Foglio di lavoro di Ohm

circuito elettrico cgianino.wmv (Aprile 2019).

Anonim

Foglio di lavoro di Ohm

Elettricità di base


Domanda 1

Definisci i seguenti termini: energia, lavoro e potere .

Rivela risposta Nascondi risposta

Il lavoro è l'esercizio di una forza a distanza. L'energia è la capacità di eseguire il lavoro. La potenza è la velocità di lavoro eseguita per unità di tempo.

Gli appunti:

Gli studenti possono trovare un testo di fisica di base utile per ottenere queste definizioni. "Lavoro" è un concetto difficile da definire con precisione, specialmente per gli studenti che non hanno familiarità con la fisica di base. Tecnicamente, è il punto-prodotto vettoriale di forza e spostamento, il che significa che il lavoro equivale alla distanza dei tempi di forza solo se i vettori di forza e distanza sono esattamente paralleli tra loro. In altre parole, se porto una massa di 10 kg (sollevando il braccio di gravità) mentre si cammina parallelamente al terreno (non andando su o giù), i vettori di forza e spostamento sono perpendicolari tra loro e il lavoro che faccio nel portare la massa è zero . Solo se la mia forza è diretta esattamente nella stessa direzione del mio movimento, tutto il mio sforzo si traduce in lavoro.

Domanda 2

La tensione è comunemente definita come "pressione elettrica". L'unità del volt, tuttavia, può essere definita in termini di unità fisiche più fondamentali. Quali sono queste unità e in che modo si riferiscono all'unità del volt "# 2"> Rivela risposta Nascondi risposta

1 volt equivale a 1 joule di energia impartita a 1 coulomb di carica (6, 25 × 10 18 elettroni):

V = W


Q

Dove,

V = Voltaggio (volt)

W = lavoro o energia potenziale (joule)

Q = Carica (coulomb)

Gli appunti:

Nota che uso la lettera "V" per indicare la tensione piuttosto che "E" come faccio di solito. Questo perché in generale la fisica funziona, "E" di solito significa "Energia" o "Campo elettrico". Alcuni libri di riferimento di elettronica usano la lettera "E" per la tensione, mentre altri usano la lettera "V", o addirittura usano le due lettere in modo intercambiabile.

Domanda 3

La corrente elettrica viene misurata nell'unità dell'amper o amp . Qual è la definizione fisica per questa unità? Quali quantità fondamentali costituiscono 1 ampère di corrente elettrica?

Rivela risposta Nascondi risposta

1 ampere di corrente elettrica è la velocità del movimento degli elettroni pari a 1 coulomb al secondo:

I = Q


t

Dove,

I = corrente elettrica (ampere)

Q = Carica in movimento (coulomb)

t = Tempo (secondi)

Gli appunti:

A questo punto può essere utile rivedere il numero di elettroni che costituiscono un coulomb di carica: 6, 25 × 10 18 elettroni.

Tecnicamente, la definizione matematica della corrente implica il calcolo:

I = dQ


dt

Tuttavia, gli studenti in questa fase potrebbero non essere ancora pronti per esplorare le derivate, e quindi l'equazione darà la risposta per la corrente (media) sarà sufficiente.

Domanda 4

Per una data quantità di pressione dell'acqua, che fluirà una maggiore quantità d'acqua: un piccolo ugello (restrittivo) o un ugello grande (non restringente)? Spiega come questo si riferisce allo studio di tensione, corrente e resistenza in un semplice circuito elettrico.

Rivela risposta Nascondi risposta

Ovviamente, un ugello non restrittivo passa attraverso di esso una maggiore portata d'acqua, a parità di tutti gli altri fattori. In un circuito elettrico, meno resistenza passerà una maggiore portata di elettroni (corrente) per una data quantità di "pressione" (tensione).

