Alle materialien sind aus atomen, und alle atome bestehen aus protonen, neutronen und elektronen. Protonen haben eine positive elektrische Ladung. Neutronen haben keine elektrische Ladung (dh sie sind neutral), während Elektronen eine negative elektrische Ladung haben. Atome sind durch starke Anziehungskräfte zwischen dem Atomkern und den Elektronen in seiner äußeren Hülle miteinander verbunden.
Wenn diese Protonen, Neutronen und Elektronen innerhalb des Atoms zusammen sind, sind sie glücklich und stabil. Aber wenn wir sie voneinander trennen, wollen sie sich reformieren und beginnen, ein Anziehungspotential auszuüben, das als Potentialdifferenz bezeichnet wird.
Wenn wir nun einen geschlossenen Kreislauf erzeugen, beginnen sich diese losen Elektronen zu bewegen und driften aufgrund ihrer Anziehungskraft zu den Protonen zurück, wodurch ein Elektronenfluss entsteht. Dieser Elektronenfluss wird als elektrischer Strom bezeichnet. Die Elektronen fließen nicht frei durch die Schaltung, da das Material, durch das sie sich bewegen, den Elektronenfluss einschränkt. Diese Einschränkung nennt man Resistenz.Dann bestehen alle grundlegenden elektrischen oder elektronischen Schaltungen aus drei getrennten, aber sehr verwandten elektrischen Größen: Spannung (v), Strom (i) und Widerstand (Ω).
Elektrische Spannung
Spannung, ( V ) ist die potentielle Energie einer elektrischen Versorgung, die in Form einer elektrischen Ladung gespeichert ist. Spannung kann als die Kraft angesehen werden, die Elektronen durch einen Leiter drückt, und je größer die Spannung, desto größer ist ihre Fähigkeit, die Elektronen durch einen bestimmten Stromkreis zu „drücken“. Da Energie die Fähigkeit hat, Arbeit zu verrichten, kann diese potentielle Energie als die Arbeit beschrieben werden, die in Joule erforderlich ist, um Elektronen in Form eines elektrischen Stroms um einen Stromkreis von einem Punkt oder Knoten zu einem anderen zu bewegen.Dann wird der Spannungsunterschied zwischen zwei beliebigen Punkten, Verbindungen oder Knotenpunkten (Knoten genannt) in einer Schaltung als Potentialdifferenz (p.d. ) bezeichnet, die üblicherweise als Spannungsabfall bezeichnet wird.
Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten wird in Volt mit dem Schaltungssymbol V oder Kleinbuchstaben „v“ gemessen, obwohl Energie, E Kleinbuchstaben „e“ wird manchmal verwendet, um eine erzeugte emk (elektromotorische Kraft) anzuzeigen. Je größer die Spannung ist, desto größer ist der Druck (oder die Druckkraft) und desto größer ist die Arbeitsfähigkeit.
Eine Konstantspannungsquelle wird als Gleichspannung bezeichnet, wobei eine Spannung, die periodisch mit der Zeit variiert, als Wechselspannung bezeichnet wird. Die Spannung wird in Volt gemessen, wobei ein Volt als der elektrische Druck definiert ist, der erforderlich ist, um einen elektrischen Strom von einem Ampere durch einen Widerstand von einem Ohm zu zwingen. Spannungen werden im Allgemeinen in Volt ausgedrückt, wobei Präfixe verwendet werden, um Untervielfache der Spannung wie Mikrovolt (µV = 10-6 V), Millivolt (mV = 10-3 V) oder Kilovolt (kV = 103 V) zu bezeichnen. Die Spannung kann entweder positiv oder negativ sein.
Batterien oder Netzteile werden meist verwendet, um eine stetige Gleichspannungsquelle (Gleichstrom) wie 5V, 12V, 24V usw. in elektronischen Schaltungen und Systemen zu erzeugen. Während A.C. (Wechselstrom-) Spannungsquellen stehen für Haus- und Industriestrom und Beleuchtung sowie Energieübertragung zur Verfügung. Die Netzspannung beträgt in Großbritannien derzeit 230 Volt Wechselstrom und in den USA 110 Volt Wechselstrom.
Allgemeine elektronische Schaltungen arbeiten mit Niederspannungs-DC-Batterieversorgungen zwischen 1,5 V und 24 V DC Das Schaltungssymbol für eine Konstantspannungsquelle wird normalerweise als Batteriesymbol mit einem positiven, + und negativen, – Zeichen angegeben, das die Richtung der Polarität angibt. Das Schaltungssymbol für eine Wechselspannungsquelle ist ein Kreis mit einer Sinuswelle im Inneren.
