Fysik

kredsløb med to resistorer

03. september 2012 af Mathematica (Slettet) - Niveau: A-niveau

betragt det vedhæftede billede af et kredsløb. Jeg har i min bog en udregning af hvad strømmen gennem de enkelte resistorer er på baggrund af kirchoffs love. Jeg forstår bare ikke hvordan Kirchoffs love giver nok informationer til at bestemme dette. Rent fysisk er deres eneste indhold lokal bevarelse af energi og ladning. For at finde ud af hvor stor en strøm, der løber igennem en resistor i forhold til den anden, skal man jo vide noget om hvor hurtigt strømmen løber igennem dem i forhold til hinanden, siden princippet bag det hele vel er, at ladningerne vil undgå at ophobe sig. 
Men ligger dette implicit i den matematiske formulering af kirchoffs love? 

Vedhæftet fil: circuit.png

Brugbart svar (0)

Svar #1
03. september 2012 af mathon

                             I1+IB = I2

                             R1·I1 = U = RB·IB

      hvoraf
                            I1/·IB = RB/R1

                                     I1/I2 = RB/(R1+RB)

                            I1 = RB/(R1+RB)·I2

                                     IB = R1/(R1+RB)·I2
                            


Brugbart svar (0)

Svar #2
03. september 2012 af hesch (Slettet)

Hvis man nu holder sig til Kirchoff, som især er effektiv ved mere komplicerede netværk:

Tegn 2 masker i de to "firkanter", begge med uret, Ix i venstre maske, Iy i højre. Så finder du iflg Kirchoffs spændingslov:

Venstre maske:  Ix*R1 - Iy*R1+ Ix*R2 + ε = 0

Højre maske:     Ix*R1 - Iy*R1 + Iy*Rb = 0

2 ligninger med 2 ubekendte. Find Ix og Iy, og adder dem behørigt for at bestemme I1, I2 og Ib.

Du skal ikke tænke så meget over ladningsophobning, osv. Det gør du vel heller ikke, når du bruger Ohms lov ?


Brugbart svar (0)

Svar #3
03. september 2012 af hesch (Slettet)

#1:  Hvor blev ε af ?  Dit U ≠ ε.


Brugbart svar (0)

Svar #4
03. september 2012 af mathon

spændingsfaldet over
                                 de parallelt forbundne modstande er ikke ε


Brugbart svar (0)

Svar #5
03. september 2012 af hesch (Slettet)

#4: Netop. Det jeg mener er, at batterispændingen ε vel skal indgå i beregningerne.

Lad mig benytte lejligheden til at flytte ε i #2:

Venstre maske:  Ix*R1 - Iy*R1+ Ix*R2  = ε

Højre maske:     Ix*R1 - Iy*R1 + Iy*Rb = 0


Svar #6
03. september 2012 af Mathematica (Slettet)

Jeg tror i misforstod mig. Det I laver er rent matematik. Det er også meget godt, men jeg bad om en mere konceptuel forklaring på, hvorfor Kirchoffs love virker. Jeg prøvede at argumentere for, at det der rent fysisk bestemmer, hvor meget strøm der løber gennem to resistorer må være at ladningen kan løbe så hurtigt igennem som muligt - hvis den nu valgte en anden vej, hvor det gik langsommere, så ville der jo ophobes ladning, der modvirker denne bevægelse. Derfor spørger jeg igen: Hvorfor giver Kirchoffs love de korrekte strømme? Hvilke dybere principper ligger der i dem, som kan forklare hvilken vej strømmen "vælger" at løbe. 


Brugbart svar (0)

Svar #7
03. september 2012 af hesch (Slettet)

Hvis du taler om to serieforbundne modstande, må strømmen igennem dem være ens, for hvor skulle differensstrømmen løbe hen ( ladningsoverskuddet )? Dette er udtrykt i Kirchoff's strømlov: Summen af strømmene til et knudepunkt = 0. Det kan ikke være anderledes.

