Mengapa bacaan ini melanggar hukum ohm? (Apakah mereka?)

12

Saya menyibak pengetahuan elektronik sekolah menengah saya dan saya memutuskan untuk bereksperimen dengan pompa acquarium kecil yang saya miliki. Saya mengambil beberapa pengukuran dengan multimeter dan hasilnya membingungkan saya tanpa akhir. Pembacaan tampaknya tidak sesuai dengan hukum Ohm, undian saat ini tampaknya berbeda, dll, dan sekarang saya bingung.

Saya memiliki pompa kecil ini terhubung hingga dua baterai AA. Menurut lembar data (jarang), ini dinilai untuk 3V dan menarik arus "<460mA". Menggunakan multimeter untuk membaca tegangan baterai (dengan tidak ada yang terhubung) saya mendapat 3.18V, yang masuk akal karena mereka adalah baterai AA baru. Saya kemudian memutuskan untuk menghubungkan pompa dan membaca tegangan pada dua konektor pada pompa. Ini membaca 2.9V, yang mengejutkan bagi saya karena ternyata 0.28V telah menghilang. Kabel dari baterai ke pompa sama-sama hanya beberapa sentimeter panjangnya, jadi sepertinya ada banyak tegangan yang hilang pada kabel pendek seperti itu. Saya kemudian memasukkan multimeter ke dalam rangkaian dan mengukur 0.19A. Akhirnya, saya mengukur resistansi pompa, yaitu 3,5 Ohm.

Sekarang, menurut hukum Ohm, U = I * R, jadi 0.19A * 3.5 Ohm = 0.665V. Jauh dari 3.18V atau bahkan 2.9VI yang diukur pada pompa. Bagaimana ini mungkin?

Mencoba sesuatu yang lain, saya menghubungkan pompa ke konektor molex 5V dari catu daya PC lama. Mengukur tegangan pada konektor molex, saya mendapatkan 5.04V. Mengukur pada konektor pompa, saya mendapatkan 4.92V. Memasukkan multimeter ke sirkuit, tiba-tiba saya membaca 0.28A. Jadi ternyata, pompa tiba-tiba menarik 200mA lebih banyak daripada sebelumnya, yang terasa aneh: bukankah komponen seharusnya hanya menggambar arus yang dibutuhkannya? Melemparkan angka-angka ini dalam hukum Ohm membuat saya 4,92 / 0,28 = 17,575. Juga bukan 3,5 Ohm yang saya ukur.

Akhirnya, saya memutuskan untuk menambahkan beberapa resistor untuk menjatuhkan 5V dari molex ke sekitar 3V. Saya menambahkan beberapa resistor 1 Ohm secara seri yang menghasilkan resistansi terukur sebesar 4,3 Ohm. Sekarang, jika saya memasukkan multimeter ke sirkuit saya mendapatkan 0.24A, sekali lagi arus yang berbeda. Mengukur tegangan di resistor saya dapatkan 0.98V, dan mengukur di pompa saya mendapatkan 3.93V. 0.24A * 4.3 Ohms = 1.032V, yang bukan 0.98VI diukur.

Saya tampaknya kehilangan sesuatu yang mendasar tentang sirkuit atau hukum Ohm, tetapi saya tidak bisa mengetahuinya. Saya mempertimbangkan fakta bahwa resistansi pompa berubah ketika terhubung, tetapi kemudian masih tidak masuk akal bahwa nilai yang saya ukur pada resistor juga tidak mengikuti hukum Ohm. Apa yang saya lewatkan?

multimeter ohms-law

— Bas
sumber

Jika Anda hanya menggunakan multimeter tunggal untuk bergantian antara arus dan tegangan maka Anda tidak akan pernah mendapatkan pembacaan yang akurat.

— Ignacio Vazquez-Abrams

Bagaimana? Bisakah Anda menguraikan?

— Bas

4

Sudahkah Anda mempertimbangkan resistansi internal multimeter saat mengukur arus? Dan resistansi internal baterai (harus sangat rendah, tetapi Anda tidak pernah tahu)?

