Pourquoi ces lectures violent-elles la loi d'Ohm? (Sont-ils?)

Je suis en train de rafraîchir mes connaissances en électronique au lycée et j'ai décidé d'expérimenter avec une petite pompe d'acquarium que je traînais. J'ai pris quelques mesures avec un multimètre et les résultats me confondent sans fin. Les lectures ne semblent pas correspondre à la loi d'Ohm, le tirage actuel semble différer, etc., et maintenant je suis perplexe.

J'ai cette petite pompe connectée à deux piles AA. Selon la fiche technique (clairsemée), il est évalué pour 3V et tire un courant de "<460mA". En utilisant le multimètre pour lire la tension de la batterie (sans rien connecté), j'ai obtenu 3,18 V, ce qui est logique car il s'agissait de piles AA neuves. J'ai alors décidé de connecter la pompe et de lire la tension sur les deux connecteurs de la pompe. Cela indiquait 2,9 V, ce qui m'étonnait car apparemment 0,28 V avait disparu. Les fils de la batterie à la pompe ne font tous les deux que quelques centimètres de long, donc cela semble beaucoup de tension à perdre sur de tels fils courts. J'ai ensuite inséré le multimètre dans le circuit et mesuré 0,19A. Enfin, j'ai mesuré la résistance de la pompe, qui était de 3,5 Ohms.

Maintenant, selon la loi d'Ohm, U = I * R, donc 0,19A * 3,5 Ohm = 0,665V. Loin des 3,18V ou même des 2,9VI mesurés sur la pompe. Comment est-ce possible?

En essayant autre chose, j'ai branché la pompe à un connecteur molex 5V de l'alimentation d'un ancien PC. Mesurer la tension sur le connecteur molex, je reçois 5,04 V. Mesurant sur les connecteurs de la pompe, j'obtiens 4.92V. En insérant le multimètre dans le circuit, j'ai soudainement lu 0,28A. Donc apparemment, la pompe consomme soudainement 200mA de plus qu'auparavant, ce qui semble étrange: un composant n'est-il pas censé simplement tirer le courant dont il a besoin? Lancer ces nombres dans la loi d'Ohm me donne 4,92 / 0,28 = 17,575. Pas non plus les 3,5 Ohms que j'ai mesurés.

Enfin, j'ai décidé d'ajouter quelques résistances pour faire chuter le 5V du molex à environ 3V. J'ai ajouté quelques résistances de 1 Ohm en série, ce qui a donné une résistance mesurée de 4,3 Ohms. Maintenant, si j'insère le multimètre dans le circuit, j'obtiens 0,24 A, encore une fois un courant différent. En mesurant la tension aux bornes des résistances, j'obtiens 0,98 V et en mesurant à travers la pompe, j'obtiens 3,93 V. 0,24 A * 4,3 Ohms = 1,032 V, ce qui n'est pas le 0,98 VI mesuré.

Il me manque apparemment quelque chose de fondamental à propos des circuits ou de la loi d'Ohm, mais je ne peux pas le comprendre. J'ai considéré le fait que la résistance de la pompe change lorsqu'elle est connectée, mais cela n'a toujours pas de sens que les valeurs que j'ai mesurées sur les résistances ne suivent pas non plus la loi d'Ohm. Qu'est-ce que je rate?

Comme vous l'avez découvert, un moteur électrique n'est pas bien modélisé comme une résistance et, en tant que tel, n'obéit pas à la loi d'Ohm.

Un meilleur modèle pour un moteur électrique à courant continu est qu'il existe une certaine résistance en série avec une source de tension variable.

De plus, une batterie a une certaine résistance interne, qui peut être modélisée comme une résistance série *. Une alimentation PC peut également utiliser ce même modèle, mais la résistance série est probablement plus petite. Le système ressemble alors à:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Nous pouvons expliquer pourquoi dans le premier cas votre tension mesurée est inférieure à la tension de la batterie à vide car nous avons un diviseur de tension. Faire des maths,

$R_m = 3.5 \Omega$$I = 0.19 A$$V_+ = 2.9V$$V_{emf} = 2.24 V$$R_s = 1.47 \Omega$

$V_+ = 4.92V$$I = 0.28A$$V_{emf} = 3.94 V$$R_s = 0.43 \Omega$

$V_{emf}$$V_{emf}$

De plus, la façon dont les multimètres mesurent le courant est en introduisant une résistance de shunt en série et en mesurant la tension aux bornes de cette résistance. Cela complique encore l'analyse, de sorte que le courant mesuré et la tension de charge ne sont pas exactement corrélés. Il est plus difficile de faire cette analyse, mais c'est possible si vous connaissez la résistance au shunt série. Ceci est parfois cité comme une "tension de charge" à un courant de test nominal et vous pouvez utiliser la loi d'Ohm pour récupérer la résistance de shunt.

$V_{emf}$

Si vous réglez votre compteur sur la plus grande plage de courant, cela utilisera la plus petite résistance de shunt, vous pouvez minimiser l'impact d'avoir le compteur en série au prix de perdre un peu de précision.

* remarque: les batteries n'ont pas une résistance interne constante, mais il s'agit d'une approximation raisonnable. Cela dépend d'une tonne de facteurs, y compris, mais sans s'y limiter, l'énergie stockée, la température et la charge.

La réponse de Helloworld922 est correcte et assez bonne, mais j'ai pensé que cela pourrait vous aider à répondre directement à vos questions une par une.

En utilisant le multimètre pour lire la tension de la batterie (sans rien connecté), j'ai obtenu 3,18 V, ce qui est logique car il s'agissait de piles AA neuves. J'ai alors décidé de connecter la pompe et de lire la tension sur les deux connecteurs de la pompe. Cela indiquait 2,9 V, ce qui m'étonnait car apparemment 0,28 V avait disparu. Les fils de la batterie à la pompe ne font tous les deux que quelques centimètres de long, donc cela semble beaucoup de tension à perdre sur de tels fils courts.

Les batteries (et certaines autres sources de tension) peuvent produire une tension plus élevée que la normale si aucune charge n'est connectée. La tension nominale d'une pile AA est de 1,5 V, donc votre deuxième mesure est en fait plus proche de la valeur nominale. Citant Wikipedia : "La tension de charge nulle effective d'une pile alcaline non déchargée varie de 1,50 à 1,65 V, selon la pureté du dioxyde de manganèse utilisé et la teneur en oxyde de zinc dans l'électrolyte. La tension moyenne sous charge dépend du niveau de décharge et la quantité de courant absorbé, variant de 1,1 à 1,3 V. " La chute de tension à travers vos fils devrait être proche de zéro.

J'ai ensuite inséré le multimètre dans le circuit et mesuré 0,19A. Enfin, j'ai mesuré la résistance de la pompe, qui était de 3,5 Ohms. Maintenant, selon la loi d'Ohm, U = I * R, donc 0,19A * 3,5 Ohm = 0,665V. Loin des 3,18V ou même des 2,9VI mesurés sur la pompe. Comment est-ce possible?

La réponse de HelloWorld922 couvre cela. Il y a deux choses importantes à comprendre ici. Premièrement, un moteur n'est pas une résistance, bien que ses fils aient une résistance. Deuxièmement, un moteur génère une tension lorsqu'il tourne, ce qu'on appelle le back-EMF. Le back-EMF s'oppose au courant du moteur. Vous vous attendiez à ce que la pompe consomme:

Ce courant est appelé courant de décrochage, et c'est ce à quoi vous vous attendriez si la pompe était bloquée. Dans ce cas, la seule charge sur les batteries est la résistance du câblage de la pompe. Lorsque la pompe se déplace, vous devez considérer le dos-EMF. Le courant ne sera pas vraiment constant non plus.

En essayant autre chose, j'ai branché la pompe à un connecteur molex 5V de l'alimentation d'un ancien PC. ... En insérant le multimètre dans le circuit, j'ai soudainement lu 0,28A. Donc apparemment, la pompe consomme soudainement 200mA de plus qu'auparavant, ce qui semble étrange: un composant n'est-il pas censé simplement tirer le courant dont il a besoin?

Non. Cela est vrai pour certains appareils électroniques à transistors, mais pas pour tous les composants. (Les transistors peuvent agir à peu près comme un puits de courant constant.)

J'ai ajouté quelques résistances de 1 Ohm en série, ce qui a donné une résistance mesurée de 4,3 Ohms. Maintenant, si j'insère le multimètre dans le circuit, j'obtiens 0,24 A, encore une fois un courant différent. En mesurant la tension aux bornes des résistances, j'obtiens 0,98 V ... 0,24 A * 4,3 Ohms = 1,032 V, ce qui n'est pas le 0,98 VI mesuré.

Les multimètres affectent le circuit auquel ils sont connectés. Vous devez vérifier ses spécifications pour effectuer un calcul exact. Intuitivement, le compteur agit comme une résistance en parallèle avec vos 4,3 ohms. Cela réduit la résistance totale, ce qui réduit la chute de tension. (C'est ma supposition, de toute façon - comme je l'ai dit, cela dépend du compteur.)

Il me manque apparemment quelque chose de fondamental à propos des circuits ou de la loi d'Ohm, mais je ne peux pas le comprendre.

