Spannung und wie sie funktioniert

Sie haben wahrscheinlich gehört, dass eine Batterie oder eine Steckdose eine bestimmte Anzahl hatVolt. Dies ist eine Messung der elektrischen SpannungPotenzialwird von der Batterie oder dem an die Steckdose angeschlossenen Stromnetz erzeugt.

All diese Volt liegen da und warten darauf, dass Sie sie nutzen, aber es gibt einen Haken:Damit Elektrizität irgendeine Arbeit verrichten kann, muss sie sich bewegen können. Es ist ein bisschen wie ein aufgeblasener Ballon; Wenn man es abknipst, ist Luft drinkönnteTun Sie etwas, wenn es freigegeben wird, aber es wird eigentlich nichts bewirken, bis Sie es loslassen.

Im Gegensatz zu Luft, die aus einem Ballon austritt, kann Elektrizität nur durch Materialien fließen, die Elektrizität leiten können, beispielsweise Kupferdraht. Wenn Sie ein Kabel an eine Batterie oder eine Steckdose anschließen (WARNUNG:Wenn die Spannung in einer Steckdose gefährlich ist, tun Sie das nicht!), geben Sie dem Strom einen Weg vor, dem er folgen muss. Aber wenn das Kabel an nichts anderes angeschlossen ist, kann der Strom nirgendwo hingehen und bewegt sich trotzdem nicht.

Was bewegt Strom?Strom möchte von einer höheren Spannung zu einer niedrigeren Spannung fließen.Das ist genau wie beim Ballon: Die Druckluft im Ballon möchte vom Inneren des Ballons (höherer Druck) nach außerhalb des Ballons (niedrigerer Druck) strömen. Wenn Sie einen leitenden Pfad zwischen einer höheren und einer niedrigeren Spannung erstellen, fließt Strom entlang dieses Pfades. Und wenn Sie etwas Nützliches wie eine LED in diesen Pfad einbauen, wird der fließende Strom einige Arbeit für Sie erledigen, wie zum Beispiel das Aufleuchten dieser LED. Huzzah!

Wo finden Sie also eine höhere und eine niedrigere Spannung? Hier ist etwas wirklich Nützliches zu wissen:Jede Stromquelle hat zwei Seiten. Sie können dies an Batterien erkennen, die an beiden Enden Metallkappen haben, oder an Ihrer Steckdose, die zwei (oder mehr) Löcher hat. In Batterien und anderenDC (Gleichstrom)Spannungsquellen, diese Seiten (oft genanntTerminals) werden benanntpositiv(oder „+“) undNegativ(oder "-").

Warum hat jede Stromquelle zwei Seiten? Dies geht zurück auf die Idee des „Potentials“ und darauf, dass man einen Spannungsunterschied braucht, um Strom zum Fließen zu bringen. Es klingt albern, aber es gibt keinen Unterschied, ohne dass zwei Dinge unterschiedlich sind. In jeder Stromversorgung hat die positive Seite eine höhere Spannung als die negative Seite, was genau das ist, was wir wollen. Wenn wir die Spannung messen, sagen wir normalerweise, dass die negative Seite 0 Volt beträgt und die positive Seite so viele Volt wie möglich beträgt, die die Versorgung liefern kann.

Elektrische Quellen sind wie Pumpen. Pumpen haben immer zwei Seiten, einen Auslass, der etwas ausbläst, und einen Einlass, der etwas ansaugt. Batterien, Generatoren und Sonnenkollektoren funktionieren auf die gleiche Weise. Etwas in ihnen arbeitet hart daran, Strom in Richtung der Steckdose (der positiven Seite) zu transportieren, aber der gesamte Strom, der das Gerät verlässt, erzeugt einen Hohlraum, was bedeutet, dass die negative Seite Strom anziehen muss, um ihn zu ersetzen.*

Was haben wir bisher gelernt?

• Spannung ist Potenzial, aber Strom muss fließen, um etwas Nützliches zu bewirken.
• Strom braucht einen Weg, durch den er fließen kann. Dabei muss es sich um einen elektrischen Leiter, beispielsweise einen Kupferdraht, handeln.
• Strom fließt von einer höheren Spannung zu einer niedrigeren Spannung.
• Gleichspannungsquellen haben immer zwei Seiten, positiv und negativ genannt, wobei die positive Seite eine höhere Spannung aufweist als die negative Seite.