— Arsenal

3

0.98V hingga 1.032V cukup dekat. Margin kesalahan 4%.

— Pejalan kaki

Baca dummies.com/how-to/content/...

— lewat

34

Seperti yang Anda temukan, motor listrik tidak dimodelkan dengan baik sebagai resistor, dan karena itu tidak mematuhi hukum Ohm.

Model yang lebih baik untuk motor listrik DC adalah ada beberapa hambatan dalam seri dengan sumber tegangan variabel.

Selain itu, baterai memiliki beberapa hambatan internal, yang dapat dimodelkan sebagai resistor seri *. Catu daya PC juga dapat menggunakan model yang sama, tetapi resistansi seri cenderung lebih kecil. Sistem kemudian terlihat seperti:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Kami dapat menjelaskan mengapa pada kasus pertama tegangan terukur Anda kurang dari tegangan baterai tanpa beban karena kami memiliki pembagi tegangan. Melakukan matematika,

\begin{aligned} V_{e m f} = V_{+} - saya R_{m} \\ R_{s} = \frac{V_{b Sebuah t} - V_{+}}{saya} \end{aligned}

$\begin{align} V_{emf} = V_+ - I R_m\\ R_s = \frac{V_{bat} - V_+}{I} \end{align}$

Anda diukur , , dan , sehingga dan . $R_m = 3.5 \Omega$ $I = 0.19 A$ $V_+ = 2.9V$ $V_{emf} = 2.24 V$ $R_s = 1.47 \Omega$

Dalam kasus kedua, dan . Dengan demikian: dan . $V_+ = 4.92V$ $I = 0.28A$ $V_{emf} = 3.94 V$ $R_s = 0.43 \Omega$

Perhatikan bahwa berbeda antara keduanya. Hal ini karena kira-kira berbanding lurus dengan seberapa cepat motor berputar. Anda seharusnya mengamati motor berputar lebih cepat saat dihubungkan ke catu 5V. $V_{emf}$ $V_{emf}$

Selain itu, bagaimana multi-meter mengukur arus dengan memperkenalkan resistansi shunt seri dan mengukur tegangan pada resistor ini. Ini semakin memperumit analisis, sehingga arus dan tegangan beban yang diukur tidak benar-benar berkorelasi. Lebih sulit untuk melakukan analisis ini, tetapi dimungkinkan jika Anda mengetahui rangkaian shunt resistance. Ini kadang-kadang dikutip sebagai "voltase beban" pada arus uji terukur dan Anda dapat menggunakan hukum Ohm untuk memulihkan resistensi shunt.

$V_{emf}$

Jika Anda mengatur meter ke rentang arus terbesar, ini akan menggunakan hambatan shunt terkecil, Anda dapat meminimalkan dampak memiliki meter secara seri dengan biaya kehilangan sedikit keakuratan.

* catatan: Baterai tidak memiliki resistansi internal yang konstan, tetapi ini adalah perkiraan yang masuk akal. Itu tergantung pada satu ton faktor termasuk tetapi tidak terbatas pada energi yang disimpan, suhu, dan beban.

— helloworld922
sumber

Nilai resistansi tertutup ditemukan dalam lembar data DMM, bahkan untuk yang benar-benar jelek.

— Fizz

Terima kasih atas balasan yang sangat terperinci. Saya bingung dengan matematika. Saya tidak mendapatkan perbedaan antara Vemf dan V +. Saya dapatkan dari rumus bahwa Vemf adalah V + minus tegangan turun oleh hambatan motor, tapi saya tidak mengerti bagaimana itu berkorelasi dengan rangkaian. Apakah Vemf tegangan turun oleh motor?

— Bas

1

Vemfadalah motor yang bertindak sebagai generator listrik: setiap motor listrik juga merupakan generator listrik. Vemfdi motor listrik diproduksi berlawanan dengan tegangan yang diterapkan di motor, dan sebanding dengan kecepatan motor. Inilah sebabnya mengapa menunda motor tidak baik untuk motor:, Vemf = 0dan Anda pada dasarnya memaksimalkan arus melalui motor, yang dapat menyebabkan kerusakan termal (alias terlalu panas).

— helloworld922

Vemf

V_{+} = V_{e m f} + V_{R m}

$V_+ = V_{emf} + V_{Rm}$

V_{R m}

$V_{Rm}$

1

Atau dengan kebanyakan meter, terutama yang murah, Anda dapat menggunakan rentang ohm, dan menusuk timah positif ke soket saat ini untuk mengukur hambatan shunt. Juga berguna untuk memeriksa sekering yang putus.

— Hugoagogo

15

Jawaban Helloworld922 benar dan cukup baik, tetapi saya pikir itu mungkin membantu Anda untuk langsung menjawab pertanyaan Anda satu per satu.

Menggunakan multimeter untuk membaca tegangan baterai (dengan tidak ada yang terhubung) saya mendapat 3.18V, yang masuk akal karena mereka adalah baterai AA baru. Saya kemudian memutuskan untuk menghubungkan pompa dan membaca tegangan pada dua konektor pada pompa. Ini membaca 2.9V, yang mengejutkan bagi saya karena ternyata 0.28V telah menghilang. Kabel dari baterai ke pompa sama-sama hanya beberapa sentimeter panjangnya, jadi sepertinya ada banyak tegangan yang hilang pada kabel pendek seperti itu.

Baterai (dan beberapa sumber tegangan lainnya) dapat menghasilkan tegangan yang lebih tinggi dari biasanya jika tidak ada beban yang terhubung. Tegangan nominal baterai AA adalah 1,5V, jadi pengukuran kedua Anda sebenarnya lebih dekat dengan nominal. Mengutip Wikipedia : "Tegangan nol-beban efektif baterai alkaline yang tidak dikeluarkan bervariasi dari 1,50 hingga 1,65 V, tergantung pada kemurnian mangan dioksida yang digunakan dan isi seng oksida dalam elektrolit. Tegangan rata-rata di bawah beban tergantung pada level debit dan jumlah arus yang ditarik, bervariasi dari 1.1 hingga 1.3 V. " Penurunan tegangan di kabel Anda harus mendekati nol.

Saya kemudian memasukkan multimeter ke dalam rangkaian dan mengukur 0.19A. Akhirnya, saya mengukur resistansi pompa, yaitu 3,5 Ohm. Sekarang, menurut hukum Ohm, U = I * R, jadi 0.19A * 3.5 Ohm = 0.665V. Jauh dari 3.18V atau bahkan 2.9VI yang diukur pada pompa. Bagaimana ini mungkin?

Jawaban HelloWorld922 mencakup ini. Ada dua hal penting yang perlu dipahami di sini. Pertama, motor bukan resistor, meskipun kabelnya memang memiliki hambatan. Kedua, motor menghasilkan tegangan saat dinyalakan, yang disebut back-EMF. Bagian belakang-EMF menentang arus motor. Anda mengharapkan pompa untuk mengkonsumsi:

saya = \frac{V}{R} = \frac{2.9 V}{3.5 Ω} \approx 830 m SEBUAH

$I = \frac V R = \frac {2.9\ \mathrm V} {3.5\ \Omega} \approx 830\ \mathrm{mA}$

Arus ini disebut arus kios, dan itulah yang Anda harapkan jika pompa macet. Dalam hal ini, satu-satunya beban pada baterai adalah ketahanan kabel pompa. Ketika pompa bergerak, Anda harus mempertimbangkan kembali-EMF. Arus juga tidak akan konstan.

Mencoba sesuatu yang lain, saya menghubungkan pompa ke konektor molex 5V dari catu daya PC lama. ... Memasukkan multimeter ke sirkuit, tiba-tiba saya membaca 0.28A. Jadi ternyata, pompa tiba-tiba menarik 200mA lebih banyak daripada sebelumnya, yang terasa aneh: bukankah komponen seharusnya hanya menggambar arus yang dibutuhkannya?

Tidak. Ini berlaku untuk beberapa perangkat elektronik berbasis transistor, tetapi tidak semua komponen. (Transistor dapat bertindak kira-kira seperti wastafel arus konstan.)

Saya menambahkan beberapa resistor 1 Ohm secara seri yang menghasilkan resistansi terukur sebesar 4,3 Ohm. Sekarang, jika saya memasukkan multimeter ke sirkuit saya mendapatkan 0.24A, sekali lagi arus yang berbeda. Mengukur tegangan di resistor saya mendapatkan 0.98V ... 0.24A * 4.3 Ohms = 1.032V, yang bukan 0.98VI diukur.

Multimeter benar-benar memengaruhi sirkuit yang terhubung dengannya. Anda harus memeriksa spesifikasi untuk melakukan perhitungan yang tepat. Secara intuitif, meteran bertindak sebagai resistor secara paralel dengan 4,3 ohm Anda. Ini mengurangi hambatan total, yang mengurangi penurunan tegangan. (Lagipula itu tebakan saya - seperti yang saya katakan, itu tergantung pada meteran.)

Saya tampaknya kehilangan sesuatu yang mendasar tentang sirkuit atau hukum Ohm, tetapi saya tidak bisa mengetahuinya.

Hukum Ohm bukanlah hukum absolut dari rangkaian listrik. Ini adalah properti dari bahan tertentu, yang disebut bahan Ohmic. Sangat sedikit perangkat nyata yang dapat dimodelkan sebagai resistor sederhana, bahkan dalam keadaan normal! (Pada frekuensi tinggi, bahkan resistor (fisik) berhenti menjadi resistor (teori rangkaian), tapi saya akan berikan detail itu untuk Anda saat ini. :-))

Aturan yang dapat Anda andalkan di dalam rangkaian listrik (frekuensi rendah) adalah:

Hukum Tegangan Kirchoff: Jumlah tegangan di sekitar loop tertutup harus sama dengan nol.
Hukum Saat Ini Kirchoff: Jumlah arus yang masuk dan keluar dari simpul rangkaian harus sama dengan nol.
Konservasi Energi: Jumlah daya sesaat (v (t) * i (t)) yang diproduksi dan dikonsumsi oleh setiap komponen dalam suatu rangkaian harus sama dengan nol.

Yang lainnya adalah pemodelan. Jika Anda ingin memprediksi perilaku suatu rangkaian, Anda memerlukan model yang bagus untuk komponen Anda. Dan seperti yang dikatakan semua orang, resistor bukanlah model yang baik untuk pompa.

— Adam Haun
sumber

1

Terima kasih telah meluangkan waktu untuk menjawab berbagai pertanyaan ini secara individual. Saya telah mempertimbangkan untuk memisahkan mereka menjadi pertanyaan-pertanyaan terpisah, tetapi mereka hanya masuk akal dalam konteks masing-masing.

— Bas

13

Menggunakan multimeter untuk membaca tegangan baterai (dengan tidak ada yang terhubung) saya mendapat 3.18V, yang masuk akal karena mereka adalah baterai AA baru. Saya kemudian memutuskan untuk menghubungkan pompa dan membaca tegangan pada dua konektor pada pompa. Ini membaca 2.9V, yang mengejutkan bagi saya karena ternyata 0.28V telah menghilang.

Pertimbangkan apa yang akan terjadi seandainya tidak demikian. Bagaimana jika Anda dapat menghubungkan beban ke baterai dan tegangan tidak berubah? Bagaimana jika beban itu hanya kawat?

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

$I=E/R$

saya = \frac{3 V}{0 Ω}

$I = \frac{3\:\mathrm V}{0\:\Omega}$

Dalam praktiknya kabel memiliki beberapa perlawanan, jadi kita tidak benar-benar akhirnya menciptakan singularitas yang mengakhiri semesta. Bagaimana jika kawatnya cukup pendek dan gemuk, dan memiliki ketahanan 0,0001Ω?

saya = \frac{3 V}{0,0001 Ω} = 30000 SEBUAH

$I = \frac{3\:\mathrm V}{0.0001\:\Omega} = 30000\:\mathrm A$

Wow, itu banyak arus. Saya berharap kawat itu menguap dalam sekejap.

