenaga yang tidak boleh dicipta dan dimusnahkan, tetapi hanya berubah antara bentuk yang berbeza. Berdasarkan prinsip ini, jumlah semua pelecehan kuasa dalam litar mesti sama dengan jumlah kuasa yang dibekalkan oleh sumber tenaga, tanpa mengira bagaimana komponen disambungkan bersama.

Soalan 21

Kaedah moden kawalan kuasa elektrik melibatkan memasukkan sakelar operasi pantas dalam talian dengan beban elektrik, untuk menghidupkan kuasa dan mematikannya dengan cepat dari masa ke masa. Biasanya, peranti keadaan pepejal seperti transistor digunakan:

Litar ini telah dipermudahkan daripada litar kuasa kawalan nadi yang sebenar. Hanya transistor yang ditunjukkan (dan bukan litar "nadi" yang diperlukan untuk memerintahkannya untuk menghidupkan dan mematikan) untuk kesederhanaan. Apa yang perlu anda ketahui adalah hakikat bahawa transistor beroperasi seperti suis tunggal-lemparan tunggal-lempar (SPST) yang mudah, kecuali ia dikawal oleh arus elektrik dan bukannya oleh daya mekanikal, dan ia dapat untuk menghidupkan dan mematikan berjuta-juta kali sesaat tanpa haus atau keletihan.

Sekiranya transistor dihidupkan dan dimatikan dengan pantas, kuasa untuk mentol lampu mungkin diubah dengan lancar seolah-olah dikawal oleh perintang variabel. Walau bagaimanapun, terdapat sedikit tenaga yang sia-sia apabila menggunakan transistor pantas untuk mengawal kuasa elektrik, tidak seperti ketika rintangan ubah digunakan untuk tugas yang sama. Kawalan kuasa elektrik ini biasanya dirujuk sebagai Modulasi Pulse-Width, atau PWM .

Jelaskan mengapa kawalan kuasa PWM jauh lebih cekap daripada mengawal kuasa beban dengan menggunakan rintangan siri.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Apabila transistor aktif, bertindak seperti suis tertutup: lulus arus beban penuh, tetapi menjatuhkan voltan kecil. Oleh itu, pelesapan kuasa "ON" (P = IE) adalah minimum. Sebaliknya, apabila transistor dimatikan, ia bertindak seperti suis terbuka: tidak mengalir sama sekali. Oleh itu, pelencongan kuasa "OFF" (P = IE) adalah sifar. Kuasa yang hilang oleh beban (mentol lampu) adalah kuasa masa yang diselaraskan di antara kitaran transistor "ON" dan "OFF". Oleh itu, kuasa beban dikawal tanpa kuasa "membazir" di seluruh peranti kawalan.

Nota:

Pelajar mungkin mempunyai masa yang sukar menggambarkan bagaimana mentol cahaya boleh dimalapkan dengan mematikan dan mematikannya dengan cepat. Kunci untuk memahami konsep ini adalah untuk menyedari bahawa masa pensuisan transistor mestilah lebih cepat daripada masa yang diperlukan untuk filamen lampu mentol untuk memanaskan sepenuhnya atau sepenuhnya sejuk. Keadaan ini sama dengan pendikitkan kelajuan sebuah kereta dengan cepat "mengepam" pedal pemecut. Sekiranya dilakukan perlahan-lahan, hasilnya adalah kelajuan kereta yang berbeza-beza. Sekiranya dilakukan dengan cepat, jisim kereta rata-rata menaikkan "ON" / "OFF" berbasikal pedal dan menghasilkan kelajuan hampir stabil.

Teknik ini sangat popular dalam kawalan kuasa perindustrian, dan semakin popular sebagai teknik penguatan audio (dikenali sebagai Kelas D ). Manfaat kuasa terbuang minimal oleh alat kawalan banyak.