Die einfachste Schaltung

Endlich sind wir bereit, die Elektrizität für uns arbeiten zu lassen! Wenn wir die positive Seite einer Spannungsquelle über etwas verbinden, das eine gewisse Arbeit leistet, wie zum Beispiel eine Leuchtdiode (LED), und zurück mit der negativen Seite der Spannungsquelle verbinden; Strom, bzwaktuell, wird fließen. Und wir können Dinge in den Weg legen, die nützliche Dinge tun, wenn Strom durch sie fließt, wie zum Beispiel LEDs, die aufleuchten.

Diesen kreisförmigen Weg, der immer erforderlich ist, damit Strom fließt und etwas Nützliches bewirkt, nennt man Stromkreis.Ein Rundkurs ist ein Weg, der am selben Ort beginnt und endet, und genau das machen wir.

Klicken Sie auf diesen Linkum eine Simulation des Stromflusses durch einen einfachen Stromkreis zu sehen. Für die Ausführung dieser Simulation ist Java erforderlich.

*Benjamin Franklin schrieb ursprünglich, dass Elektrizität von der positiven Seite einer Spannungsquelle zur negativen Seite fließt. Franklin hatte jedoch keine Möglichkeit, das zu wissenElektronen fließen tatsächlich in die entgegengesetzte Richtung- Auf atomarer Ebene kommen sie aus der negativen Seite und kehren zur positiven Seite zurück. Da Ingenieure Hunderte von Jahren lang Franklins Beispiel folgten, bevor die Wahrheit ans Licht kam, verwenden wir bis heute die „falsche“ Konvention. Praktisch gesehen spielt dieses Detail keine Rolle, und solange alle die gleichen Konventionen anwenden, können wir alle Schaltungen bauen, die einwandfrei funktionieren.

Kurzschluss und offene Stromkreise

Was ist eine „Ladung“?

Der Grund, warum wir Schaltkreise bauen wollen, besteht darin, dass Elektrizität für uns nützliche Dinge tun soll. Wir tun dies, indem wir Dinge in den Stromkreis einbauen, die den Stromfluss nutzen, um zu leuchten, Geräusche zu erzeugen, Programme auszuführen usw.

Diese Dinge heißenLasten, weil sie die Stromversorgung „belasten“, genau wie Sie „belastet“ werden, wenn Sie etwas tragen. Auf die gleiche Art und Weise, wie Sie mit zu viel Gewicht belastet werden, ist es möglich, ein Netzteil zu stark zu belasten, was den Stromfluss verlangsamt. Aber im Gegensatz zu Ihnen ist es auch möglich, einen Stromkreis zu wenig zu belasten – dadurch kann zu viel Strom fließen (stellen Sie sich vor, Sie laufen zu schnell, wenn Sie kein Gewicht tragen), was dazu führen kann, dass Ihre Teile oder sogar die Stromversorgung durchbrennen.

Im nächsten Tutorial erfahren Sie alles über Spannung, Strom und Lasten:Spannung, Strom, Widerstand und Ohmsches Gesetz. Aber lassen Sie uns zunächst etwas über zwei Sonderfälle von Schaltkreisen lernen:Kurzschluss, Undoffener Stromkreis. Das Wissen darüber wird Ihnen bei der Fehlerbehebung Ihrer eigenen Schaltkreise enorm helfen.

Kurzschluss

TUN SIE DAS NICHT, aber wenn Sie einen Draht direkt von der positiven zur negativen Seite einer Stromversorgung verbinden, erzeugen Sie etwas, das als „A“ bezeichnet wirdKurzschluss. Das ist eine sehr schlechte Idee.

Dies scheint die bestmögliche Schaltung zu sein. Warum ist das also eine schlechte Idee? Denken Sie daran, dass elektrischer Strom von einer höheren Spannung zu einer niedrigeren Spannung fließen möchte, und wenn Sie eine Last an den Strom anlegen, können Sie etwas Nützliches tun, wie zum Beispiel eine LED zum Leuchten bringen.

Wenn der Strom tatsächlich belastet wird, ist der Stromfluss durch Ihren Stromkreis auf den Strom begrenzt, den Ihr Gerät verbraucht, was normalerweise eine sehr geringe Menge ist. Wenn Sie jedoch NICHTS einbauen, was den Stromfluss einschränkt, gibt es nichts, was den Strom verlangsamt, und er wird versuchen, unendlich zu sein!

Ihr Netzteil kann nicht unendlich viel Strom liefern, aber es wird so viel Strom liefern, wie es kann, und das kann eine Menge sein. Dies könnte dazu führen, dass Ihr Kabel durchbrennt, die Stromversorgung beschädigt wird, Ihre Batterie entladen wird oder andere aufregende Dinge passieren. Meistens ist in Ihr Netzteil eine Art Sicherheitsmechanismus eingebaut, der den maximalen Strom im Falle eines Kurzschlusses begrenzt, aber nicht immer. Das ist der Grund, warum alle Häuser und Gebäude so sindLeistungsschalter, um die Entstehung von Bränden im Falle eines Kurzschlusses irgendwo in der Verkabelung zu verhindern.

