Voici une introduction basée sur la physique aux concepts EE que vous essayez de comprendre.
Vos questions sont répondues en bas.
Tout découle du flux de "charge"
L'électronique, comme l' indique son mot racine électron , est essentiellement une étude du flux d' électrons dans un système particulier.
Les électrons sont les "porteurs" fondamentaux de la charge dans un circuit typique; c'est-à-dire qu'ils déterminent comment la charge est "déplacée" dans la plupart des circuits.
Nous adoptons une convention de signature disant que les électrons ont une charge "négative". De plus, un électron représente la plus petite unité de charge à l'échelle atomique (physique classique). C'est ce qu'on appelle la charge "élémentaire" et se situe à Coulombs.−1.602×10−19
A l'inverse, les protons ont une charge signée "positive" de Coulombs.+1.602×10−19
Cependant, les protons ne peuvent pas se déplacer si facilement car ils sont généralement liés aux neutrons dans les noyaux atomiques par la force nucléaire forte. Il faut beaucoup plus d'énergie pour éliminer les protons des noyaux atomiques (la base de la technologie de fission nucléaire, soit dit en passant) que pour éliminer les électrons.
D'un autre côté, nous pouvons déloger assez facilement les électrons de leurs atomes. En fait, les cellules solaires sont entièrement basées sur l'effet photoélectrique (l'une des découvertes séminales d'Einstein) parce que les "photons" (particules de lumière) délogent les "électrons" de leurs atomes.
Champs électriques
Toutes les charges exercent un champ électrique "indéfiniment" dans l'espace. Ceci est le modèle théorique.
Un champ est simplement une fonction qui produit une quantité vectorielle à chaque point (une quantité contenant à la fois la magnitude et la direction ... pour citer Despicable Me ).
Un électron crée un champ électrique où le vecteur à chaque point du champ pointe vers l'électron (direction) avec une magnitude correspondant à la loi de Coulomb:
|E⃗ | = 14πϵ0constantfactor |q|r2focus onthis part
Les directions peuvent être visualisées comme:
Ces directions et amplitudes sont déterminées en fonction de la force (direction et amplitude) qui serait exercée sur une charge d'essai positive. En d'autres termes, les lignes de champ représentent la direction et l'amplitude que subirait une charge positive de test .
Une charge négative subirait une force de même ampleur dans la direction opposée .
Par cette convention, quand un électron est près d'un électron ou un proton près d'un proton, ils repousseront.
Superposition: recouvrement des charges
Si vous additionnez tous les champs électriques exercés individuellement par toutes les charges dans une région sur un point particulier, vous obtenez le champ électrique total à ce point exercé par toutes les charges.
Cela suit le même principe de superposition utilisé pour résoudre les problèmes cinématiques avec des forces multiples agissant sur un objet singulier.
La charge positive est l'absence d'électrons; la charge négative est le surplus d'électrons
Cela s'applique spécifiquement à l'électronique où nous traitons le flux de charge à travers des matériaux solides.
Pour réitérer: l'électronique est l'étude du flux d'électrons comme porteurs de charge; les protons ne sont pas les principaux porteurs de charge.
Encore une fois: pour les circuits, les électrons se déplacent, pas les protons .
Cependant, une charge positive "virtuelle" peut être créée par l'absence d'électrons dans une région d'un circuit parce que cette région a plus de protons nets que d'électrons .
Rappelez-vous le modèle d'électrons de valence de Dalton où les protons et les neutrons occupent un petit noyau entouré d'électrons en orbite.
Les électrons qui sont les plus éloignés du noyau dans la coquille de "valence" la plus externe ont l'attraction la plus faible pour le noyau basée sur la loi de Coulomb qui indique que la force du champ électrique est inversement proportionnelle au carré de la distance.
En accumulant de la charge, par exemple sur une plaque ou un autre matériau (par exemple, en les frottant vigoureusement comme au bon vieux temps), nous pouvons générer un champ électrique. Si nous plaçons des électrons dans ce champ, les électrons se déplaceront macroscopiquement dans une direction opposée aux lignes de champ électrique.
