Вот основанное на физике введение в концепции EE, которые вы пытаетесь понять.
Ответы на ваши вопросы внизу.
Все происходит из потока «заряда»
Электроника, как обозначает ее коренное слово « электрон» , в значительной степени является исследованием потока электронов в конкретной системе.
Электроны являются основными «носителями» заряда в типичной цепи; то есть они - то, как заряд "перемещается" в большинстве цепей.
Мы принимаем соглашение о подписании, согласно которому электроны имеют «отрицательный» заряд. Более того, электрон представляет собой наименьшую единицу заряда в атомном (классическая физика) масштабе. Это называется «элементарным» зарядом и составляет - 1,602 × 10- 19 кулонов.
И наоборот, протоны имеют «положительный» заряд со знаком кулонов.+ 1.602 × 10- 19
Однако протоны не могут перемещаться так легко, потому что они, как правило, связаны с нейтронами внутри атомных ядер сильной ядерной силой. Требуется гораздо больше энергии для удаления протонов из атомных ядер (кстати, основа технологии ядерного деления), чем для удаления электронов.
С другой стороны, мы можем довольно легко выбить электроны из их атомов. Фактически, солнечные элементы полностью основаны на фотоэлектрическом эффекте (одно из основных открытий Эйнштейна), потому что «фотоны» (частицы света) выбивают «электроны» из их атомов.
Электрические поля
Все заряды "бесконечно" воздействуют на электрическое поле в пространстве. Это теоретическая модель.
Поле - это просто функция, которая производит векторное количество в каждой точке (количество, содержащее как величину, так и направление ... чтобы процитировать Гадкого Я ).
Электрон создает электрическое поле , где вектор в каждой точке в точках поля в направлении электрона (направление) с величиной , соответствующей закону Кулона:
| Е⃗ | = 1 4 πε0постояннаяфактор | Q|р2сконцентрируйсяэта часть
Направления могут быть визуализированы как:
Эти направления и величины определяются на основе силы (направления и величины), которая будет оказываться при положительном испытательном заряде. Другими словами, линии поля представляют направление и величину, которую испытательный положительный заряд испытал бы.
Отрицательный заряд будет испытывать силу такой же величины в противоположном направлении.
По этому соглашению, когда электрон находится рядом с электроном или протон рядом с протоном, они будут отталкиваться.
Суперпозиция: сборы сборов
Если вы суммируете все электрические поля, воздействующие индивидуально на все заряды в регионе в определенной точке, вы получите полное электрическое поле в этой точке, на которое воздействуют все заряды.
Это следует тому же принципу суперпозиции, который используется для решения задач кинематики с множественными силами, действующими на особый объект.
Положительный заряд - это отсутствие электронов; отрицательный заряд - это избыток электронов
Это особенно относится к электронике, где мы имеем дело с потоком заряда через твердые материалы.
Повторим: электроника - это исследование потока электронов как носителей заряда; протоны не являются основными носителями заряда.
Опять же: для цепей электроны движутся, протоны - нет.
Однако «виртуальный» положительный заряд может быть создан отсутствием электронов в области цепи, поскольку в этой области больше чистых протонов, чем электронов. .
Вспомните модель валентных электронов Далтона, в которой протоны и нейтроны занимают небольшое ядро, окруженное орбитальными электронами.
Электроны, которые находятся дальше всего от ядра в самой внешней «валентной» оболочке, имеют самое слабое притяжение к ядру на основе закона Кулона, который указывает, что напряженность электрического поля обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Накапливая заряд, например, на пластине или каком-либо другом материале (скажем, энергично растирая их вместе, как в старые добрые времена), мы можем генерировать электрическое поле. Если мы поместим электроны в это поле, электроны будут макроскопически двигаться в направлении, противоположном линиям электрического поля.
Примечание: как будет описана квантовая механика и броуновское движение, фактическая траектория отдельного электрона является совершенно случайной. Однако все электроны будут демонстрировать макроскопическое «среднее» движение, основанное на силе, указанной электрическим полем.
Таким образом, мы можем точно рассчитать, как макроскопический образец электронов будет реагировать на электрическое поле.
Электрический потенциал
| Е⃗ |
| Е⃗ | = 14 πε0| Q|р2
г → 0| Е⃗ | → ∞
r → ∞| Е⃗ | → 0
Теперь рассмотрим аналогию с планетой. По мере того как общая совокупная масса планеты увеличивается, увеличивается и ее гравитация. Суперпозиция гравитационных притяжений всей материи, содержащейся в массе планеты, создает гравитационное притяжение.
( Мпланета≫ мты)
Вспомните из кинематики, что гравитационный потенциал - это количество потенциала, которое объект имеет благодаря своему расстоянию от гравитационного центра планеты . Гравитационный центр планеты может рассматриваться как точечный источник гравитации.