Gli appunti:

Il flusso d'acqua non è un'analogia perfetta per l'elettricità, ma è abbastanza vicino per essere utile nell'educazione di base all'elettricità. Preparati a discutere le inadeguatezze dell'acqua come un'analogia con i tuoi studenti (es. "Come mai gli elettroni non fuoriusciranno dalla parte terminale di un filo aperto come l'acqua che fuoriesce dall'estremità di un tubo o tubo aperto" foglio di lavoro pannello pannello-default " itemscope>

Domanda 5

Supponi di dover costruire questo circuito e prendere misure di corrente attraverso il resistore e la tensione attraverso il resistore:

Registrando questi valori numerici in una tabella, i risultati assomigliano a questo:

XXXXXXXXXXXXXX
attualeVoltaggio
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

Traccia queste figure sul seguente grafico:

Quale rapporto matematico vedi tra tensione e corrente in questo semplice circuito "# 5"> Rivela risposta Nascondi risposta

Questo è un esempio di una funzione lineare : dove la trama che descrive il set di dati traccia una linea retta su un grafico. Da questa linea, e anche dalle cifre numeriche, dovresti essere in grado di discernere un rapporto costante tra tensione e corrente.

Gli appunti:

I dati grezzi sono stati resi intenzionalmente "rumorosi" in questo problema per simulare i tipi di errori di misurazione incontrati nella vita reale. Uno strumento che aiuta a superare i problemi interpretativi derivanti da rumore come questo è la rappresentazione grafica. Anche con il rumore presente, la linearità della funzione è chiaramente rivelata.

I tuoi studenti dovrebbero imparare a fare grafici come strumenti per la loro comprensione dei dati. Quando le relazioni tra i numeri sono rappresentate in forma grafica, prestano un'altra modalità di espressione ai dati, aiutando le persone a comprendere i modelli più facilmente che non rivedendo righe e colonne di numeri.

Domanda 6

Spiega, passo dopo passo, come calcolare la quantità di corrente (I) che attraverserà il resistore in questo circuito:

Rivela risposta Nascondi risposta

Corrente del resistore = 0, 02553 ampere o 25, 53 milliampere (mA).

Gli appunti:

Solo un semplice calcolo della Legge di Ohm qui - niente trucchi! Il punto di questa domanda, tuttavia, è di indurre gli studenti a pensare ai passi che seguono nel fare il calcolo. Molti studenti desiderano semplicemente memorizzare le procedure piuttosto che imparare perché fare ciò che devono fare per rispondere a tali domande. È compito tuo come istruttore sfidarli oltre la memorizzazione e fino alla comprensione.

Domanda 7


∫f (x) dx avviso di calcolo!


Traccia le relazioni tra tensione e corrente per resistori di tre diversi valori (1 Ω, 2 Ω e 3 Ω), tutti sullo stesso grafico:

Che modello vedi rappresentato dai tuoi tre grafici "# 7"> Rivela risposta Nascondi risposta

Maggiore è la resistenza, maggiore è la pendenza della linea tracciata.

Risposta avanzata: il modo corretto per esprimere la derivata di ciascuno di questi grafici è (dv / di). La derivata di una funzione lineare è una costante, e in ciascuno di questi tre casi la costante è uguale alla resistenza del resistore in ohm. Quindi, potremmo dire che per i circuiti a resistenza semplice, la velocità di variazione istantanea per una funzione tensione / corrente è la resistenza del circuito.

Gli appunti:

Gli studenti devono sentirsi a proprio agio con i grafici e creare i propri grafici semplici è un modo eccellente per sviluppare questa comprensione. Una rappresentazione grafica della funzione di legge di Ohm consente agli studenti un'altra "visione" del concetto, consentendo loro di comprendere più facilmente concetti più avanzati come la resistenza negativa .

Se gli studenti hanno accesso a una calcolatrice grafica oa un software per computer in grado di disegnare grafici bidimensionali, incoraggiali a tracciare le funzioni utilizzando queste risorse tecnologiche.