Spannungssymbole
Eine einfache Beziehung kann zwischen einem Wassertank und einer Spannungsversorgung hergestellt werden. Je höher der Wassertank über dem Auslass ist, desto größer ist der Druck des Wassers, wenn mehr Energie freigesetzt wird, Je höher die Spannung, desto größer die potentielle Energie, wenn mehr Elektronen freigesetzt werden.
Spannung wird immer als Differenz zwischen zwei beliebigen Punkten in einem Stromkreis gemessen und die Spannung zwischen diesen beiden Punkten wird allgemein als „Spannungsabfall“ bezeichnet. Beachten Sie, dass Spannung in einem Stromkreis ohne Strom existieren kann, aber Strom kann nicht ohne Spannung existieren und als solche mag jede Spannungsquelle, ob DC oder AC, einen offenen oder halboffenen Stromkreiszustand, hasst aber jeden Kurzschlusszustand, da dies ihn zerstören kann.
Elektrischer Strom
Elektrischer Strom, ( I ) ist die Bewegung oder der Fluss der elektrischen Ladung und wird in Ampere gemessen, Symbol i, für Intensität). Es ist der kontinuierliche und gleichmäßige Fluss (Drift genannt) von Elektronen (den negativen Teilchen eines Atoms) um einen Stromkreis, die von der Spannungsquelle „gedrückt“ werden. In Wirklichkeit fließen Elektronen vom negativen (-ve) Anschluss zum positiven (+ ve) Anschluss der Versorgung, und zum leichteren Verständnis der Schaltung geht der herkömmliche Stromfluss davon aus, dass der Strom vom positiven zum negativen Anschluss fließt.Im Allgemeinen hat der Stromfluss durch die Schaltung in Schaltplänen normalerweise einen Pfeil, der mit dem Symbol I oder Kleinbuchstaben i verbunden ist, um die tatsächliche Richtung des Stromflusses anzuzeigen. Dieser Pfeil gibt jedoch in der Regel die Richtung des konventionellen Stromflusses an und nicht notwendigerweise die Richtung des tatsächlichen Flusses.
Konventioneller Stromfluss
Herkömmlicherweise ist dies der Fluss positiver Ladung um einen Stromkreis, der positiv zu negativ ist. Das Diagramm links zeigt die Bewegung der positiven Ladung (Löcher) um einen geschlossenen Stromkreis, der vom Pluspol der Batterie durch den Stromkreis fließt und zum Minuspol der Batterie zurückkehrt. Dieser Stromfluss von positiv nach negativ wird allgemein als konventioneller Stromfluss bezeichnet.
Dies war die Konvention, die während der Entdeckung der Elektrizität gewählt wurde, in der angenommen wurde, dass die Richtung des elektrischen Stroms in einem Stromkreis fließt. Um diesen Gedankengang fortzusetzen, weisen in allen Schaltplänen und Schaltplänen die Pfeile auf Symbolen für Bauelemente wie Dioden und Transistoren in Richtung des herkömmlichen Stromflusses.
Dann ergibt der konventionelle Stromfluss den Fluss des elektrischen Stroms von positiv nach negativ und der in seiner Richtung dem tatsächlichen Elektronenfluss entgegengesetzt ist.
Elektronenfluss
Der Elektronenfluss um die Schaltung ist entgegengesetzt zur Richtung des herkömmlichen Stromflusses von negativ nach positiv.Der tatsächliche Strom, der in einem elektrischen Stromkreis fließt, besteht aus Elektronen, die vom negativen Pol der Batterie (der Kathode) fließen und zum positiven Pol (der Anode) der Batterie zurückkehren.Dies liegt daran, dass die Ladung eines Elektrons definitionsgemäß negativ ist und daher vom positiven Anschluss angezogen wird. Dieser Elektronenfluss wird als Elektronenstromfluss bezeichnet. Daher fließen Elektronen tatsächlich um einen Stromkreis vom negativen Anschluss zum positiven.
Sowohl der konventionelle Stromfluss als auch der Elektronenfluss werden von vielen Lehrbüchern verwendet. In der Tat macht es keinen Unterschied, in welche Richtung der Strom um den Stromkreis fließt, solange die Richtung konsistent verwendet wird. Die Richtung des Stromflusses hat keinen Einfluss darauf, was der Strom innerhalb des Stromkreises bewirkt. Im Allgemeinen ist es viel einfacher, den herkömmlichen Stromfluss zu verstehen – positiv zu negativ.
In elektronischen Schaltungen ist eine Stromquelle ein Schaltungselement, das eine bestimmte Strommenge bereitstellt, z. B. 1A, 5A, 10 Ampere usw., wobei das Schaltungssymbol für eine Konstantstromquelle als Kreis mit einem Pfeil darin angegeben ist, der seine Richtung angibt.