Q
В случае гравитационного потенциала мы предполагаем, что гравитационное поле равно нулю бесконечно далеко от планеты.
Если у нас есть масса мг⃗ планета
QисточникЕ⃗ источникр
Это приводит к:
- Е⃗
- Отрицательные заряды теряют электрический потенциал при движенииЕ⃗
- И наоборот, положительные заряды Е⃗
- Положительные заряды приобретают электрический потенциал при движении в направлении, противоположном электрическому полюЕ⃗
Электрический потенциал в проводниках
Рассмотрим модель проводников или переходных металлов, таких как медь или золото, имеющих «море электронов». Это «море» состоит из валентных электронов, которые более слабо связаны и в некотором роде «разделены» между несколькими атомами.
Если мы прикладываем электрическое поле к этим «свободным» электронам, они в макроскопическом среднем склонны со временем двигаться в определенном направлении.
Помните, что электроны движутся в направлении, противоположном электрическому полю.
Точно так же размещение длины проводника рядом с положительным зарядом вызовет градиент заряда по всей длине провода.
Заряд в любой точке провода можно рассчитать, используя его расстояние от источника заряда и известные атрибуты материала, используемого в проводе.
Положительный заряд из-за отсутствия электронов будет появляться дальше от положительного исходного заряда, а отрицательный заряд за счет сбора и избытка электронов будет формироваться ближе к исходному заряду.
Из-за электрического поля между двумя точками на проводнике появится «разность потенциалов». Вот как электрическое поле генерирует напряжение в цепи.
Напряжение определяется как разность электрических потенциалов между двумя точками в электрическом поле.
Со временем распределение заряда по длине провода достигнет «равновесия» с электрическим полем. Это не означает, что заряд перестает двигаться (помните броуновское движение); только то, что «чистое» или «среднее» движение заряда приближается к нулю.
Неидеальные батареи
Давайте составим составим гальванический или гальванический источник питания .
( NH4) ( НЕТ3) .
Нью-Гемпшир+4НЕТ-3 .
Полезная терминология:
- катион : положительно заряженный ион
- анион : отрицательно заряженный ион
- катод : катионы накапливаются на катоде
- анод : анионы накапливаются на аноде
Полезный мнемонический: « ион» является « ион» является « egative иона»
Если мы рассмотрим реакцию гальванического элемента цинк-медь выше:
Zn ( НЕТ3)2 + Cu 2 +⟶Zn2 + + Cu ( НЕТ 3)2
Zn2 + а также Cu2 +это поток положительного заряда в виде ионов. Это движение идет к катоду .
Примечание: ранее мы говорили, что положительный заряд - это «отсутствие» электронов. Катионы (положительные ионы) являются положительными, потому что удаление электронов приводит к чистому положительному заряду атомов благодаря протонам в ядре. Эти катионы подвижны в растворе гальванического элемента, но, как вы можете видеть, ионы не проходят через проводящий мост, соединяющий две стороны элемента . То есть через проводник движутся только электроны .
Исходя из того, что положительные катионы движутся и накапливаются к катоду, мы обозначаем его отрицательным (положительные заряды притягиваются к отрицательному).
И наоборот, поскольку электроны движутся к аноду и накапливаются на нем, мы помечаем его как положительный (отрицательные заряды притягиваются к положительному).
Помните, как вы узнали, что ток течет из + в -? Это связано с тем, что обычный ток следует за потоком положительного заряда и катионов, а не отрицательного заряда.
Это потому, что ток определяется как поток виртуального положительного заряда через площадь поперечного сечения . Электроны всегда текут противоположно току по соглашению.
Что делает эту гальваническую ячейку неидеальной, так это то, что в конечном итоге химический процесс, генерирующий электрическое поле через проводник и вызывающий поток электронов и заряда, придет в равновесие.
Это связано с тем, что накопление ионов на аноде и катоде будет препятствовать дальнейшему протеканию реакции.
С другой стороны, «идеальный» источник питания никогда не потеряет напряженность электрического поля.
Идеальные источники напряжения похожи на волшебные эскалаторы
Вернемся к аналогии гравитационного потенциала.
Предположим, вы находитесь на холме, и у вас есть какой-то произвольный путь вниз по холму, построенный из картонных стен. Допустим, вы катите теннисный мяч по этой дорожке с картонными стенами. Теннисный мяч будет следовать по пути.
В цепях проводник образует путь.
Теперь допустим, у вас есть эскалатор у подножия холма. Как машина Рубе Голдберга, эскалатор собирает теннисные мячи, которые вы катите по дорожке, а затем сбрасывает их в начале дорожки на вершине холма.
Эскалатор - ваш идеальный источник энергии.