Ho trovato una buona abitudine a "intrufolare" concetti matematici in corsi di scienze fisiche ogni volta che è possibile. Per così tante persone, la matematica è un soggetto astratto e confuso, che può essere compreso solo nel contesto dell'applicazione reale. Gli studi di elettricità ed elettronica sono ricchi di contesto matematico, quindi sfruttalo quando è possibile! I tuoi studenti trarranno grandi benefici.

Domanda 8

Qual è il valore di questo resistore, in ohm (Ω)?

Rivela risposta Nascondi risposta

Valore del resistore = 2700 Ω o 2, 7 kΩ.

Un formato di espressione del valore del componente popolare in Europa è quello di sostituire il punto decimale con il prefisso metrico, quindi 2, 7 kΩ sarebbe rappresentato come 2k7 Ω. Questa notazione non solo è più semplice, ma trascende anche le difficoltà interpretative vissute tra europei e americani con i loro opposti usi di virgole e punti decimali.

Gli appunti:

Alcuni studenti potrebbero non rendersi conto che in Europa le virgole sono usate come punti decimali e viceversa. Quindi, duemilasettecento verrebbero scritti come 2.700 in America e 2.700 in Europa. Al contrario, il numero π verrebbe scritto come 3.141593 in America, ma 3, 141593 in Europa. Confusione "itemsheetpanel panel panel-default" itemscope>

Domanda 9

Un detto comune sull'elettricità è che prende sempre il percorso di minor resistenza. "Spiega come questo proverbio si riferisce al seguente circuito, in cui la corrente elettrica dalla batteria incontra due percorsi alternativi, uno meno resistivo dell'altro:

Rivela risposta Nascondi risposta

Il resistore da 250 Ω subirà una corrente di 40 mA, mentre il resistore da 800 Ω presenterà una corrente di 12, 5 mA.

Gli appunti:

Come istruttore, sono stato molto sorpreso di sentire molti studenti principianti affermare che tutta la corrente passerebbe attraverso il resistore minore e nessuno attraverso il resistore maggiore! Il proverbio sul "intraprendere il percorso di minor resistenza" dovrebbe essere veramente inteso come "prendere proporzionatamente percorsi di minore resistenza". Le persone nuove nello studio dell'elettricità spesso fraintendono tali principi di base, i loro errori di solito basati sulla saggezza popolare come questa. È imperativo sfondare questi miti con fatti difficili. In questo caso, la legge di Ohm funge da strumento matematico che possiamo usare per dissipare idee false.

Ovviamente, un circuito così semplice può essere facilmente assemblato e testato in classe, in modo che tutti possano vedere la verità da soli.

Domanda 10

Uno stile di lampadina, molto diverso dal design "incandescente" che funziona secondo il principio di un filamento di filo surriscaldato che emette luce, è chiamato un tubo di scarico del gas . In questo progetto di lampadina, la luce viene prodotta dall'eccitazione diretta delle molecole di gas quando la corrente elettrica passa tra due elettrodi:

Entrambi i tipi di lampadine presentano interessanti diagrammi tensione / corrente, nessuno dei quali è identico al grafico tensione / corrente di un resistore. Innanzitutto, il grafico tensione / corrente per una lampadina a incandescenza:

Successivamente, il grafico tensione / corrente per una lampadina a scarica di gas:

Sulla base di questi due grafici, cosa si può dire della resistenza elettrica di ciascun tipo di lampadina rispetto al suo intervallo operativo "# 10"> Rivela risposta Nascondi risposta

A differenza di un resistore, che offre una quantità relativamente stabile (immutabile) di resistenza al moto degli elettroni in un'ampia gamma di condizioni operative, la resistenza elettrica delle lampadine cambia in genere drammaticamente rispetto ai rispettivi range operativi.

Dai grafici, determinare dove la resistenza per ciascun tipo di lampadina è al massimo e dove la resistenza è al minimo .