Der Strom wird in Ampere gemessen und ein Ampere oder Ampere ist definiert als die Anzahl der Elektronen oder Ladungen (Q in Coulombs), die einen bestimmten Punkt in der Schaltung in einer Sekunde passieren (t in Sekunden).
Elektrischer Strom wird im Allgemeinen in Ampere ausgedrückt, wobei Präfixe verwendet werden, um Mikroampere ( µA = 10-6A ) oder Milliampere ( mA = 10-3A ) zu bezeichnen. Beachten Sie, dass der elektrische Strom je nach Flussrichtung um den Stromkreis entweder positiv oder negativ sein kann.
Strom, der in einer einzigen Richtung fließt, wird Gleichstrom oder Gleichstrom genannt. und Strom, der durch den Stromkreis hin und her wechselt, wird als Wechselstrom oder Wechselstrom bezeichnet.. Ob Wechselstrom oder Gleichstrom nur durch einen Stromkreis fließt, wenn eine Spannungsquelle daran angeschlossen ist, wobei sein „Fluss“ sowohl auf den Widerstand des Stromkreises als auch auf die ihn drückende Spannungsquelle begrenzt ist.Da Wechselströme (und Spannungen) periodisch sind und mit der Zeit variieren, erzeugt der als Irms angegebene Wert „effektiv“ oder „Effektivwert“ (Quadratischer Mittelwert) die gleiche durchschnittliche Verlustleistung, die einem Gleichstrom entspricht Iaverage . Stromquellen sind das Gegenteil von Spannungsquellen, da sie kurze oder geschlossene Stromkreiszustände mögen, aber offene Stromkreiszustände hassen, da kein Strom fließt.
Bei Verwendung der Wassertank-Beziehung entspricht der Strom dem Wasserfluss durch das Rohr, wobei der Durchfluss im gesamten Rohr gleich ist. Je schneller der Wasserfluss, desto größer die Strömung. Beachten Sie, dass Strom ohne Spannung nicht existieren kann, so dass jede Stromquelle, ob DC oder AC, einen kurzen oder Halbkurzschluss mag, aber jeden offenen Stromkreis hasst, da dies verhindert, dass er fließt.
Widerstand
Widerstand, ( R ) ist die Fähigkeit eines Materials, dem Stromfluss oder genauer gesagt dem Fluss elektrischer Ladung innerhalb eines Stromkreises zu widerstehen oder ihn zu verhindern. Das Schaltungselement, das dies perfekt macht, wird als „Widerstand“ bezeichnet.
Widerstand ist ein in Ohm gemessenes Schaltungselement, griechisches Symbol ( Ω, Omega ) mit Präfixen zur Bezeichnung von Kiloohm ( kΩ = 103Ω ) und Megaohm ( Mω = 106Ω). Beachten Sie, dass der Widerstand nicht nur positiv negativ sein kann.
Widerstandssymbole
Der Widerstand, den ein Widerstand hat, wird durch das Verhältnis des Stroms durch ihn zur Spannung bestimmt, die bestimmt, ob das Schaltungselement ein „guter Leiter“ – niedriger Widerstand oder ein „schlechter Leiter“ – hoher Widerstand ist. Niedriger Widerstand, zum Beispiel 1Ω oder weniger bedeutet, dass die Schaltung ein guter Leiter aus Materialien wie Kupfer, Aluminium oder Kohlenstoff ist, während ein hoher Widerstand, 1MΩ oder mehr impliziert, dass die Schaltung ein schlechter Leiter aus isolierenden Materialien wie Glas, Porzellan oder Kunststoff ist.Ein „Halbleiter“ wie Silizium oder Germanium hingegen ist ein Material, dessen Widerstand auf halbem Weg zwischen dem eines guten Leiters und eines guten Isolators liegt. Daher der Name „Halbleiter“. Halbleiter werden verwendet, um Dioden und Transistoren usw. herzustellen.
Der Widerstand kann linear oder nichtlinear sein, aber niemals negativ. Der lineare Widerstand gehorcht dem Ohmschen Gesetz, da die Spannung über dem Widerstand linear proportional zum Strom durch ihn ist. Nichtlinearer Widerstand, gehorcht nicht dem Ohmschen Gesetz, sondern hat einen Spannungsabfall, der proportional zu einer gewissen Leistung des Stroms ist.Der Widerstand ist rein und wird nicht durch die Frequenz beeinflusst, wobei die AC-Impedanz eines Widerstands gleich seinem DC-Widerstand ist und daher nicht negativ sein kann. Denken Sie daran, dass Widerstand immer positiv und niemals negativ ist.
Ein Widerstand wird als passives Schaltungselement eingestuft und kann als solches weder Strom liefern noch Energie speichern. Stattdessen absorbierten Widerstände Energie, die als Wärme und Licht erscheint. Die Leistung in einem Widerstand ist unabhängig von der Spannungspolarität und der Stromrichtung immer positiv.