Теперь, скажем, вы почти полностью насыщаете весь путь (включая эскалатор) теннисными мячами. Просто длинная линия теннисных мячей.
Поскольку мы не полностью насытили путь, все еще есть промежутки и места для движения теннисных мячей.
Теннисный мяч, который поднимается по эскалатору, врезается в другой мяч, который врезается в другой мяч, который ... продолжается и продолжается.
Теннисные мячи, идущие по дорожке на холме, набирают энергию благодаря разности потенциалов в гравитации. Они сталкиваются друг с другом, пока, наконец, еще один шар не загружается на эскалаторе.
Давайте назовем теннисные мячи нашими электронами. Если мы проследим за потоком электронов вниз по склону через наш поддельный картонный «контур», а затем по волшебному эскалатору «источник питания», мы заметим нечто:
«Зазоры» между теннисными мячами движутся в противоположном направлении от теннисных мячей (вверх по склону и вниз по эскалатору), и они движутся намного быстрее. Шары естественным образом движутся от высокого потенциала к низкому потенциалу, но с относительно низкой скоростью. Затем они возвращаются к высокому потенциалу с помощью эскалатора.
Нижняя часть эскалатора фактически является отрицательным выводом батареи или катодом в гальваническом элементе, который мы обсуждали ранее.
Верхняя часть эскалатора фактически является положительным выводом батареи или анодом в гальваническом элементе. Положительный вывод имеет более высокий электрический потенциал.
ток
Итак, направление, в котором течет положительный заряд, является направлением электрического тока.
Какой ток?
По определению это: количество заряда, которое проходит через площадь поперечного сечения в секунду (единицы: кулоны в секунду). Он прямо пропорционален площади поперечного сечения провода / проводящего материала и плотности тока. Плотность тока - это количество заряда, протекающего через единицу площади (единицы: кулоны на квадратный метр).
Вот еще один способ думать об этом:
Если у вас есть пусковая установка для игры в теннис, которая плюет положительно заряженные шарики через дверной проем, то количество шариков, которое он получает через дверцу в секунду, определяет его «ток».
Как быстро эти шары движутся (или сколько кинетической энергии они имеют, когда они ударяются о стену) - это «напряжение».
Сохранение заряда и напряжения
Это фундаментальный принцип.
Думайте об этом так: есть фиксированное количество электронов и протонов. В электрической цепи вещество не создается и не разрушается ... поэтому заряд всегда остается неизменным. В примере с эскалатором теннисных мячей шары просто зацикливались. Количество шаров осталось неизменным.
Другими словами, заряд не «рассеивается». Вы никогда не потеряете заряд.
Что происходит, так это то, что заряд теряет потенциал . Идеальные источники напряжения отдают заряд своему электрическому потенциалу обратно.
Источники напряжения НЕ создают заряд. Они генерируют электрический потенциал.
Ток, текущий и выходящий из узлов, сопротивление
Давайте возьмем этот принцип сохранения заряда. Аналогичная аналогия может быть применена к потоку воды.
Если у нас есть река, спускающаяся с горы, каждая ветвь аналогична электрическому «узлу».
/ BRANCH A
/
/
MAIN ---
\
\
\ BRANCH B
-> downhill
Количество воды, которая течет в ветвь, должно быть равно количеству воды, вытекающей из ветки, по принципу сохранения: вода (заряд) не создается и не разрушается.
Однако количество воды, которая стекает по определенной ветви, зависит от того, какое «сопротивление» оказывает эта ветвь.
Например, если ветвь A чрезвычайно узкая, ветвь B чрезвычайно широкая и обе ветви имеют одинаковую глубину, тогда ветвь B, естественно, имеет большую площадь поперечного сечения.
Это означает, что ветвь B оказывает меньшее сопротивление, и через нее может протекать больший объем воды за одну единицу времени.
Это описывает текущий закон Кирхгофа.
Вы по-прежнему здесь? Потрясающе!
1. Что происходит с остальным током, который не используется?
Из-за принципа сохранения весь заряд в узел должен вытекать. Нет неиспользованного тока, потому что ток не используется . В одной последовательной цепи изменения тока нет.
Однако различные величины тока могут течь по разным ветвям в электрическом узле в параллельной цепи в зависимости от сопротивлений разных ветвей.
2. Использует ли светодиод весь ток?
Технически, светодиод и резистор (-ы) не "используют" ток, потому что нет падения тока (количество заряда, проходящего через светодиод или резистор (-ы) в единицу времени). Это связано с сохранением заряда, приложенного к последовательной цепи: нет потерь заряда по всей цепи, следовательно, нет падения тока.
Количество тока (заряда) определяется поведением светодиода и резистора (ов) , как описано их ВАХ
3. Почему светодиод «сбрасывает напряжение» на определенную величину?
