¿Por qué estas lecturas violan la ley de Ohm? (¿Son ellos?)

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Estoy repasando mis conocimientos de electrónica de la escuela secundaria y decidí experimentar con una pequeña bomba de acuario que tenía por ahí. Tomé algunas medidas con un multímetro y los resultados me confunden sin fin. Las lecturas no parecen corresponder con la ley de Ohm, el dibujo actual parece diferir, etc., y ahora estoy perplejo.

Tengo esta pequeña bomba conectada a dos baterías AA. De acuerdo con la hoja de datos (dispersa), está clasificada para 3V y consume una corriente de "<460mA". Usando el multímetro para leer el voltaje de la batería (sin nada conectado) obtuve 3.18V, lo cual tiene sentido porque eran baterías AA nuevas. Entonces decidí conectar la bomba y leer el voltaje en los dos conectores de la bomba. Esto leyó 2.9V, lo que me sorprendió porque aparentemente 0.28V había desaparecido. Los cables de la batería a la bomba tienen solo un par de centímetros de largo, por lo que parece que se pierde mucho voltaje en cables tan cortos. Luego inserté el multímetro en el circuito y medí 0.19A. Finalmente, medí la resistencia de la bomba, que era de 3.5 ohmios.

Ahora, de acuerdo con la ley de Ohm, U = I * R, entonces 0.19A * 3.5 Ohm = 0.665V. Muy lejos de 3.18V o incluso el 2.9VI medido en la bomba. ¿Cómo es esto posible?

Intentando algo más, conecté la bomba a un conector molex de 5V desde la fuente de alimentación de una PC vieja. Al medir el voltaje en el conector molex, obtengo 5.04V. Midiendo los conectores de la bomba, obtengo 4.92V. Al insertar el multímetro en el circuito, de repente leí 0.28A. Entonces, aparentemente, la bomba de repente consume 200 mA más que antes, lo que parece extraño: ¿no se supone que un componente solo consume la corriente que requiere? Lanzar estos números en la ley de Ohm me da 4.92 / 0.28 = 17.575. Tampoco los 3.5 ohmios que medí.

Finalmente, decidí agregar algunas resistencias para bajar los 5V del molex a aproximadamente 3V. Agregué un par de resistencias de 1 Ohm en serie, lo que resultó en una resistencia medida de 4.3 Ohms. Ahora, si inserto el multímetro en el circuito obtengo 0.24A, una vez más una corriente diferente. Midiendo el voltaje a través de las resistencias obtengo 0.98V, y midiendo a través de la bomba obtengo 3.93V. 0.24A * 4.3 Ohms = 1.032V, que no es el 0.98VI medido.

Aparentemente me falta algo fundamental sobre los circuitos o la ley de Ohm, pero no puedo entenderlo. Consideré el hecho de que la resistencia de la bomba cambia cuando está conectada, pero tampoco tiene sentido que los valores que medí en las resistencias tampoco cumplan con la ley de Ohm. ¿Qué me estoy perdiendo?

multimeter ohms-law

— Bas
fuente

Si usa solo un multímetro para alternar entre corriente y voltaje, nunca obtendrá lecturas precisas.

— Ignacio Vazquez-Abrams

¿Cómo es eso? ¿Podrías dar más detalles?

— Bas

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¿Ha considerado la resistencia interna del multímetro al medir la corriente? ¿Y la resistencia interna de las baterías (debe ser muy baja, pero nunca se sabe)?

— Arsenal

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0.98V a 1.032V está bastante cerca. Margen de error del 4%.

— Passerby

Lea dummies.com/how-to/content/…

— Passerby el

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Como has descubierto, un motor eléctrico no está bien modelado como resistencia y, como tal, no obedece la ley de Ohm.

Un mejor modelo para un motor eléctrico de CC es que hay cierta resistencia en serie con una fuente de voltaje variable.

Además, una batería tiene cierta resistencia interna, que se puede modelar como una resistencia en serie *. Una fuente de alimentación de PC también puede usar este mismo modelo, pero es probable que la resistencia en serie sea menor. El sistema entonces se ve así:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Podemos explicar por qué en el primer caso su voltaje medido es menor que el voltaje de la batería sin carga porque tenemos un divisor de voltaje. Haciendo algunas matemáticas,

\begin{aligned} V_{e m f} = V_{+} - I R_{m} \\ R_{s} = \frac{V_{b a t} - V_{+}}{I} \end{aligned}

$\begin{align} V_{emf} = V_+ - I R_m\\ R_s = \frac{V_{bat} - V_+}{I} \end{align}$

Usted midió , y , entonces y . $R_m = 3.5 \Omega$ $I = 0.19 A$ $V_+ = 2.9V$ $V_{emf} = 2.24 V$ $R_s = 1.47 \Omega$

En el segundo caso, e . Por lo tanto: y . $V_+ = 4.92V$ $I = 0.28A$ $V_{emf} = 3.94 V$ $R_s = 0.43 \Omega$

Observe que es diferente entre los dos. Esto se debe a que es aproximadamente linealmente proporcional a la velocidad de rotación del motor. Debería haber observado que el motor gira más rápido cuando está conectado al suministro de 5V. $V_{emf}$ $V_{emf}$

Además, la medida de la corriente de varios metros al introducir una resistencia de derivación en serie y medir el voltaje a través de esta resistencia. Esto complica aún más el análisis, por lo que la corriente medida y el voltaje de carga no están exactamente correlacionados. Es más difícil hacer este análisis, pero es posible si conoce la resistencia de derivación de la serie. Esto a veces se cita como un "voltaje de carga" a una corriente de prueba nominal y puede usar la ley de Ohm para recuperar la resistencia de derivación.

Es posible reconstruir cuál debería ser el voltaje de carga medido con solo un medidor, pero requiere más información sobre cómo se que está más allá del alcance de esta respuesta. $V_{emf}$

Si configura su medidor en el rango de corriente más grande, esto usará la resistencia de derivación más pequeña, puede minimizar el impacto de tener el medidor en serie al costo de perder un poco de precisión.

* nota: las baterías no tienen una resistencia interna constante, pero esta es una aproximación razonable. Depende de una tonelada de factores que incluyen, entre otros, la energía almacenada, la temperatura y la carga.

— helloworld922
fuente

El valor de resistencia de cierre se encuentra en la hoja de datos del DMM, incluso para los realmente malos.

— Fizz

Gracias por una respuesta muy detallada. Sin embargo, estoy perplejo con las matemáticas. No entiendo la diferencia entre Vemf y V +. Según la fórmula, Vemf es V + menos el voltaje caído por la resistencia del motor, pero no entiendo cómo se correlaciona eso con el circuito. ¿Es Vemf la tensión caída por el motor?

— Bas

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Vemfes el motor que actúa como generador eléctrico: cada motor eléctrico es también un generador eléctrico. Vemfen un motor eléctrico se produce en oposición al voltaje aplicado a través del motor, y es proporcional a la velocidad del motor. Esta es la razón por la que detener un motor es malo para el motor: Vemf = 0y esencialmente está maximizando la corriente a través del motor, lo que puede causar daños térmicos (también conocido como sobrecalentamiento).

— helloworld922

Se puede considerar Vemfcomo una caída de voltaje en el motor debido a la ley de voltaje de Kirchhoff: trabajando hacia atrás desde tierra, . Sustituir en la ley de Ohm para y reorganizar la ecuación da el de mi respuesta.

V_{+} = V_{e m f} + V_{R m}

$V_+ = V_{emf} + V_{Rm}$

V_{R m}

$V_{Rm}$

— helloworld922

1

Alternativamente, con la mayoría de los medidores, especialmente los baratos, puede usar el rango de ohmios y meter el cable positivo en el enchufe de corriente para medir la resistencia de la derivación. También es útil para revisar fusibles quemados.

— Hugoagogo

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La respuesta de Helloworld922 es correcta y bastante buena, pero pensé que podría ayudarte a responder directamente a tus preguntas una por una.

Usando el multímetro para leer el voltaje de la batería (sin nada conectado) obtuve 3.18V, lo cual tiene sentido porque eran baterías AA nuevas. Entonces decidí conectar la bomba y leer el voltaje en los dos conectores de la bomba. Esto leyó 2.9V, lo que me sorprendió porque aparentemente 0.28V había desaparecido. Los cables de la batería a la bomba tienen solo un par de centímetros de largo, por lo que parece que se pierde mucho voltaje en cables tan cortos.

Las baterías (y algunas otras fuentes de voltaje) pueden producir un voltaje más alto de lo normal si no hay carga conectada. El voltaje nominal de una batería AA es de 1.5V, por lo que su segunda medición está realmente más cerca del nominal. Citando Wikipedia : "El voltaje efectivo de carga cero de una batería alcalina no descargada varía de 1.50 a 1.65 V, dependiendo de la pureza del dióxido de manganeso utilizado y el contenido de óxido de zinc en el electrolito. El voltaje promedio bajo carga depende del nivel de descarga y la cantidad de corriente que se consume, que varía de 1.1 a 1.3 V. " La caída de voltaje a través de los cables debe estar cerca de cero.

Luego inserté el multímetro en el circuito y medí 0.19A. Finalmente, medí la resistencia de la bomba, que era de 3.5 ohmios. Ahora, de acuerdo con la ley de Ohm, U = I * R, entonces 0.19A * 3.5 Ohm = 0.665V. Muy lejos de 3.18V o incluso el 2.9VI medido en la bomba. ¿Cómo es esto posible?

La respuesta de HelloWorld922 cubre esto. Hay dos cosas importantes para entender aquí. Primero, un motor no es una resistencia, aunque sus cables sí tienen resistencia. En segundo lugar, un motor genera un voltaje cuando gira, el llamado EMF de retorno. El EMF posterior se opone a la corriente del motor. Esperaba que la bomba consumiera:

I = \frac{V}{R} = \frac{2.9 V}{3.5 Ω} \approx 830 m A

$I = \frac V R = \frac {2.9\ \mathrm V} {3.5\ \Omega} \approx 830\ \mathrm{mA}$

Esta corriente se llama corriente de pérdida y es lo que esperaría si la bomba se atascara. En ese caso, la única carga en las baterías es la resistencia del cableado de la bomba. Cuando la bomba está en movimiento, debe tener en cuenta el EMF posterior. La corriente tampoco será realmente constante.

Intentando algo más, conecté la bomba a un conector molex de 5V desde la fuente de alimentación de una PC vieja. ... Insertando el multímetro en el circuito, de repente leí 0.28A. Entonces, aparentemente, la bomba de repente consume 200 mA más que antes, lo que parece extraño: ¿no se supone que un componente solo consume la corriente que requiere?

No. Esto es cierto para algunos dispositivos electrónicos basados en transistores, pero no todos los componentes. (Los transistores pueden actuar aproximadamente como un sumidero de corriente constante).

Agregué un par de resistencias de 1 Ohm en serie, lo que resultó en una resistencia medida de 4.3 Ohms. Ahora, si inserto el multímetro en el circuito obtengo 0.24A, una vez más una corriente diferente. Al medir el voltaje a través de las resistencias obtengo 0.98V ... 0.24A * 4.3 Ohms = 1.032V, que no es el 0.98VI medido.

Los multímetros afectan el circuito al que están conectados. Tendría que verificar sus especificaciones para hacer un cálculo exacto. Intuitivamente, el medidor actúa como una resistencia en paralelo con sus 4,3 ohmios. Esto reduce la resistencia total, lo que reduce la caída de voltaje. (Esa es mi suposición, de todos modos, como dije, depende del medidor).

Aparentemente me falta algo fundamental sobre los circuitos o la ley de Ohm, pero no puedo entenderlo.

La Ley de Ohm no es una ley absoluta de los circuitos eléctricos. Es una propiedad de ciertos materiales, que se denominan materiales óhmicos. ¡Muy pocos dispositivos reales se pueden modelar como resistencias simples, incluso en circunstancias normales! (A altas frecuencias, incluso las resistencias (físicas) dejan de ser resistencias (teoría de circuitos), pero te ahorraré esos detalles por ahora. :-))

Las reglas en las que puede confiar en los circuitos eléctricos (de baja frecuencia) son:

Ley de voltaje de Kirchoff: la suma de los voltajes alrededor de un circuito cerrado debe ser igual a cero.
Ley actual de Kirchoff: la suma de las corrientes que entran y salen de un nodo del circuito debe ser igual a cero.
Conservación de la energía: la suma de la potencia instantánea (v (t) * i (t)) producida y consumida por cada componente en un circuito debe ser igual a cero.

Todo lo demás es modelado. Si desea predecir el comportamiento de un circuito, necesita buenos modelos para sus componentes. Y como todos han dicho, una resistencia no es un buen modelo para una bomba.

— Adam Haun
fuente

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Gracias por tomarse el tiempo de responder estas diversas preguntas individualmente. Había considerado dividirlos en preguntas separadas, pero solo tienen sentido en el contexto del otro.

— Bas

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Usando el multímetro para leer el voltaje de la batería (sin nada conectado) obtuve 3.18V, lo cual tiene sentido porque eran baterías AA nuevas. Entonces decidí conectar la bomba y leer el voltaje en los dos conectores de la bomba. Esto leyó 2.9V, lo que me sorprendió porque aparentemente 0.28V había desaparecido.

Considere lo que sucedería si este no fuera el caso. ¿Qué pasaría si pudiera conectar una carga a las baterías y el voltaje permaneciera sin cambios? ¿Qué pasa si esa carga es solo un cable?

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¿Cuánta corriente fluirá aquí? Bueno, un cable ideal es una resistencia de 0Ω, y hay 3V a través de él. Usando la ley de Ohm, podemos dividir 3V por la resistencia para obtener la corriente ( ): $I=E/R$

I = \frac{3 V}{0 Ω}

$I = \frac{3\:\mathrm V}{0\:\Omega}$

En la práctica, los cables tienen cierta resistencia, por lo que en realidad no terminamos creando una singularidad que termine el universo. ¿Qué pasa si el cable es bastante corto y gordo, y tiene una resistencia de 0.0001Ω?

I = \frac{3 V}{0.0001 Ω} = 30000 A

$I = \frac{3\:\mathrm V}{0.0001\:\Omega} = 30000\:\mathrm A$

Wow, eso es mucha corriente. Esperaría que ese cable se vaporizara en un instante.

Por supuesto, esto no es lo que realmente sucede. Las baterías reales tienen resistencia interna , que es una suma de la resistencia real de las partes metálicas de ellas, y la conductividad finita de los electrolitos en ellas, y propiedades químicas que limitan la velocidad de reacción que ocurre en las baterías que los hace capaces de bombear carga eléctrica.

Podemos calcular cuál es esta resistencia interna, aproximadamente. Sabemos que a 0A, el voltaje a través de la batería es 3.18V. Y sabemos que con la bomba en funcionamiento midió 2.9V y 0.19A. Entonces:

esquemático

^{simular este circuito}

Sabemos que la corriente es la misma en todas partes en un circuito en serie, debe haber 0.19A fluyendo a través de la resistencia. Y necesitamos calcular el valor de esa resistencia de modo que el voltaje a través de ella sea ese "faltante" de 0.28V. Esta es una aplicación para la ley de Ohm:

R = \frac{0.28 V}{0.19 A} = 1.47 Ω

$R = \frac{0.28\:\mathrm V}{0.19\:\mathrm A} = 1.47\:\Omega$

Finalmente, medí la resistencia de la bomba, que era 3.5 Ohms

Esta no es una aplicación para la ley de Ohm. La ley de Ohm se aplica solo a resistencias. No se aplica a:

motores
diodos
transistores
condensadores
inductores
borrones de luz fluorescente

Si la corriente siempre fuera igual al voltaje multiplicado por la resistencia, ¡estaríamos realmente limitados en los tipos de componentes electrónicos que podríamos crear! Solo podríamos hacer circuitos lineales , lo que significa que no podríamos tener computadoras o radios, por ejemplo.

— Phil Frost
fuente

Realmente aprecio el escenario teórico "qué pasaría si". Realmente me ayuda a poner las cosas en una especie de contexto práctico para mí, ¡gracias!

— Bas

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Un motor no es una resistencia óhmica. Hay inductores y campos magnéticos en juego, que cambian la resistencia aparente (impedancia) más allá de lo que mides con tu multímetro.

— corecode
fuente

Pero, ¿cómo explica eso los valores que leí en la serie de resistencias?

— Bas

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Cada batería tiene una resistencia interna que deja caer algo de voltaje a través de ella. Es por eso que ve esta diferencia (3.18V a 2.9V). No puede confiar en la resistencia del motor. Esto variará con muchos factores.

— Stefan Merfu
fuente

Pero si la resistencia es interna a la batería, ¿no debería medir también el valor caído si mido los terminales de la batería? Además, supongo que la resistencia del motor varía, pero ¿qué pasa con las resistencias en serie? Los valores que medí allí tampoco se suman a la ley de Ohm.

— Bas

3

Su multímetro casi no recibe energía de su batería, por lo que la corriente será casi cero y no verá ninguna caída de voltaje a través de esa resistencia. En cambio, cuando usa una carga (200 mA), esta resistencia está en serie, por lo que esta 200mA x la resistencia de la batería determinará la caída de voltaje. La resistencia de la batería variará con la temperatura y muchos otros factores. Puede consultar la hoja de datos de una batería.

— Stefan Merfu

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La ley de Ohm no es realmente una ley sino una consecuencia del termo estadístico y una propiedad material dadas ciertas condiciones.

Para agregar un poco a @ helloworld992, el consumo de corriente del motor depende de la carga que lo atraviesa. Esto se debe a que el Vemf depende de la velocidad de rotación.

Si el motor no tiene pérdidas, no consumirá corriente (y, por lo tanto, potencia) una vez que esté acelerado.

En cambio, si detiene el motor, creará un cortocircuito con la corriente limitada solo por la resistencia interna de la batería, los cables, etc.

— usuario1512321
fuente