Für sehr niedrige Widerstandswerte, z. B. Milliohm ( mΩ), ist es manchmal viel einfacher, den Kehrwert des Widerstands ( 1 / R) anstelle des Widerstands ( R) selbst zu verwenden. Der Kehrwert des Widerstands wird Leitwert, Symbol ( G) genannt und stellt die Fähigkeit eines Leiters oder Geräts dar, Elektrizität zu leiten.
Mit anderen Worten, die Leichtigkeit, mit der Strom fließt. Hohe Leitfähigkeitswerte bedeuten einen guten Leiter wie Kupfer, während niedrige Leitfähigkeitswerte einen schlechten Leiter wie Holz bedeuten. Die Standardmaßeinheit, die für Leitwert gegeben wird, ist das Siemen, Symbol (S).
Die für die Leitfähigkeit verwendete Einheit ist mho (Ohm rückwärts geschrieben), was durch ein umgekehrtes Ohmzeichen ℧ symbolisiert wird. Die Leistung kann auch mit der Leitfähigkeit ausgedrückt werden als: p = i2 / G = v2G.Die Beziehung zwischen Spannung (v) und Strom (i) in einer Schaltung mit konstantem Widerstand (R) würde eine gerade i-v-Beziehung mit einer Steigung erzeugen, die gleich dem Wert des Widerstands ist, wie gezeigt.
Zusammenfassung von Spannung, Strom und Widerstand
Hoffentlich sollten Sie jetzt eine Vorstellung davon haben, wie elektrische Spannung, Strom und Widerstand eng miteinander zusammenhängen. Die Beziehung zwischen Spannung, Strom und Widerstand bildet die Grundlage des Ohmschen Gesetzes. In einer linearen Schaltung mit festem Widerstand steigt der Strom an, wenn wir die Spannung erhöhen, und in ähnlicher Weise sinkt der Strom, wenn wir die Spannung verringern. Dies bedeutet, dass bei hoher Spannung der Strom hoch und bei niedriger Spannung der Strom niedrig ist.
Wenn wir den Widerstand erhöhen, sinkt der Strom für eine gegebene Spannung und wenn wir den Widerstand verringern, steigt der Strom an. Was bedeutet, dass, wenn der Widerstand hoch ist, der Strom niedrig ist und wenn der Widerstand niedrig ist, der Strom hoch ist.
Dann können wir sehen, dass der Stromfluss um einen Stromkreis direkt proportional ( ∝ ) zur Spannung ist ( V verursacht I), aber umgekehrt proportional ( 1/∝) zum Widerstand as ( R verursacht I↓ ).
Eine grundlegende Zusammenfassung der drei Einheiten ist unten angegeben.
- Spannung oder Potentialdifferenz ist das Maß der potentiellen Energie zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis und wird allgemein als “ Voltabfall “ bezeichnet.
- Wenn eine Spannungsquelle an einen geschlossenen Stromkreis angeschlossen ist, erzeugt die Spannung einen Strom, der um den Stromkreis fließt.
- In Gleichspannungsquellen werden die Symbole +ve (positiv) und −ve (negativ) verwendet, um die Polarität der Spannungsversorgung zu kennzeichnen.
- Spannung wird in Volt gemessen und hat das Symbol V für Spannung oder E für elektrische Energie.
- Der Stromfluss ist eine Kombination aus Elektronenfluss und Lochfluss durch eine Schaltung.
- Strom ist der kontinuierliche und gleichmäßige Ladungsfluss um den Stromkreis und wird in Ampere oder Ampere gemessen und hat das Symbol I.
- Strom ist direkt proportional zur Spannung (I ∝ V )
- Der effektive (rms) Wert eines Wechselstroms hat die gleiche durchschnittliche Verlustleistung, die einem Gleichstrom entspricht, der durch ein Widerstandselement fließt.
- Widerstand ist der Widerstand gegen den Strom, der um einen Stromkreis fließt.
- Niedrige Widerstandswerte bedeuten einen Leiter und hohe Widerstandswerte einen Isolator.
- Der Strom ist umgekehrt proportional zum Widerstand ( I 1/∝ R )
- Der Widerstand wird in Ohm gemessen und hat das griechische Symbol Ω oder den Buchstaben R.
| Quantity | Symbol | Unit of Measure | Abbreviation |
| Voltage | V or E | Volt | V |
| Current | I | Ampere | A |
| Resistance | R | Ohms | Ω |
In the next tutorial about DC Circuits we will look at Ohms Law which is a mathematical gleichung erklärt die Beziehung zwischen Spannung, Strom und Widerstand in elektrischen Schaltungen und ist die Grundlage der Elektronik und Elektrotechnik. Das Ohmsche Gesetz ist definiert als: V = I*R.