Remarque: comme la mécanique quantique et le mouvement brownien le décriront, la trajectoire réelle d'un électron individuel est assez aléatoire. Cependant, tous les électrons présenteront un mouvement macroscopique "moyen" basé sur la force indiquée par le champ électrique.
Ainsi, nous pouvons calculer avec précision comment un échantillon macroscopique d'électrons répondra à un champ électrique.
Potentiel électrique
|E⃗ |
|E⃗ |=14πϵ0|q|r2
r→0|E⃗ |→∞ l'on se rapproche de l'origine du champ électrique.
r→∞|E⃗ |→0 : lorsque vous vous éloignez infiniment de l'origine d'un champ électrique, l'intensité du champ tend vers zéro.
Maintenant, considérons l'analogie d'une planète. À mesure que la masse cumulée totale de la planète augmente, sa gravité augmente également. La superposition des forces gravitationnelles de toute la matière contenue dans la masse de la planète produit une attraction gravitationnelle.
(Mplanet≫myou) que votre attraction gravitationnelle est éclipsée par l'attraction de la planète.
Rappelez-vous de la cinématique que le potentiel gravitationnel est la quantité de potentiel d'un objet en raison de sa distance du centre gravitationnel de la planète . Le centre gravitationnel de la planète peut être traité comme une source de gravité ponctuelle.
q
Dans le cas du potentiel gravitationnel, nous supposons que le champ de gravité est nul infiniment loin de la planète.
mg⃗ planet fonctionne pour rapprocher la masse. Par conséquent, le champ gravitationnel "perd du potentiel" à mesure qu'une masse s'approche de la planète. Pendant ce temps, la masse accélère et gagne de l'énergie cinétique.
qsourceE⃗ sourcer
Il en résulte:
- E⃗
- E⃗
- E⃗ d'une charge de source positive.
- E⃗
Potentiel électrique dans les conducteurs
Prenons le modèle des conducteurs ou des métaux de transition comme le cuivre ou l'or ayant une "mer d'électrons". Cette "mer" est composée d'électrons de valence qui sont plus lâchement couplés et en quelque sorte "partagés" entre plusieurs atomes.
Si nous appliquons un champ électrique à ces électrons "lâches", ils sont enclins, en moyenne macroscopique, à se déplacer dans une direction spécifique dans le temps.
N'oubliez pas que les électrons se déplacent dans la direction opposée au champ électrique.
De même, placer une longueur de conducteur de fil près d'une charge positive provoquera un gradient de charge sur toute la longueur du fil.
La charge en tout point du fil peut être calculée en utilisant sa distance par rapport à la charge source et les attributs connus du matériau utilisé dans le fil.
La charge positive due à l'absence d'électrons apparaîtra plus loin de la charge source positive, tandis que la charge négative due à la collecte et au surplus d'électrons se formera plus près de la charge source.
En raison du champ électrique, une "différence de potentiel" apparaîtra entre deux points sur le conducteur. C'est ainsi qu'un champ électrique génère de la tension dans un circuit.
La tension est définie comme la différence de potentiel électrique entre deux points d'un champ électrique.
Finalement, la distribution de charge le long du fil atteindra "l'équilibre" avec le champ électrique. Cela ne signifie pas que la charge cesse de se déplacer (rappelez-vous le mouvement brownien); seulement que le mouvement "net" ou "moyen" de la charge s'approche de zéro.
Batteries non idéales
Constituons une source d'alimentation à cellules galvaniques ou voltaïques .
(NH4)(NO3)
NH+4NO−3 .
Terminologie utile:
- cation : un ion chargé positivement
- anion : un ion chargé négativement
- cathode : les cations s'accumulent à la cathode
- anode : les anions s'accumulent à l'anode
Mnémotechnique utile: « un ion » est « un ion » est « UN ion egative »
Si nous examinons la réaction de la cellule galvanique zinc-cuivre ci-dessus:
Zn(NO3)2 + Cu2+⟶Zn2+ + Cu(NO3)2
Zn2+Cu2+
Remarque: Plus tôt, nous avons dit que la charge positive est «l'absence» d'électrons. Les cations (ions positifs) sont positifs car la suppression des électrons entraîne une charge atomique positive nette due aux protons dans le noyau. Ces cations sont mobiles dans la solution de la cellule galvanique, mais comme vous pouvez le voir, les ions ne voyagent pas à travers le pont conducteur reliant les deux côtés de la cellule . Autrement dit, seuls les électrons se déplacent à travers le conducteur .