Igennem to parallelmodstande fordeler strømmen sig således at spændingsfaldene over modstandene bliver ens. Sådan må det også være, fordi modtandenes terminaler er kortsluttet parvis. Dette er udtrykt i Kirchoff's spændingslov, ved at man imellem de to modstande R1 og Rb tegner en maske. Dette er i højre maske i #5 udtrykt ved:

( Ix- Iy )*R1 + Iy*Rb = 0

Her fordeler strømmene ( Ix - Iy ) = I1 og Iy = Ib sig således, at U1 = Ub, altså ens spændingsfald over R1 og Rb.

#6: Hvorfor loggede du af ?  Sur over svaret ?


Svar #8
03. september 2012 af Mathematica (Slettet)

mange tak :) nej, jeg loggede af, fordi jeg ikke regnede med flere svar for denen aften ;)


Brugbart svar (0)

Svar #9
03. september 2012 af hesch (Slettet)

Fint nok. Jeg spørger bare, fordi der er mange, hvor man har brugt tid på et svar ( jeg skriver med to fingre ), og så virker det som om, de bare går og smækker med døren.  :)


Svar #10
04. september 2012 af Mathematica (Slettet)

Men jeg forstår det nu stadig ikke helt. Fysisk giver det god mening. Hvis nu spændingsfaldet var forskellig over hver resistor, ville der jo ophobes ladning i den resistor med størst spændingsfald. Desværre forstår jeg dog stadig ikke hvordan det matematisk fremgår i den matematiske udledning af Kirchoffs lov.
Man har for hver gren i masken:
εi=IiR(1)
Og lægger man dem sammen får man: 
Σεi = ΣIiRi
Og deraf fremgår det jo. Men hvilken del af denne udledning antog, at spændingsfaldet måtte være det samme over begge resistorer? Det fremgår egentlig bare ved addition af dem,  men der må jo ligge en eller anden subtil antagelse om ovenstående for hver for sig,  siger ligning (1) jo blot, at hver resistor bidrager med et karakteristisk spændingsfald, som ikke nødvendigvis SKAL være det samme som i en nabogren, der er del af samme maske som på billedet. 
Jeg håber du forstår, at mit problem er rent teoretisk - nemlig hvordan matematikken automatisk formår at inkorporere det faktum, at spændingsfaldene skal være ens i hver gren.


Brugbart svar (0)

Svar #11
04. september 2012 af hesch (Slettet)

I din tegning kan du lægge maskerne på forskellig vis, men en maske ( cirkulationsvej ) har ingen forgreninger, det har kun dit netværk. I #2 har jeg lagt to masker således:

Maske "Ix":  Gennem ε, R1, R2  ( og tilbage til ε, masken er lukket )

Maske "Iy":  Gennem Rb, R1    ( og tilbage til Rb ).

Maske "Iy" medfører ligningen:   Iy*Rb + Iy*R1 - Ix*R1 = 0  eller  R1( Iy-Ix ) = -Rb*Iy. Når du løser ligningerne i #2 finder du Ix og Iy, men disse strømme er virtuelle strømme, der ikke optræder rent fysisk og ikke kan måles. De skal adderes iflg. din tegning, f.eks. ved:  I1 = Ix - Iy.  I1 er den virkelige strøm gennem R1. På samme måde:  Ib = Iy:  Ib er den virkelige strøm gennem Rb.  Her ved kan  R1( Iy-Ix) = -Rb*Iy  omformuleres til  -R1*I1 = -Rb*Ib.  Ved indsætning i Ohms lov fås:

-U1 = -Ub  ⇒  U1 = Ub

Dermed er ens spændingsfald over Rb, R1 indkorporeret. 

( Jeg ved, at jeg har skiftet lidt fortegn fra #2 i masken Iy hvilket skyldes at jeg i #2 havde anvendt maskeretningen forkert, Men så er det jo en formildende omstændighed, at vi kun taler "teoretisk" ).

Selvom dit valg af masker måtte være:

Maske "Ix":  Gennem ε, R1, R2  ( og tilbage til ε, masken er lukket )

Maske "Iy":  Gennem ε, Rb, R2    ( og tilbage til ε ).

og løser ligningerne algebraisk, vil du komme til samme resultat:  U1 = Ub.

 


Skriv et svar til: kredsløb med to resistorer

Du skal være logget ind, for at skrive et svar til dette spørgsmål. Klik her for at logge ind.
Har du ikke en bruger på Studieportalen.dk? Klik her for at oprette en bruger.