Dlaczego prąd nie rośnie, gdy baterie są połączone równolegle?

Zbudowałem prosty obwód składający się z dwóch uchwytów baterii, w tym x2 1,5 V, przełącznika suwakowego, diody LED i rezystora 100 omów. Prąd, który zmierzyłem za pomocą multimetru, gdy dwa uchwyty baterii były połączone szeregowo (a przełącznik WŁĄCZONY) wynosił 25,9 mA:

Następnie podłączyłem uchwyty baterii równolegle, łącząc styki dodatnie uchwytów baterii z czerwonym przewodem zworki i styki ujemne uchwytów baterii z czarnym przewodem zworki:

Tym razem zmierzony prąd wynosi 6,72 mA. Czy nie powinno być większe niż wtedy, gdy uchwyty baterii są połączone równolegle?

Po pierwsze, chcę was trochę ostrzec przed równoległym układem akumulatorów. Zwykle nie jest to dobry pomysł, ponieważ często dwie baterie (lub systemy akumulatorowe) nie mają dokładnie tego samego napięcia. Jeśli się różnią, to ten o wyższym napięciu dostarczy trochę prądu do akumulatora o niższym napięciu, co często nie jest dobrą rzeczą. To także nieco zepsuło twój eksperyment, ponieważ dodaje mu kolejnej komplikacji.

W tym przypadku jesteś ciekawy i wyobrażasz sobie, że dwie baterie równolegle mogą dostarczyć więcej prądu. Więc nie służy twoim celom użycie tylko jednego w eksperymencie, ponieważ nie testuje twoich założeń. Więc musisz to zrobić tak, jak to zrobiłeś. Ale chcę tylko, abyście zdali sobie sprawę, że istnieje inny nieznany (dla was) czynnik, którego nie uwzględniacie w swoim projekcie eksperymentalnym. Ale na razie nie wystarczy się martwić.

Odłóż to na bok ...

$1.9\:\text{V}$$50\:\Omega$ . Nie możesz dostać się do diody LED, aby zobaczyć te rzeczy. Powiedzmy jednak, jako eksperyment myślowy, że tak właśnie działa ta konkretna dioda LED.

$2.9\:\text{V}$$5.8\:\text{V}$$2.9\:\text{V}$

Zakładasz, że jeśli bieżąca zgodność jest większa, to prąd jest większy. Ale może to czasem być prawdą, a nie inne. Na razie wykorzystajmy powyższy pomysł na temat diody LED i zobaczmy, dokąd nas to zaprowadzi.

Twój obwód szeregowy obejmuje również $100\:\Omega$$50\:\Omega$$150\:\Omega$$1.9\:\text{V}$

$I_\text{parallel}=\frac{2.9\:\text{V}-1.9\:\text{V}}{150\:\Omega}\approx 6.7\:\text{mA}$$I_\text{series}=\frac{2\cdot 2.9\:\text{V}-1.9\:\text{V}}{150\:\Omega}\approx 26\:\text{mA}$

Wydaje się, że pozwala to przewidzieć twoje pomiary z rozsądnie małym błędem.

Jak myślisz, który pomysł działa tutaj lepiej? Czy myślisz o dwóch równoległych systemach akumulatorowych podwajających prąd? A może moja sugestia na temat zachowania się diody LED? Czy masz jeszcze inne pomysły, które możesz rozważyć? Jak możesz przetestować lub potwierdzić moją powyższą sugestię? Czy możesz wymyślić inny sposób zmiany obwodu, który może poddać moją sugestię kolejnemu testowi, aby sprawdzić, czy nadal się utrzymuje? A może myślisz o innym pomiarze napięcia lub prądu, który możesz spróbować przetestować?

W początkowym przypadku do obwodu LED doprowadzono 6 V. W tym drugim przypadku jest to tylko 3 V.

Prawo Ohma stwierdza, że ​​prąd przepływający przez przewodnik między dwoma punktami jest wprost proporcjonalny do napięcia w tych dwóch punktach.