Tentu saja ini bukan yang sebenarnya terjadi. Baterai asli memiliki resistansi internal , yang merupakan jumlah resistansi nyata dari bagian logamnya, dan konduktivitas elektrolit yang terbatas di dalamnya, dan sifat kimia yang membatasi laju reaksi yang terjadi pada baterai yang membuat mereka dapat memompa muatan listrik.

Kita dapat menghitung apa resistansi internal ini, kira-kira. Kita tahu bahwa pada 0A, tegangan pada baterai adalah 3,18V. Dan kita tahu bahwa dengan pompa Anda mengukur 2,9V dan 0,19A. Begitu:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Kita tahu bahwa arus sama di mana-mana dalam rangkaian seri, harus ada 0,19A yang mengalir melalui resistor. Dan kita perlu menghitung nilai resistor itu sehingga tegangan yang melewatinya adalah "hilang" 0,28V. Ini adalah aplikasi untuk hukum Ohm:

R = \frac{0,28 V}{0,19 SEBUAH} = 1.47 Ω

$R = \frac{0.28\:\mathrm V}{0.19\:\mathrm A} = 1.47\:\Omega$

Akhirnya, saya mengukur resistansi pompa, yaitu 3,5 Ohm

Ini bukan aplikasi untuk hukum Ohm. Hukum Ohm hanya berlaku untuk resistor. Itu tidak berlaku untuk:

motor
dioda
transistor
kapasitor
induktor
blub cahaya neon

Seandainya saat ini selalu sama dengan tegangan dikalikan dengan perlawanan, kita akan benar-benar terbatas dalam jenis elektronik yang bisa kita buat! Kami hanya dapat membuat sirkuit linier , yang berarti kami tidak dapat memiliki komputer atau radio, misalnya.

— Phil Frost
sumber

Saya sangat menghargai skenario teoretis "bagaimana jika". Sungguh membantu menempatkan sesuatu dalam semacam konteks praktis untuk saya, terima kasih!

— Bas

4

Motor bukan resistensi ohmik. Ada induktor dan medan magnet yang berperan, yang mengubah tahanan semu (impedansi) di luar apa yang Anda ukur dengan multimeter Anda.

— corecode
sumber

Tetapi bagaimana hal itu menjelaskan nilai-nilai yang saya baca di rangkaian resistor?

— Bas

3

Setiap baterai memiliki hambatan internal yang menjatuhkan tegangan di atasnya. Itulah sebabnya Anda melihat perbedaan ini (3,18V ke 2,9V). Anda tidak dapat bergantung pada ketahanan motor. Ini akan bervariasi dengan banyak faktor.

— Stefan Merfu
sumber

Tetapi jika resistansi internal terhadap baterai, bukankah seharusnya saya juga mengukur nilai yang dijatuhkan jika saya mengukur terminal baterai? Juga, saya kira hambatan motor bervariasi, tetapi bagaimana dengan resistor seri? Nilai-nilai yang saya ukur di sana juga tidak menambah hukum Ohm.

— Bas

3

Multimeter Anda hampir tidak mengambil daya dari baterai Anda, sehingga saat ini akan hampir nol dan Anda tidak akan melihat tegangan jatuh melintasi resistansi tersebut. Sebaliknya ketika Anda menggunakan beban (200 mA) resistansi ini dalam seri sehingga 200mA ini x resistansi baterai akan menentukan penurunan tegangan. Resistansi baterai akan bervariasi dengan temperture dan banyak faktor lainnya. Anda dapat memeriksa lembar data baterai.

— Stefan Merfu

3

Hukum Ohm sebenarnya bukan hukum sebanyak konsekuensi dari termo statistik dan properti material yang diberikan kondisi tertentu.

Untuk menambahkan sedikit ke @ helloworld992, penarikan motor saat ini tergantung pada beban di atasnya. Ini karena Vemf tergantung pada kecepatan rotasi.

Jika motor benar-benar lossless, itu tidak akan menarik arus (dan karena itu kekuatan) begitu sampai kecepatan.

Sebaliknya, jika Anda mematikan motor, Anda akan membuat korsleting dengan arus yang dibatasi hanya oleh hambatan internal dari baterai, kabel, dll.

— pengguna1512321
sumber