Gli appunti:

Molti tipi di componenti elettrici ed elettronici subiscono variazioni nella resistenza elettrica rispetto ai loro range operativi di corrente e tensione. I resistori, sebbene semplici da studiare, non mostrano il comportamento della maggior parte dei componenti elettronici. È importante per gli studenti capire che il mondo reale dell'elettricità e dell'elettronica è molto più complesso di quello che potrebbe suggerire la Legge di Ohm (con un'assunzione implicita di resistenza fissa). Questo è un concetto che i grafici aiutano davvero ad illustrare.

Domanda 11

Disegna il diagramma schematico di un circuito sperimentale per raccogliere i dati necessari per tracciare il grafico tensione / corrente di una lampada a scarica gassosa.

Rivela risposta Nascondi risposta

Gli appunti:

Uno dei miei obiettivi come educatore tecnico è quello di incoraggiare lo sviluppo delle capacità di sperimentazione nei miei studenti. Il modo più accurato per acquisire la conoscenza del funzionamento di un dispositivo o di un principio elettrico è quello di costruire un circuito che lo testa effettivamente. Ho usato questa tecnica molte volte nella mia carriera per approfondire le mie conoscenze su un argomento, e ha dimostrato di essere un'abilità inestimabile.

In questa domanda, agli studenti viene implicitamente chiesto di identificare diverse cose chiave:

• Dove collegare un misuratore per misurare la tensione della lampada.
• Dove collegare un misuratore per misurare la corrente della lampada.
• Come rendere regolabile la corrente, in modo che più valori possano essere testati e tracciati.

Inoltre, gli studenti devono identificare quali intervalli di tensione / corrente saranno necessari per testare una lampada a scarica di gas. Si noti la fonte di alimentazione ad alta tensione mostrata nello schema elettrico. Gli studenti possono chiedere "Quanto deve essere alta questa tensione" pannello del pannello di lavoro-default "itemscope>

Domanda 12

Cos'è la resistenza negativa ?

Rivela risposta Nascondi risposta

"Resistenza negativa" è il punto in cui un componente elettrico passa meno corrente al crescere della tensione.

Gli appunti:

Non solo molti dispositivi a scarica di gas presentano una resistenza negativa su alcune parti del loro campo di funzionamento, ma anche molti dispositivi a semiconduttore.

Domanda 13

Quando una corrente elettrica passa attraverso un conduttore che offre una certa resistenza elettrica, la temperatura di quel conduttore aumenta sopra l'ambiente. Perchè è questo? Di che importanza pratica è questo effetto?

Rivela risposta Nascondi risposta

La resistenza elettrica è analoga all'attrito meccanico: gli elettroni non possono fluire liberamente attraverso una resistenza e l'"attrito" che incontrano traduce parte della loro energia in calore, proprio come l'attrito in un cuscinetto meccanico consumato traduce parte dell'energia cinetica della sua rotazione in il calore o l'attrito tra le mani di una persona mentre le sfregano insieme in una giornata fredda traduce parte del movimento in calore.

Gli appunti:

Questo è un buon punto di partenza per una discussione sul lavoro, l'energia e il potere. La potenza, ovviamente, può essere calcolata direttamente moltiplicando la tensione per la corrente e viene misurata in watt . Fornisce inoltre l'opportunità di discutere alcune delle limitazioni pratiche dei conduttori elettrici.

Domanda 14

Per una data quantità di corrente elettrica, quale resistenza dissiperà la maggiore quantità di energia: un resistore di piccolo valore (resistenza bassa) o un resistore di alto valore (alta resistenza)? Spiega la tua risposta.

Rivela risposta Nascondi risposta

Un resistore con un'alta resistenza (molti "ohm" di resistenza) dissiperà più energia termica di un resistore a valore più basso, data la stessa quantità di corrente elettrica attraverso di esso.