Gdy akumulatory są ustawione szeregowo, napięcie sumuje się . Im wyższe napięcie, tym wyższy będzie prąd pobierany przez obwód.

Gdy akumulatory są połączone równolegle, napięcie pozostanie takie samo . (Obecna zdolność dostarczania wzrośnie, ale odłóżmy ją na bok).

Występują niewielkie odchylenia, ale wierzę, że dowiesz się trochę później.

Prześlij swoje wątpliwości w tym samym pytaniu lub w komentarzach, a chętnie odpowiem tak dużo, jak to możliwe.

Odkryłeś, że prawa Kirchhoffa dotyczące prądu i prądu oraz prawo Ohma.

Mówiąc prościej, zastosowanie obecnego prawa Kirchhoffa daje, że kiedy źródła napięcia, takie jak akumulatory są połączone szeregowo, ich napięcia sumują się.

Zapomnijmy na chwilę o diodzie LED; wrócimy do tego.

Na poniższym schemacie obciążenie (rezystor 100 omów) widzi na nim 6 V.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

W tym obwodzie (poniżej) prawo napięcia Kirchhoffa powie ci, że napięcia nie sumują się, ponieważ źródła napięcia są równoległe. Jednak prąd pobierany przez obciążenie 100 omów jest dzielony między nimi.

^{zasymuluj ten obwód}

Nie zapominajmy teraz o diodzie LED;

Dioda LED (dioda elektroluminescencyjna) jest, jak sama nazwa wskazuje, „diodą”. Urządzenia te są trudne do opisania w sposób satysfakcjonujący w krótkiej odpowiedzi takiej jak ta, ale dla celów tego wyjaśnienia po prostu pomyśl o tym, że ma na sobie stałe napięcie, niezależnie od tego, jaki prąd przez nie przepływa. Dzięki temu uproszczeniu napięcie na diodzie można po prostu odjąć od napięcia spowodowanego przez źródła napięcia (baterie), które są albo szeregowo (6 V), albo równolegle (3 V). Napięcie na diodzie LED zależy od tego, czym ona jest, ale zwykle wynosi od 1,8 V do 2,1 V, w zależności od koloru.

Poniższy obwód pokazuje działanie diody LED:

^{zasymuluj ten obwód}

Teraz prawo Ohma;

V = R * I

I = V / R

R = V / I

gdzie

V = napięcie

I = prąd

R = opór

Stosowanie prawa Ohma;

4 V / 100 omów = 40 mA

1 V / 100 omów = 10 mA

Właśnie użyłem typowych wartości dla tego przykładu, ale możesz użyć prawa Ohma, aby cofnąć się i obliczyć napięcie na diodzie LED, lub możesz to zmierzyć i obliczyć inne wartości. Baw się dobrze!

Nawiasem mówiąc, to świetnie, że przeprowadzasz własne eksperymenty w ten sposób, ale następnym razem nie podłączaj baterii w taki sposób. Nie podoba im się;) (Nie wchodzę teraz w szczegóły).

Próbuję wyjaśnić elektryczność, porównując ją do płynu. Napięcie lub ciśnienie jest przyczyną prądu lub przepływu, co jest skutkiem . Ogólnie wzrost ciśnienia zwiększy przepływ. Podłączając baterie szeregowo, zwiększasz napięcie lub ciśnienie, więc w przypadku prostego obwodu rezystancyjnego, podobnego do twojego, wytworzysz więcej prądu lub przepływu. Kiedy baterie są podłączone równolegle, nie zwiększasz ciśnienia, ale dajesz im możliwość dostarczenia większego prądu, jeśli pozwalają na to warunki obwodu.

Prawdziwym koniem za prądem jest napięcie. Im więcej napięcia dla stałej rezystancji, tym większy będzie prąd. W pierwszym przypadku szeregowe napięcie równoważne wynosi 3 + 3 = 6 V.

W drugim przypadku, ponieważ akumulatory są równoległe i mają taką samą wartość, ich równoważne napięcie pozostaje takie samo, tj. 3 V.

Stąd więcej napięcia, więcej prądu.