Вот основная светодиодная схема .
Светодиод имеет напряжение активации, обычно от ~ 1,8 до 3,3 В. Если вы не соответствуете напряжению активации, ток практически не будет течь. Обратитесь к кривым LED iv, связанным ниже.
Если вы попытаетесь протолкнуть ток в направлении, противоположном полярности светодиодов, вы будете использовать светодиод в режиме «обратного смещения», в котором ток почти не проходит. Нормальным режимом работы светодиода является режим прямого смещения. За определенной точкой в режиме обратного смещения светодиод «ломается». Проверьте график IV диода.
Светодиоды на самом деле являются PN-переходами (p-легированный и n-легированный кремний, сжатые вместе). Основываясь на уровнях Ферми легированного кремния (который зависит от ширины запрещенных зон электронов легированного материала), электроны требуют очень определенного количества энергии активации, чтобы перейти на другой энергетический уровень. Затем они излучают свою энергию в виде фотона с очень определенной длиной волны / частотой, когда они спрыгивают обратно на более низкий уровень.
Это объясняет высокую эффективность (более 90% энергии, рассеиваемой светодиодом, преобразуется в свет, а не в тепло) светодиодов по сравнению с лампами накаливания и лампами КЛЛ.
Вот почему светодиодное освещение кажется таким «искусственным»: естественный свет содержит относительно однородную смесь широкого спектра частот; Светодиоды излучают комбинации очень специфических частот света.
Уровни энергии также объясняют, почему падение напряжения на светодиоде (или других диодах) эффективно «фиксируется», даже когда через него проходит больший ток. Изучите кривую iv для светодиода или другого диода: за пределами напряжения активации ток увеличивает LOT для небольшого увеличения напряжения. По сути, светодиод будет пытаться пропустить через него как можно больше тока, пока он не испортится физически.
По этой же причине вы используете встроенный ограничивающий ток резистор, чтобы ограничить ток, протекающий через диод / светодиод, до определенного номинального миллиампера в зависимости от характеристик светодиодов.
3 (б). И что происходит с остальными компонентами последовательно, падает ли напряжение для каждого компонента, пока не останется ничего?
Да, закон напряжения Кирхгофа таков, что сумма всех падений напряжения в контуре вокруг цепи равна нулю . В простой последовательной схеме есть только одна петля.
4. Выбираете ли вы свой резистор так, чтобы он «использовал весь ток / напряжение» до того, как он достигнет конца цепи?
Нет. Вы выбираете резистор на основе номинального тока светодиода (скажем, 30 мА = 0,03 А) и закона Ома, как описано в статье о светодиодных схемах .
Ваше напряжение привыкнет. Ваш ток остается неизменным на протяжении всей последовательной цепи.
5. Почему батарея заходит в тупик, если вы подключаете клеммы напрямую, но если вы добавляете лампочку (резистор), это не так?
Я не уверен, что ты имеешь в виду под "бездельником"
Соединение клемм батареи вместе приводит к большому току, разряженному при напряжении батареи. Это напряжение рассеивается через внутреннее сопротивление батареи и проводник в виде тепла - потому что даже проводники имеют некоторое сопротивление.
Вот почему закороченные батареи сильно нагреваются. Это тепло может отрицательно влиять на химический состав клетки, пока она не взорвется.
6. Зачем нужны резисторы?
Вот риторика: представьте, что это потрясающий концерт. Все ваши любимые группы будут там. Это будет потрясающее хорошее время.
Допустим, организаторы мероприятия не имеют понятия реальности. Таким образом, они делают входной билет на этот удивительный концерт почти полностью бесплатным. Они помещают это в чрезвычайно доступную область. На самом деле, они настолько дезорганизованы, что им все равно, если они перепродают, и не хватает мест для всех, кто покупает билеты.
Ох, и это в Нью-Йорке.
Довольно быстро этот удивительный концерт превращается в полную катастрофу. Люди сидят друг на друга, разливая пиво повсюду; начинаются драки, туалеты забиты, фанатки волнуют всех, и вы едва слышите музыку выше всего шума.
Думайте о своем светодиоде как об этом удивительном концерте. И подумайте о том, как испортится ваш светодиод, если у вас там больше нет сопротивления, чтобы не дать ВСЕМ и их мамам появиться на концерте.
В этом тупом примере «сопротивление» переводится как «стоимость входа». По простым экономическим принципам повышение стоимости концерта уменьшает количество людей, которые будут присутствовать.
Точно так же повышение сопротивления в цепи предотвращает прохождение заряда (и, следовательно, тока). Это означает, что ваш светодиод (концерт) не полностью разрушен всеми людьми (заряд).
Да, электротехника это настоящая вечеринка.