Sur la base du fait que les cations positifs se déplacent et s'accumulent vers la cathode, nous la qualifions de négative (les charges positives sont attirées par le négatif).
Inversement, parce que les électrons se rapprochent et s'accumulent à l'anode, nous la qualifions de positive (les charges négatives sont attirées vers le positif).
+-
En effet, le courant est défini comme le flux de charge positive virtuelle à travers une zone de section transversale . Les électrons circulent toujours à l'opposé du courant par convention.
Ce qui rend cette cellule galvanique non idéale, c'est que finalement le processus chimique générant le champ électrique à travers le conducteur et provoquant la circulation des électrons et de la charge s'équilibrera.
En effet, l'accumulation d'ions à l'anode et à la cathode empêchera la réaction de continuer.
D'un autre côté, une source d'alimentation "idéale" ne perdra jamais la force du champ électrique.
Les sources de tension idéales sont comme des escaliers mécaniques magiques
Revenons à l'analogie du potentiel gravitationnel.
Supposons que vous êtes sur une colline et que vous avez un chemin arbitraire en bas de la colline construit avec des murs en carton. Disons que vous faites rouler une balle de tennis sur ce chemin avec des murs en carton. La balle de tennis suivra le chemin.
Dans les circuits, le conducteur forme le chemin.
Supposons maintenant que vous ayez un escalator au bas de la colline. Comme une machine Rube Goldberg, l'escalator ramasse des balles de tennis que vous faites rouler sur le chemin, puis les dépose au début du chemin en haut de la colline.
L'escalator est votre source d'alimentation idéale.
Maintenant, disons que vous saturez presque complètement tout le chemin (escalator inclus) avec des balles de tennis. Juste une longue file de balles de tennis.
Parce que nous n'avons pas complètement saturé le chemin, il y a encore des lacunes et des espaces pour que les balles de tennis bougent.
Une balle de tennis qui est portée dans l'escalator se heurte à une autre balle, qui se heurte à une autre balle qui ... continue encore et encore.
Les balles de tennis qui descendent le long du chemin sur la colline gagnent de l'énergie en raison de la différence potentielle de gravité. Ils rebondissent l'un dans l'autre jusqu'à ce que finalement, une autre balle soit chargée sur l'escalator.
Appelons les balles de tennis nos électrons. Si nous suivons le flux d'électrons en bas de la colline, à travers notre "circuit" en faux carton, puis en remontant la "source d'alimentation" de l'escalator magique, nous remarquons quelque chose:
Les "écarts" entre les balles de tennis se déplacent dans la direction opposée exacte des balles de tennis (remonter la colline et descendre l'escalator) et ils se déplacent beaucoup plus rapidement. Les balles passent naturellement d'un potentiel élevé à un potentiel faible, mais à une vitesse relativement lente. Ils sont ensuite ramenés à un potentiel élevé à l'aide de l'escalator.
Le bas de l'escalator est en fait la borne négative d'une batterie ou la cathode de la cellule galvanique dont nous avons discuté plus tôt.
Le sommet de l'escalator est en fait la borne positive d'une batterie ou l'anode d'une cellule galvanique. La borne positive a un potentiel électrique plus élevé.
Courant
D'accord, la direction dans laquelle la charge positive circule est la direction du courant électrique.
Qu'est-ce qui est courant?
Par définition, c'est: la quantité de charge qui traverse une zone en coupe par seconde (unités: Coulombs par seconde). Elle est directement proportionnelle à la surface de la section transversale du fil / matériau conducteur et à la densité de courant. La densité de courant est la quantité de charge traversant une unité de surface (unités: Coulombs par mètre carré).
Voici une autre façon de penser:
Si vous avez un lanceur de balles de tennis qui crache positivement balles chargées travers une porte, le nombre de balles qu'il passe à travers la porte par seconde détermine son "courant".
La vitesse à laquelle ces balles se déplacent (ou la quantité d'énergie cinétique qu'elles ont lorsqu'elles frappent un mur) est la "tension".
Conservation de la charge et de la tension
C'est un principe fondamental.
Pensez-y comme ceci: il y a un nombre fixe d'électrons et de protons. Dans un circuit électrique, la matière n'est ni créée ni détruite ... donc la charge reste toujours la même. Dans l'exemple de l'escalator de balle de tennis, les balles allaient juste en boucle. Le nombre de balles est resté fixe.
En d'autres termes, l'accusation ne "se dissipe pas". Vous jamais perdez charge.
Ce qui se passe, c'est que la charge perd du potentiel . Les sources de tension idéales redonnent à la charge son potentiel électrique.
Les sources de tension NE créent PAS de charge. Ils génèrent un potentiel électrique.
Courant entrant et sortant des nœuds, résistance
Prenons ce principe de conservation de la charge. Une analogie similaire peut être appliquée à l'écoulement de l'eau.
Si nous avons un système fluvial sur une montagne qui se ramifie, chaque branche est analogue à un "nœud" électrique.
/ BRANCH A
/
/
MAIN ---
\
\
\ BRANCH B
-> downhill
La quantité d'eau qui s'écoule dans une branche doit être égale à la quantité d'eau sortant de la branche par le principe de conservation: l'eau (la charge) n'est ni créée ni détruite.
Cependant, la quantité d'eau qui descend dans une branche particulière dépend de la quantité de "résistance" que cette branche met en place.
Par exemple, si la branche A est extrêmement étroite, la branche B est extrêmement large et les deux branches ont la même profondeur, alors la branche B a naturellement la plus grande section transversale.
Cela signifie que la branche B présente moins de résistance et qu'un plus grand volume d'eau peut y circuler en une seule unité de temps.
Ceci décrit la loi actuelle de Kirchoff.
Vous êtes encore là? Impressionnant!
1. Qu'arrive-t-il au reste du courant non utilisé?
En raison du principe de conservation, toute charge dans un nœud doit s'écouler. Il n'y a pas de courant "inutilisé" car le courant n'est pas utilisé . Il n'y a pas de changement de courant dans un seul circuit série.
Cependant, différentes quantités de courant peuvent circuler dans différentes branches d'un nœud électrique dans un circuit parallèle en fonction des résistances des différentes branches.
2. La LED utilise-t-elle tout le courant?
Techniquement, la LED et la ou les résistances n'utilisent pas de courant, car il n'y a pas de baisse de courant (la quantité de charge traversant la LED ou la ou les résistances en une unité de temps). Ceci est dû à la conservation de la charge appliquée à un circuit série: il n'y a pas de perte de charge dans tout le circuit, donc pas de baisse de courant.
La quantité de courant (charge) est déterminée par le comportement de la LED et de la ou des résistances comme décrit par leurs courbes iv
3. Pourquoi la LED "chute-t-elle" d'une certaine quantité?
Voici un circuit LED de base .
Une LED a une tension d'activation, généralement d'environ 1,8 à 3,3 V. Si vous ne respectez pas la tension d'activation, pratiquement aucun courant ne circule. Reportez-vous aux courbes LED iv liées ci-dessous.
Si vous essayez de pousser le courant dans la direction opposée à la polarité des LED, vous utiliserez la LED dans un mode de "polarisation inverse" dans lequel presque aucun courant ne passe. Le mode de fonctionnement normal d'une LED est le mode polarisation directe. Au-delà d'un certain point en mode polarisation inverse, la LED "tombe en panne".Consultez le graphique iv d'une diode.
Les LED sont en fait des jonctions PN (silicium dopé p et dopé n écrasés ensemble). Sur la base des niveaux de Fermi du silicium dopé (qui dépend des bandes interdites électroniques du matériau dopé), les électrons ont besoin d'une quantité très spécifique d'énergie d'activation pour passer à un autre niveau d'énergie. Ils rayonnent ensuite leur énergie sous forme de photon avec une longueur d'onde / fréquence très spécifique alors qu'ils redescendent à un niveau inférieur.