Ale poczekaj, więc dlaczego czytamy w naszych podręcznikach, że ustawienie równoległe pomaga zwiększyć prąd? Cóż, to tak naprawdę nie zwiększa prądu, ale zwiększa górną granicę prądu, którą nasze akumulatory są w stanie zapewnić. Oznacza to, że zwiększa się bieżąca wydajność systemu. Prąd nadal zależeć będzie od napięcia. Ale jeśli napięcie będzie rosło coraz wyżej, układ szeregowy może nie być w stanie zapewnić tak dużego prądu, jak przewiduje prawo omowe. Ale system równoległy może to zapewnić. Chociaż to też zawiedzie, ale przy jeszcze wyższych napięciach.

Wszystko ma pewien opór.

Bateria AA ~ 1 Ohm ~ Źródło 1,5 do 1,6 V.
Biała dioda LED ~ 15 Ω @ ~ 3,1 V @ 20 mA, 2,8 V wyłączone.
Rezystor 100 omów.
Drut ~ x mOhm

Zatem równoległy bank = 3,1 V (nowy) - 2,8 V LED = (szacunkowo) 300 mV podzielone przez rezystancję pętli = 116 omów byłoby <3 mA blisko twojego wyniku.

Następnie, gdy 2 banki szeregowo 6,2 V (Vbat) -2,8 V (Wh. Próg LED) = 3,4 V / 116 Ohm (rezystancja pętli) = 29 mA, co również jest bliskie odczytowi z powodu tolerancji szacunków.

Nie całkiem takie proste. Kiedy umieścisz dwie komórki równolegle, w efekcie umieścisz wewnętrzne rezystancje dwóch komórek równolegle, obniżając w ten sposób całkowitą rezystancję w obwodzie. Nawet jeśli ogniwa mają różne zaciski, napięcia w obwodzie otwartym i różne rezystancje wewnętrzne, zmniejszasz całkowitą rezystancję całego obwodu. I tak powinien płynąć więcej prądu. Jeśli nie widzisz większego przepływu prądu, twój system pomiarowy nie jest wystarczająco czuły. Przez krótki czas eksperymentu możemy zignorować współczynnik temperaturowy rezystancji wszystkich komponentów w twoim obwodzie.

Uwaga: wyjmij baterie z zestawu testowego, gdy nie jest ono używane. Dwie baterie pokazane w konfiguracji testowej prawdopodobnie wyciekają żrące chemikalia do uchwytu baterii, jeśli pozwolą się całkowicie rozładować i pozostaną przez długi czas.

Twierdzisz, że prąd nie rośnie wraz z równoległą baterią. Jak jesteś tego pewien? Co jeśli aktualny wzrost jest bardzo niewielki i jest mniejszy niż zdolność twojego miernika do pomiaru?

Oto twoje zadanie:

- zdobądź dokładniejszy licznik, najlepszy, jaki możesz pożyczyć

- zmierzyć prąd za pomocą samej baterii nr 1.

- zmierzyć prąd za pomocą samej baterii # 2.

- zmierzyć prąd za pomocą obu akumulatorów równolegle.

Przewiduję, że trzeci pomiar będzie większy niż minimum dwóch pierwszych.

W elektronice indukcyjnej powszechne jest uznawanie akumulatorów za źródło napięcia. Ale akumulatory to naprawdę bardzo złożone urządzenia, dla których źródło napięcia stanowi jedynie przybliżenie. Lepszym przybliżeniem jest źródło napięcia z rezystorem o niskiej wartości szeregowo. Możesz faktycznie oszacować wartość tego rezystora szeregowego, mierząc spadek napięcia po przyłożeniu obciążenia do akumulatora i stosując zwykłe reguły dla rezystorów szeregowych i prawa omowego. Większość inżynierii elektrycznej kończy się na tym, ale istnieją jeszcze bardziej złożone modele baterii, które jeszcze dokładniej odzwierciedlają jej zachowanie.

Naucz się wszystkiego, co możesz, ale zawsze bądź sceptyczny i zadawaj trudne pytania podczas ładowania telefonu komórkowego.