欧姆定律
从初中开始我们就开始接触欧姆定律,电压,电流和电阻。做了很多关于欧姆定律的习题,分压电路,分流电路等等。但欧姆定律的本质到底是什么?我当时不十分理解,但随着我的知识增长,我对欧姆定律有了更好的理解。这篇文章就记录了我对欧姆定律的理解。里面的说法只代表我个人的理解,也许有不准确的地方,欢迎大家告诉我。
理解欧姆定律从蓄水大坝说起
欧姆定律非常类似蓄水大坝。大坝的高度类比于电压,大坝的宽度类比于电阻,而单位时间从大坝上流到大坝底的水的动量类比于电流(简单说就是水量和水速)。当我们把大坝建的非常高,那么水流下落到坝底的速度就越快,动量会大;当然如果我们把大坝修的很宽,单位时间会有更多的水流下落到坝底,那么动量也会大。
设想一下,大坝下有一个木制的水轮发电机,这个水轮发电机利用水下落的动量来转动发电。如果我们把大坝很高或者很宽,这时下落的水量的动量很大,会有可能超过这个水轮发电机的承受范围而导致它无法正常工作。
这就好比我们把一个36V的电源直接接到一个标定输入电压的2.2V的外设上,因为这个外设无法控制这么大的电流流进来,会产生很多热量,会把外设烧坏。所以关键是我们能够限定流入外设的电流,这时我们可以在外设和电源中间接一个电阻(减少大坝的宽度),或者减少电源的电压(减少大坝的高度),这两种方法都可以做到限制流入外设的电流的目的。
电流是核心
决定水轮发电机的发电量只和流到水轮上水的动量有直接关系,和大坝的宽度和高度只有间接的关系。在电子设备中,控制电流是核心,但在电子设备中想量化电流非常困难,比如我们有一个嵌入式MCU,外接了一个电机,这个电机在按下开始按钮的时候会转动,按下停止按钮会停止转动。如果想真正计算出这个系统的电流,需要计算MCU, 按钮,电机各自的电流,然后在它们各自工作的时候提供给它们需要的电流。这样需要外部的电源在合适的时候提供各个部分合适的电流。
在设计电路的时候,通常我们规定输入的额定电压,最主要的原因的相比于电流,电压更容易控制。所以当电机不工作的时候我们把电机的输入电压接地,当电机工作时,我们把电机的输入电压接高电平,让电流流入。如果这时候电机进水的话,电机内部电路容易短接(不该接上的两点接到一起了),这时电机的电阻就变小了,瞬间会有大电流流入,导致电机烧掉。所以当我们把外设接到一个电压源(比如一般的电源,或者是电池等等)上的时候,外设来决定它需要提多少电流,很多情况电流在不断变化,比如控制电机转速,不同转速肯定需要不一样大小的电流。
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