Gli appunti:

Questa domanda è pensata per far riflettere qualitativamente gli studenti sulla relazione tra corrente, resistenza e potere. Ho trovato che l'analisi qualitativa (non numerica) è spesso più difficile che chiedere agli studenti di calcolare le risposte quantitativamente (con i numeri). Spesso, la matematica semplice è una sorta di barriera dietro la quale gli studenti cercano rifugio dalla vera comprensione di un argomento. In altre parole, è più facile perforare i tasti su una calcolatrice (o persino eseguire calcoli con carta e matita) piuttosto che pensare veramente alle interrelazioni tra le variabili in un problema fisico. Tuttavia, una comprensione qualitativa dei sistemi elettrici è vitale per la risoluzione dei problemi rapida ed efficiente.

Domanda 15

Tracciare la relazione tra potenza e corrente per un resistore da 2 Ω su questo grafico:

Quale modello vedi rappresentato dalla trama "# 15"> Rivela risposta Nascondi risposta

Maggiore è la corrente attraverso il resistore, maggiore è la potenza dissipata. Tuttavia, questa non è una funzione lineare!

Gli appunti:

Gli studenti devono sentirsi a proprio agio con i grafici e creare i propri grafici semplici è un modo eccellente per sviluppare questa comprensione. Una rappresentazione grafica della funzione di potere della legge di Ohm (in realtà, la legge di Joule) consente agli studenti un'altra "visione" del concetto.

Se gli studenti hanno accesso a una calcolatrice grafica oa un software per computer in grado di disegnare grafici bidimensionali, incoraggiali a tracciare le funzioni utilizzando queste risorse tecnologiche.

Domanda 16

Qui viene mostrato un diagramma schematico per una semplice torcia a batteria:

Cosa potrebbe essere modificato sul circuito o sui suoi componenti per far sì che la torcia produca più luce quando si accende "# 16"> Rivela risposta Nascondi risposta

In qualche modo, la potenza dissipata dalla lampadina deve essere aumentata. Forse il modo più ovvio per aumentare la dissipazione di potenza è utilizzare una batteria con una maggiore tensione in uscita, fornendo così una maggiore corrente di bulbo e una maggiore potenza. Tuttavia, questa non è l'unica opzione! Pensa ad un altro modo in cui la potenza della torcia può essere aumentata.

Gli appunti:

La soluzione "ovvia" è un'applicazione diretta della legge di Ohm. Altre soluzioni potrebbero non essere così dirette, ma tutte riguarderanno in qualche modo la legge di Ohm.

Domanda 17

Esistono due equazioni di base di Ohm: una relativa a tensione, corrente e resistenza; e l'altra relativa a tensione, corrente e potenza (quest'ultima equazione è a volte nota come legge di Joule piuttosto che legge di Ohm):

E = IR

P = IE

Nei libri di testo e manuali di elettronica, troverai dodici diverse varianti di queste due equazioni, una che risolve per ogni variabile in termini di una coppia unica di altre due variabili. Tuttavia, non è necessario memorizzare tutte le dodici equazioni se si ha la capacità di manipolare algebricamente le due equazioni semplici mostrate sopra.

Dimostra come viene usata l'algebra per ricavare le dieci "altre" forme delle equazioni della Legge di Ohm / Legge di Joule mostrate qui.

Rivela risposta Nascondi risposta

Non ti mostrerò come fare le manipolazioni algebriche, ma ti mostrerò le altre dieci equazioni. Primo, quelle equazioni che possono essere derivate rigorosamente da E = IR:

I = E


R

R = E


io

Successivamente, quelle equazioni che possono essere derivate rigorosamente da P = IE:

I = P


E

E = P


io

Successivamente, quelle equazioni che possono essere derivate utilizzando la sostituzione algebrica tra le due equazioni originali fornite nella domanda:

P = I 2 R

P = E 2


R

E infine, quelle equazioni che possono essere derivate dalla manipolazione delle ultime due equazioni di potenza:

R = P


I 2

I = √


P


R

E =


PR

R = E 2


P

Gli appunti:

L'algebra è uno strumento estremamente importante in molti campi tecnici. Una cosa bella dello studio dell'elettronica è che fornisce un contesto relativamente semplice in cui i principi algebrici fondamentali possono essere appresi (o almeno illuminati).

Lo stesso vale per i concetti di calcolo: i principi di base di derivata e integrale (rispetto al tempo) possono essere applicati facilmente ai circuiti di condensatori e induttori, fornendo agli studenti un contesto accessibile in cui questi concetti altrimenti astratti possono essere afferrati. Ma il calcolo è un argomento per le domande successive del foglio di lavoro. . .

Domanda 18

In questo circuito, tre resistori ricevono la stessa quantità di corrente (4 amp) da una singola sorgente. Calcola la quantità di tensione "rilasciata" da ciascun resistore, nonché la quantità di potenza dissipata da ciascun resistore:

Rivela risposta Nascondi risposta

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

Domanda successiva: confrontare la direzione della corrente attraverso tutti i componenti di questo circuito con le polarità delle rispettive cadute di tensione. Che cosa noti della relazione tra la direzione corrente e la polarità della tensione della batteria, rispetto a tutte le resistenze "note nascoste"> Note:

Le risposte a questa domanda non dovrebbero creare sorprese, specialmente quando gli studenti comprendono la resistenza elettrica in termini di attrito : i resistori con maggiore resistenza (più attrito al movimento degli elettroni) richiedono una maggiore tensione (spinta) per ottenere la stessa quantità di corrente attraverso di essi. I resistori con maggiore resistenza (attrito) dissiperanno anche più potenza sotto forma di calore, data la stessa quantità di corrente.

Un altro scopo di questa domanda è di instillare nella mente degli studenti il ​​concetto di componenti in un semplice circuito di serie che condividono tutti la stessa quantità di corrente.

Sfida i tuoi studenti a riconoscere eventuali schemi matematici nelle rispettive cadute di tensione e dissipazioni di potenza. Cosa si può dire, matematicamente, sulla caduta di tensione attraverso il resistore da 2 Ω rispetto al resistore da 1 Ω, ad esempio?

Domanda 19

In questo circuito, tre resistori ricevono la stessa quantità di tensione (24 volt) da una singola sorgente. Calcola la quantità di corrente "disegnata" da ciascun resistore, così come la quantità di potenza dissipata da ciascun resistore:

Rivela risposta Nascondi risposta

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

Gli appunti:

Le risposte a questa domanda possono sembrare paradossali per gli studenti: il valore più basso del resistore dissipa la più grande potenza . La matematica non mente, però.

Un altro scopo di questa domanda è di instillare nella mente degli studenti il ​​concetto di componenti in un semplice circuito parallelo che condividono tutti la stessa quantità di tensione.

Sfida i tuoi studenti a riconoscere eventuali schemi matematici nelle rispettive correnti e dissipazioni di potenza. Cosa si può dire, matematicamente, sulla corrente assorbita dal resistore da 2 Ω rispetto al resistore da 1 Ω, per esempio "itemscope panel sheet-default" itemscope>

Domanda 20

La luminosità di una lampadina, o la potenza dissipata da qualsiasi carico elettrico, può essere variata inserendo una resistenza variabile nel circuito, in questo modo:

Questo metodo di controllo della potenza elettrica non è senza i suoi svantaggi, però. Si consideri un esempio in cui la corrente del circuito è 5 amp, la resistenza variabile è 2 Ω e la lampada cade 20 volt di tensione attraverso i suoi terminali. Calcola la potenza dissipata dalla lampada, la potenza dissipata dalla resistenza variabile e la potenza totale fornita dalla sorgente di tensione. Quindi, spiega perché questo metodo di controllo della potenza non è l'ideale.

Rivela risposta Nascondi risposta

P lampada = 100 watt

Resistenza P = 50 watt

P totale = 150 watt

Domanda successiva: si noti come nella domanda originale ho proposto un insieme di valori ipotetici da utilizzare per capire perché un reostato di serie (resistenza variabile) non è un mezzo efficiente per controllare la potenza della lampada. Spiega come l'assunzione di determinati valori sia un'utile tecnica di risoluzione dei problemi nei casi in cui non ti vengono dati valori.

Gli appunti:

Discutere del concetto di risparmio energetico: quell'energia non può né essere creata né distrutta, ma semplicemente cambiata tra forme diverse. Basato su questo principio, la somma di tutte le dissipazioni di potenza in un circuito deve essere uguale alla quantità totale di energia fornita dalla fonte di energia, indipendentemente da come i componenti sono collegati insieme.

Domanda 21

Un moderno metodo di controllo della potenza elettrica prevede l'inserimento di un interruttore a funzionamento rapido in linea con un carico elettrico, per accenderlo e spegnerlo rapidamente nel tempo. Di solito, viene usato un dispositivo a stato solido come un transistor :

Questo circuito è stato notevolmente semplificato da quello di un vero circuito di alimentazione a controllo di impulsi. Viene mostrato solo il transistor (e non il circuito "impulso" che è necessario per comandarlo di accendersi e spegnersi) per semplicità. Tutto ciò di cui devi essere a conoscenza è il fatto che il transistor funziona come un semplice interruttore SPST a un polo, tranne che è controllato da una corrente elettrica piuttosto che da una forza meccanica, e che è in grado accendere e spegnere milioni di volte al secondo senza usura o affaticamento.

Se il transistor è attivato e disattivato a impulsi abbastanza velocemente, l'alimentazione della lampadina può essere variata in modo fluido come se fosse controllata da un resistore variabile. Tuttavia, quando si utilizza un transistor a commutazione rapida per risparmiare energia elettrica, c'è molto poco spreco di energia, a differenza di quando viene utilizzata una resistenza variabile per lo stesso compito. Questa modalità di controllo della potenza elettrica viene comunemente definita modulazione della larghezza di impulso o PWM .

Spiegare perché il controllo dell'alimentazione PWM è molto più efficiente del controllo della potenza del carico usando una resistenza in serie.

Rivela risposta Nascondi risposta

Quando il transistor è attivo, si comporta come un interruttore chiuso: passa la corrente a pieno carico, ma diminuisce di poco. Pertanto, la sua potenza "ON" (P = IE) è minima. Al contrario, quando il transistor è spento, si comporta come un interruttore aperto: non passa affatto corrente. Pertanto, la sua dissipazione di potenza "OFF" (P = IE) è zero. La potenza dissipata dal carico (la lampadina) è la potenza mediata nel tempo dissipata tra i cicli del transistor "ON" e "OFF". Pertanto, la potenza del carico viene controllata senza "sprecare" la potenza attraverso il dispositivo di controllo.

Gli appunti:

Gli studenti potrebbero avere difficoltà a capire come spegnere una lampadina accendendola e spegnendola molto velocemente. La chiave per comprendere questo concetto è rendersi conto che il tempo di commutazione del transistor deve essere molto più veloce del tempo necessario affinché il filamento della lampadina si scaldi completamente o si raffreddi completamente. La situazione è analoga a strozzare la velocità di un'automobile "pompando" rapidamente il pedale dell'acceleratore. Se fatto lentamente, il risultato è una diversa velocità della vettura. Se fatto abbastanza rapidamente, però, la massa dell'auto fa una media del ciclo "ON" / "OFF" del pedale e si traduce in una velocità quasi costante.

Questa tecnica è molto popolare nel controllo della potenza industriale e sta guadagnando popolarità come tecnica di amplificazione audio (nota come Classe D ). I vantaggi della potenza sprecata minima dal dispositivo di controllo sono molti.