Ein eng damit verbundenes Problem besteht darin, dass versehentlich zu viel Strom durch einen Teil Ihres Stromkreises fließt, was dazu führt, dass ein Teil durchbrennt. Das ist zwar kein Kurzschluss, aber nah dran. Dies passiert am häufigsten, wenn Sie das Falsche verwendenWiderstandWert, der zu viel Strom durch eine andere Komponente, beispielsweise eine LED, fließen lässt.

Das Fazit:Wenn Sie bemerken, dass es plötzlich heiß wird oder ein Teil plötzlich durchbrennt, schalten Sie sofort den Strom ab und suchen Sie nach möglichen Kurzschlüssen.

Offener Stromkreis

Das Gegenteil eines Kurzschlusses ist einoffener Stromkreis. Dies ist ein Stromkreis, bei dem die Schleife nicht vollständig verbunden ist (und es sich daher überhaupt nicht um einen Stromkreis handelt).

Im Gegensatz zum obigen Kurzschluss wird durch diesen „Schaltkreis“ nichts beschädigt, aber Ihr Schaltkreis wird auch nicht funktionieren. Wenn Sie neu auf Rennstrecken sind, kann es oft schwierig sein, die Unterbrechung zu finden, insbesondere wenn Sie mit Rennstrecken unterwegs sindSteckbretterwo alle Leiter versteckt sind.

Wenn Ihr Stromkreis nicht funktioniert, ist die wahrscheinlichste Ursache ein offener Stromkreis.Dies ist normalerweise auf eine unterbrochene Verbindung oder einen losen Draht zurückzuführen. (Kurzschlüsse können dem Rest Ihres Stromkreises die gesamte Energie entziehen, achten Sie also darauf, auch danach zu suchen.)

TIPP:Wenn Sie nicht leicht herausfinden können, wo Ihr Stromkreis offen ist, aMultimeterkann ein sehr nützliches Werkzeug sein. Wenn Sie es auf die Messung von Volt einstellen, können Sie damit die Spannung an verschiedenen Punkten in Ihrem Stromkreis prüfen und schließlich den Punkt finden, an dem die Spannung nicht durchkommt.

Ressourcen und weitere Schritte

Sie haben gerade gelernt, was ein Schaltkreis in seiner grundlegendsten Form ist. Wenn Sie weiter lernen, werden Sie auf komplexere Schaltkreise stoßen, die über mehrere Schleifen und viele weitere elektronische Komponenten verfügen. Aber ALLE Schaltkreise, egal wie komplex, folgen den gleichen Regeln wie der grundlegende Ein-Schleifen-Schaltkreis, den Sie gerade kennengelernt haben.

Ihre Reise in die Elektronik steht gerade erst am Anfang. Hier sind einige Vorschläge für die nächsten Themen, die Sie erkunden sollten:

• Steckbrettersind nützliche Werkzeuge, mit denen Sie mithilfe von Überbrückungsdrähten schnell temporäre Schaltkreise aufbauen können. Wir nutzen sie ständig. Vielleicht möchten Sie es auch meisternArbeiten mit Drahtum Ihnen beim Aufbau Ihrer Schaltkreise zu helfen.
• AMultimeterErmöglicht die Messung von Spannung, Strom und Widerstand und ist eine große Hilfe bei der Fehlersuche in fehlerhaften Schaltkreisen.
• Schaltkreise gibt es in den unterschiedlichsten Größen, Formen und Konfigurationen. Schauen Sie sich das anSerien- vs. ParallelschaltungenTutorial, um Schaltkreise auf die nächste Stufe zu heben.

Hier finden Sie einige Tutorials zu den häufigsten Komponenten, die Sie beim Aufbau von Schaltkreisen verwenden.

• Eine gute Möglichkeit, etwas über Schaltkreise zu lernen, besteht darin, mit dem Bau einiger Schaltkreise zu beginnen. UnserLED-Tutorialzeigt, wie man eine oder mehrere LEDs zum Leuchten bringt.
• Widerständesind eine der am häufigsten verwendeten Komponenten in Schaltkreisen.
• Kondensatorensind auch in den meisten Schaltkreisen zu finden. Wie es istDioden.
• ——https://learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-a-Circuit