Soalan 22

Apa yang akan berlaku kepada kecerahan mentol lampu jika suis dalam litar ini tiba-tiba ditutup "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00103x01.png">

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Secara idealnya, tidak akan ada apa-apa perubahan dalam kecerahan mentol cahaya apabila suis ditutup, kerana sumber voltan sepatutnya mengekalkan keluaran voltan tetap tanpa mengira muatan. Seperti mana yang anda mungkin sepatutnya, bagaimanapun, semasa tambahan "ditarik" oleh perintang apabila suis ditutup mungkin sebenarnya menyebabkan lampu menjadi redup sedikit, kerana voltan bateri "kendalikan" di bawah beban tambahan. Jika bateri terlalu besar untuk aplikasi, walaupun, tahap voltan "sag" akan menjadi tidak penting.

Nota:

Soalan ini menggambarkan perbezaan antara keadaan ideal yang umumnya dianggap sebagai pengiraan teori, dan keadaan yang dihadapi dalam kehidupan sebenar. Benar, itu adalah tujuan sumber voltan untuk mengekalkan voltan keluaran tetap tanpa mengira beban (semasa yang diambil dari itu), tetapi dalam kehidupan sebenar ini hampir mustahil. Kebanyakan sumber voltan memaparkan beberapa tahap "sag" dalam output mereka melalui pelbagai arus beban, beberapa lebih buruk daripada yang lain.

Dalam contoh ini, adalah mustahil untuk memberitahu berapa banyak output sumber voltan akan "goncang" apabila suis ditutup, kerana kita tidak tahu apa daya tarikan rintangan semasa akan dibandingkan dengan mentol lampu, atau apa voltan arus output undian sumber adalah. Apa yang boleh kita katakan ialah secara teorinya tidak akan ada kesan dari penutupan suis, tetapi dalam kehidupan sebenar akan ada beberapa tahap peredupan apabila suis ditutup.

Soalan 23

Apa yang akan berlaku jika wayar yang tidak mempunyai rintangan sama sekali (0 Ω) disambungkan terus ke seluruh terminal bateri 6 volt? Berapa banyak arus yang akan berlaku, menurut Undang-undang Ohm?

Katakan kita mempunyai litar pintas bateri 6 volt dengan cara yang hanya diterangkan dan mengukur 8 amps arus. Kenapa angka-angka yang dikira daripada perenggan yang sebelumnya sepadan dengan pengukuran sebenar "# 23"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Undang-undang Ohm akan mencadangkan arus tak terhingga (semasa = voltan dibahagikan dengan rintangan sifar). Walau bagaimanapun, eksperimen menggambarkan hasil hanya jumlah sederhana semasa.

Sekiranya anda berfikir bahawa dawai yang digunakan dalam eksperimen bukanlah rintangan-kurang (iaitu rintangan), dan bahawa ini menyumbang kepada perbezaan antara jumlah yang diramalkan dan yang diukur semasa, anda sebahagiannya betul. Secara realistik, sekeping kecil dawai seperti yang digunakan dalam eksperimen ini akan mempunyai sepuluh tenth daripada rintangan ohm. Walau bagaimanapun, jika anda mengira semula arus dengan rintangan dawai sebanyak 0.1 Ω, anda masih akan mendapati perbezaan yang besar antara ramalan anda dan arus yang diukur sebenar dalam litar pintas ini.

Soalan susulan # 1: menerangkan mengapa rintangan wayar sahaja tidak menjelaskan arus litar pintas sederhana.

Soalan susulan # 2: mengenalpasti sekurang-kurangnya satu bahaya keselamatan yang berkaitan dengan percubaan sebenar seperti ini.

Nota:

Ingatkan pelajar bahawa ujian litar pintas sumber kuasa elektrik boleh berbahaya. Seorang pelajar saya pernah memasukkan bateri 6-volt "tanglung" dalam kantung alatnya, hanya untuk mengeluarkan asap pelepasan sejam kemudian, selepas terminal bateri dipendekkan bersama dengan pemegang kunci!

Tidak, Undang-undang Ohm tidak ditipu di sini: kekurangan sumber voltan dengan konduktor 0 Ω tidak akan menghasilkan arus tak terhingga, kerana terdapat sumber rintangan lain dalam litar seperti itu. Tugas di sini adalah untuk menentukan di mana sumber-sumber itu mungkin, dan bagaimana mereka boleh ditempatkan.

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →