Como a eletricidade "conhece" a proporção da resistência em um divisor de tensão?

Estou tendo dificuldade para conceber o que / como as coisas estão funcionando em uma configuração de divisor de tensão. Eu li algumas outras perguntas / explicações em que o atendente disse "não pensar nisso em termos de água", mas é difícil não fazê-lo, até certo ponto.

O que eu não entendo é como a eletricidade muda / se adapta após o PRIMEIRO resistor com base na razão entre ele e o SEGUNDO resistor? Eu sei que está na arena de ter a ver com "pressões" e tubos, mas se você tiver uma resistência mais adiante na cadeia de fluxo, conceitualmente, como isso importa qual é a resistência mais abaixo do tubo?

E saindo dos divisores de tensão (mas ainda no campo da questão da queda de tensão e relações) - como / por que TODA a tensão cai sobre um resistor em um circuito de um resistor, mas com mais de 2 resistores / cargas, o elétrons "sabem" de alguma forma racionar a tensão cai proporcionalmente? (Obviamente, eu sei que os elétrons não estão conscientemente trabalhando nisso e tomando decisões). Por que uma queda de tensão não estática sobre uma resistência / carga estática? Por que isso depende dos outros resistores / cargas no circuito?

(Não me importo de técnico, mas, se possível, adicione pelo menos algum tipo de concepção ou demonstração visual, se você puder! :) Obrigado!

Vamos fazer outro experimento mental:

Imagine que reduzimos gradualmente a conexão entre os dois resistores até que ele seja infinitesimalmente pequeno. Agora você efetivamente tem um resistor com o ponto divisor em algum lugar no meio. Uma extremidade deste resistor está conectada à tensão de alimentação, digamos 5 Volts. A outra extremidade está conectada ao terra, que chamaremos de 0 Volts, porque a usaremos como ponto de referência para nossa medição de tensão.

Mais uma vez, imagine que movemos gradualmente o ponto divisor para o final de 5V ou para o final de 0V. Em que local ao longo desse resistor combinado você esperaria que a tensão medida caísse de 5 volts para 0 volts?

Está claro que a tensão não tem uma mudança de passo em um ponto, mas é proporcional à fração do resistor abaixo do ponto divisor? A queda de tensão é linear ao longo do comprimento da resistência combinada .

Agora imagine que restauramos gradualmente o comprimento dessa conexão que esticamos na primeira visualização. E imagine que a conexão em si não tenha resistência - zero. (Não é bem zero, mas é tão próximo que podemos ignorá-lo). Está claro que a tensão não será diferente em cada extremidade da conexão quando você a esticar novamente?

A tensão total cai linearmente sobre a resistência total , e o ponto divisor "prova" essa tensão em uma parte específica do total.

A corrente não "se importa" ou "sabe" se está fluindo através de muitos resistores individuais, ou um contínuo; a tensão cai continuamente ao longo de cada segmento do caminho de resistência. As conexões de "resistência zero" simplesmente não importam .

No que diz respeito à corrente, não há divisor, há apenas um caminho que possui uma certa resistência (total). Digamos que você tenha um resistor 1k e 2k em série. Total: 3k , e se você aplicar 3V nele, obterá, de acordo com a Lei de Ohm $\Omega$$\Omega$$\Omega$

$I = \dfrac{V}{R} = \dfrac{3V}{3k\Omega} = 1mA$

Agora, a Lei de Ohm também se aplica a qualquer resistor individual na corrente. Para encontrar a tensão no resistor 1k : $\Omega$

$V = I \cdot R = 1mA \cdot 1k\Omega = 1V$

Então, de fato, você obtém uma fração do 3V original, por isso é chamado de divisor, cuja razão é definida pela razão entre os resistores. Mas, para a corrente, não há diferença entre uma carga de 3k e uma composta de um resistor de 1k mais um de 2k .$\Omega$$\Omega$$\Omega$

O que há de errado em pensar na analogia da água? Com uma bomba empurrando a água através de um capilar, o manômetro abaixo verá toda a pressão no ponto X, mas cerca de metade da pressão no ponto Y. A água não 'sabe' em que pressão deve estar, apenas encontra menos resistência enquanto viaja pelo capilar e a pressão diminui proporcionalmente.

(Incidentalmente, é assim que a válvula de desvio em um sistema de aquecimento central doméstico controla a taxa de fluxo através dos radiadores).

A imagem é a seguinte: os elétrons são empurrados por uma força. A quantidade total de força (tensão de alimentação) é dividida entre a quantidade de resistência em cada parte da pista. O fluxo de elétrons se equilibra de uma maneira que a soma de todas as tensões em todos os elementos se soma à tensão de alimentação.

Explicação: A corrente é basicamente "todos os elétrons no fio se movendo lentamente em uma direção". Imagine um monte de bolas em uma mangueira. Um tem que sair do outro lado quando você pressiona um do seu lado.

Para fazê-los se mover, você deve exercer uma força. Esta é uma força elétrica, que é quando um campo elétrico (basicamente uma tensão) atua sobre coisas carregadas, os elétrons no nosso caso.

Para fazê-los se mover mais rápido, você precisa exercer mais força. (ou melhor, a mesma força com mais frequência)

Quanta força é necessária em relação à velocidade / corrente depende da resistência do caminho.

Todos os elétrons no caminho estão se movendo. Ou seja, todos, na fonte de energia, fios e resistores, todos os elétrons, estão se movendo mais ou menos em uníssono.

Agora os elétrons estão se movendo. Para cada parte infinitesimal do caminho, há uma resistência, que determina o tamanho da tensão necessária para fazer os elétrons se moverem. Eles se movem, porque há uma corrente. Eles são forçados a.

As voltagens de cada parte do caminho somam a voltagem total.

É tudo sobre a lei de Ohm .

Uma tensão nos dois resistores cria uma corrente que flui para os dois. Essa corrente será a mesma para todos os resistores, se estiverem conectados em série, e será fornecida pela lei de Ohm.

Em cada resistor, a corrente que flui induz uma queda de tensão, novamente dada pela lei do sr.

Você pode encontrar a matemática em qualquer lugar, mas primeiro entenda isso e como um resistor funciona. Por ser um tópico abusado, prefiro sugerir que você leia wiki sobre o resistor e a lei de Ohm . Depois de entender os dois, o divisor de tensão ficará magicamente claro.

De qualquer forma:

Como a eletricidade "conhece" a proporção da resistência em um divisor de tensão?

Como você sabe que, se você pula de uma ponte, cai a uma certa velocidade? É apenas devido à física.

Bem, primeiro é a visão com um resistor. Vamos analisar isso com uma configuração de bateria de carro e dizer que temos um terreno negativo e um + 12v quente.

Em nosso primeiro circuito, movemos 12 volts através de 12 ohms de resistência e movemos 1 amp por 12 watts em nossa carga. Isso é tudo o que pode mudar para lá. A diferença relativa entre o suprimento e o recebimento é a mesma.

Você pode ver isso também como um terra quente de + 6v e -6v e o circuito funcionaria exatamente da mesma maneira. Aumentar sua fonte (quente) ou abaixar sua pia (terra) criarão uma diferença de potencial (tensão).

Agora, vamos mudar nossa carga: dois resistores de 6 ohms cada. Nossa resistência total agora é de 12 ohms novamente, então ainda vamos extrair 1 amp. Cada carga agora consome metade disso: 6 watts. Para consumir 6 watts em um resistor de 6 ohm com 1 amp de potência, você deve perder 6 volts. Lembre-se de que a corrente permanece constante em um circuito, sempre que você a mede. É por isso que um fusível é eficaz em qualquer lugar de um circuito em série. Lembre-se de que a amperagem é basicamente vazão (galões por minuto) e a potência derivada é uma combinação de vazão e pressão (voltagem). Assim, tensão * amperagem == watts (potência motriz).