Domanda 22

Cosa accadrà alla luminosità della lampadina se l'interruttore in questo circuito è improvvisamente chiuso "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00103x01.png">

Rivela risposta Nascondi risposta

Idealmente, non ci sarà alcun cambiamento nella luminosità della lampadina quando l'interruttore è chiuso, poiché si suppone che le sorgenti di tensione mantengano una tensione costante indipendentemente dal carico. Come probabilmente si è supposto, però, la corrente addizionale "disegnata" dal resistore quando l'interruttore è chiuso potrebbe effettivamente causare un leggero abbassamento della lampada, a causa della "tensione" della batteria sotto il carico aggiuntivo. Se la batteria è ben sovradimensionata per l'applicazione, tuttavia, il grado di "abbassamento" della tensione sarà irrilevante.

Gli appunti:

Questa domanda illustra una disparità tra le condizioni ideali generalmente assunte per i calcoli teorici e quelle condizioni incontrate nella vita reale. In verità, è lo scopo di una sorgente di tensione di mantenere una tensione di uscita costante indipendentemente dal carico (corrente assorbita da esso), ma nella vita reale questo è quasi impossibile. La maggior parte delle fonti di tensione presenta un certo grado di "cedimento" nella loro produzione su un intervallo di correnti di carico, alcune peggiori di altre.

In questo esempio, è impossibile dire quanto l'uscita della fonte di tensione si "abbasserà" quando l'interruttore è chiuso, perché non abbiamo idea di quale sia il confronto corrente del resistore rispetto a quello della lampadina, o quale sia la tensione la corrente di uscita nominale della sorgente è. Tutto quello che possiamo dire è che teoricamente non ci sarà alcun effetto dalla chiusura dell'interruttore, ma che nella vita reale ci sarà un certo grado di oscuramento quando l'interruttore è chiuso.

Domanda 23

Cosa accadrebbe se un filo che non avesse alcuna resistenza (0 Ω) fosse collegato direttamente attraverso i terminali di una batteria da 6 volt? Quanta corrente risulterebbe, secondo la legge di Ohm?

Supponiamo di dover cortocircuitare una batteria da 6 volt nel modo appena descritto e misurare 8 ampere di corrente. Perché le cifre calcolate del paragrafo precedente non concordano con la misurazione effettiva "# 23"> Rivela risposta Nascondi risposta

La legge di Ohm suggerirebbe una corrente infinita (corrente = tensione divisa per resistenza zero). Tuttavia, l'esperimento descritto produce solo una modesta quantità di corrente.

Se pensate che il filo utilizzato nell'esperimento non sia privo di resistenza (cioè abbia resistenza), e che questo spieghi la disparità tra le quantità previste e misurate di corrente, siete parzialmente corretti. Realisticamente, un piccolo pezzo di filo come quello usato nell'esperimento avrà qualche decimo di resistenza. Tuttavia, se si ricalcola la corrente con una resistenza del filo di 0, 1 Ω, si troverà comunque una grande disparità tra la propria previsione e la corrente misurata effettiva in questo cortocircuito.

Domanda successiva n. 1: spiegare perché la resistenza del filo da sola non spiega la modesta corrente di cortocircuito.

Domanda di follow-up n. 2: identificare almeno un rischio per la sicurezza associato ad un vero esperimento come questo.

Gli appunti:

Ricorda agli studenti che i test di cortocircuito delle fonti di energia elettrica possono essere pericolosi. Una mia studentessa ha riempito una batteria "a lanterna" da 6 volt nella sua borsa degli attrezzi, solo per farla uscire di fumo un'ora dopo, dopo che i terminali della batteria sono stati cortocircuitati insieme da una chiave inglese!

No, la legge di Ohm non viene imbrogliata qui: mettere in corto una sorgente di tensione con un conduttore da 0 Ω non darà luogo a una corrente infinita, perché ci sono altre fonti di resistenza in tale circuito. Il compito qui è determinare dove potrebbero essere queste fonti e come potrebbero essere localizzate.

  • ← Foglio di lavoro precedente

  • Indice dei fogli di lavoro

  • Prossimo foglio di lavoro →