La loi d'Ohm n'est pas une loi absolue des circuits électriques. C'est une propriété de certains matériaux, appelés matériaux ohmiques. Très peu de vrais appareils peuvent être modélisés comme de simples résistances, même dans des circonstances normales! (Aux hautes fréquences, même les résistances (physiques) cessent d'être des résistances (théorie des circuits), mais je vais vous épargner ces détails pour l'instant. :-))

Les règles sur lesquelles vous pouvez compter dans les circuits électriques (basse fréquence) sont:

1. Loi de tension de Kirchoff: la somme des tensions autour d'une boucle fermée doit être égale à zéro.
2. Loi actuelle de Kirchoff: la somme des courants entrant et sortant d'un nœud de circuit doit être égale à zéro.
3. Conservation de l'énergie: la somme de la puissance instantanée (v (t) * i (t)) produite et consommée par chaque composant d'un circuit doit être égale à zéro.

Tout le reste est de la modélisation. Si vous voulez prédire le comportement d'un circuit, vous avez besoin de bons modèles pour vos composants. Et comme tout le monde l'a dit, une résistance n'est pas un bon modèle pour une pompe.

En utilisant le multimètre pour lire la tension de la batterie (sans rien connecté), j'ai obtenu 3,18 V, ce qui est logique car il s'agissait de piles AA neuves. J'ai alors décidé de connecter la pompe et de lire la tension sur les deux connecteurs de la pompe. Cela indiquait 2,9 V, ce qui m'étonnait car apparemment 0,28 V avait disparu.

Considérez ce qui se passerait si ce n'était pas le cas. Et si vous pouviez connecter une charge aux batteries et que la tension restait inchangée? Et si cette charge n'est qu'un fil?

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

$I=E/R$

Dans la pratique, les fils ont une certaine résistance, donc nous ne finissons pas par créer une singularité de fin d'univers. Que faire si le fil est assez court et gros et a une résistance de 0,0001Ω?

Wow, c'est beaucoup de courant. Je m'attendrais à ce que le fil se vaporise en un instant.

Bien sûr, ce n'est pas ce qui se passe réellement. Les vraies batteries ont une résistance interne , qui est une somme de la résistance réelle de leurs parties métalliques et de la conductivité finie des électrolytes qu'elles contiennent, et des propriétés chimiques qui limitent la vitesse de réaction qui se produit dans les batteries, ce qui les rend capables de pomper Charge électrique.

Nous pouvons calculer approximativement quelle est cette résistance interne. Nous savons qu'à 0A, la tension aux bornes de la batterie est de 3,18 V. Et nous savons qu'avec la pompe en marche, vous avez mesuré 2,9 V et 0,19 A. Donc:

^{simuler ce circuit}

Nous savons que le courant est le même partout dans un circuit série, il doit y avoir 0,19 A traversant la résistance. Et nous devons calculer la valeur de cette résistance de telle sorte que la tension qui la traverse soit "manquante" de 0,28V. Ceci est une application de la loi d'Ohm:

Enfin, j'ai mesuré la résistance de la pompe, qui était de 3,5 Ohms

Ce n'est pas une application de la loi d'Ohm. La loi d'Ohm s'applique uniquement aux résistances. Elle ne s'applique pas:

• moteurs
• diodes
• transistors
• condensateurs
• inducteurs
• taches de lumière fluorescente

Si le courant était toujours égal à la tension multipliée par la résistance, nous serions vraiment limités dans les types d'électronique que nous pourrions créer! Nous ne pouvions faire que des circuits linéaires , ce qui signifie que nous ne pouvions pas avoir d'ordinateurs ou de radios, par exemple.

Un moteur n'est pas une résistance ohmique. Il y a des inducteurs et des champs magnétiques en jeu, qui changent la résistance apparente (impédance) au-delà de ce que vous mesurez avec votre multimètre.

Chaque batterie a une résistance interne qui laisse tomber une certaine tension à travers elle.C'est pourquoi vous voyez cette différence (3,18 V à 2,9 V) .Vous ne pouvez pas compter sur la résistance du moteur.Elle variera avec de nombreux facteurs.

La loi d'Ohm n'est pas vraiment une loi en tant que conséquence de la thermo statistique et d'une propriété matérielle dans certaines conditions.

Pour ajouter un peu à @ helloworld992, la consommation de courant du moteur dépend de la charge qui le traverse. En effet, le Vemf dépend de la vitesse de rotation.

Si le moteur est parfaitement sans perte, il ne consommera pas de courant (et donc de puissance) une fois qu'il sera à la vitesse.

Au lieu de cela, si vous calez le moteur, vous créerez un court-circuit avec le courant limité uniquement par la résistance interne de la batterie, des fils, etc.