Cela explique la haute efficacité (bien plus de 90% de l'énergie dissipée par une LED est convertie en lumière, pas en chaleur) des LED par rapport aux ampoules à filament et aux ampoules fluocompactes.
C'est aussi pourquoi l'éclairage LED semble si «artificiel»: la lumière naturelle contient un mélange relativement homogène d'un large spectre de fréquences; Les LED émettent des combinaisons de fréquences de lumière très spécifiques.
Les niveaux d'énergie expliquent également pourquoi la chute de tension à travers une LED (ou d'autres diodes) est effectivement "fixe" même si plus de courant la traverse. Examinez la courbe iv pour une LED ou une autre diode: au-delà de la tension d'activation, le courant augmente BEAUCOUP pour une petite augmentation de tension. En substance, la LED tentera de laisser passer autant de courant que possible, jusqu'à ce qu'elle se détériore physiquement.
C'est également pourquoi vous utilisez une résistance de limitation de courant en ligne pour limiter le flux de courant à travers une diode / LED à un milliampère nominal spécifique en fonction des spécifications de la LED.
3 b). Et qu'advient-il des autres composants en série, la tension chute-t-elle pour chaque composant, jusqu'à ce qu'il ne reste plus rien?
Oui, la loi de tension de Kirchoff est que la somme de toutes les chutes de tension dans une boucle autour d'un circuit est nulle . Dans un circuit série simple, il n'y a qu'une seule boucle.
4. Choisissez-vous votre résistance au point de "consommer tout le courant / tension" avant qu'elle n'atteigne la fin du circuit?
Non. Vous choisissez votre résistance en fonction du courant nominal des LED (disons 30 mA = 0,03 A) et de la loi d'Ohm, comme décrit dans l'article sur le circuit des LED .
Votre tension s'épuisera. Votre courant reste le même tout au long d'un circuit en série unique.
5. Pourquoi une batterie tombe-t-elle en panne si vous connectez directement les bornes, mais si vous ajoutez une ampoule (résistance), ce n'est pas le cas?
Je ne suis pas sûr de ce que vous entendez par "short short".
La connexion des bornes d'une batterie entraîne un important courant déchargé à la tension de la batterie. Cette tension est dissipée à travers la résistance interne de la batterie et le fil conducteur sous forme de chaleur - car même les conducteurs ont une certaine résistance.
C'est pourquoi les batteries en court-circuit deviennent très chaudes. Cette chaleur peut nuire à la composition d'une cellule chimique jusqu'à ce qu'elle explose.
6. Pourquoi des résistances sont-elles nécessaires?
Voici la rhétorique: imaginez qu'il y a ce concert incroyable. Tous vos groupes préférés vont être là. Ça va être un bon moment.
Disons que les organisateurs d'événements n'ont aucune notion de la réalité. Ils rendent donc les frais d'entrée à ce concert étonnant presque entièrement gratuits. Ils l'ont mis dans un endroit extrêmement accessible. En fait, ils sont tellement désorganisés, ils ne se soucient même pas s'ils survendent et il n'y a pas assez de sièges pour tous ceux qui achètent des billets.
Oh, et c'est à New York.
Assez rapidement, ce concert incroyable se transforme en un désastre total. Les gens sont assis les uns sur les autres, renversant de la bière partout; les combats éclatent, les toilettes sont bloquées, les groupies font flipper tout le monde et on entend à peine la musique avant tout l'agitation.
Considérez votre LED comme ce concert incroyable. Et pensez à quel point votre LED sera gâchée si vous n'y avez pas plus de résistance pour empêcher TOUT LE MONDE et leurs mamans de se présenter au concert.
Dans cet exemple stupide, «résistance» se traduit par «coût d'entrée». Par de simples principes économiques, l'augmentation du coût du concert diminue le nombre de personnes présentes.
De même, l'augmentation de la résistance dans un circuit empêche la charge (et par conséquent le courant) de passer. Cela signifie que votre LED (concert) n'est pas complètement détruite par toutes les personnes (charge).
Oui, l'ingénierie électrique est une vraie fête.