Então essa é a parte elétrica. Para usar uma analogia da água, você deve pensar no sistema de encanamento de maneira um pouco diferente. A "pia" para onde a água flui agora deve ser considerada pressurizada, fornecendo assim uma contrapressão. As cargas são turbinas no tubo. Se nosso suprimento for 100 psi e nossa pia for 50 psi, obteremos fluxo.

A diferença de pressão entre dois pontos no tubo após a carga será insignificante. Ainda haverá pressão contra o mundo exterior, mas a pressão relativa, quando referenciada em nosso tanque de 50 psi, será muito baixa. Adicionar uma divisão com muitos canos após a última carga não mudará.

Se colocarmos um tubo antes da primeira carga e ligá-lo após a última carga, veremos 100 psi ... ou 50 psi em relação aos nossos dois tanques. Se tocarmos no meio dessas duas turbinas iguais à nossa pia, veremos 25 psi de pressão. A água teve que gastar um pouco de energia para passar pela primeira turbina.

Enquanto tivermos pressão (tensão) suficiente para girar uma turbina (acionar uma carga), veremos uma queda nessa turbina igual à diferença de pressão em ambos os lados. Se colocarmos várias turbinas lá, veremos uma queda de pressão proporcional à quantidade de esforço necessário para girar a turbina.

Lembre-se de que tensão e pressão estão relacionadas à referência relativa. Afinal, 0psi no chão geralmente é medido relativamente, e na verdade é 14,7 psi (absoluto). Então, finja por um segundo que seu circuito de alimentação está + 24v quente a um + 12v de terra, e isso pode fazer mais sentido, porque você visualiza um pouco de contrapressão em sua cabeça e realmente se concentra no fato de que a pressão relativa é o fator determinante. ponto.

Criamos mais consumo de energia em nossas turbinas usando tubos maiores e turbinas maiores com a mesma pressão, ou podemos aumentar a pressão nos tubos atuais. No entanto, a queda de pressão em nossas turbinas sempre permanecerá proporcional enquanto a água puder fluir.

Está tudo no campo elétrico. Portanto, se temos um circuito com dois resistores e conectamos uma bateria, um campo elétrico aparece passando de uma extremidade da bateria para a outra extremidade através dos dois resistores. Esta é a parte que viaja na velocidade da luz (no material). Este campo é afetado pelo material do fio e da resistência, e também pela largura do caminho, etc. Portanto, a força do campo em pontos diferentes é toda controlada pela resistência. Os elétrons no material reagem ao campo. A taxa na qual eles se movem é controlada pela força do campo, e isso é definido pelos valores das resistências. Assim, os elétrons se movem na taxa prevista porque o campo que os está controlando é ele próprio controlado pelos resistores.

Espero que isto seja o que você estava procurando,

Eu também gosto de pensar nisso em uma analogia da água, mas mais fácil. Funciona assim:

Pense em um tubo, onde os diâmetros de seções diferentes são diferentes. Quanto maior o diâmetro, mais água pode fluir. Resistências com valores mais altos funcionarão como tubos de menor diâmetro, permitindo menos fluxo de água.

Digamos que você tenha 2 resistências: 1k e 2k. O "tubo" de resistência de 2k tem cerca de metade do diâmetro do "tubo" de resistência de 1k. Se você fornecer uma boa saída de água entre eles (ou seja, a linha de tensão dividida), muita água passará por ela, mas não toda. Um pouco da água ainda passará pelo "tubo" de 1k, pois há espaço nele se estiver vazio. Quanto? aproximadamente 1/3 da água poderá usar o tubo 1k na mesma quantidade de tempo que 2/3 estiver escapando através do tubo divisor de tensão. Portanto, em termos de potencial, você terá aproximadamente 2 / 3V passando pelo divisor. Tudo depende de quanta água entra (por causa da primeira resistência) e quanta água pode sair para o solo (por causa da segunda resistência).

De qualquer maneira, o potencial acabará nas duas extremidades, porque isso é obrigatório, mas no meio você terá o potencial que conseguiu escapar por essa rota, o que foi muito mais tentador do que a outra rota.

Não tenho certeza se a analogia é 100% precisa, mas este é um modelo mental ... ele realmente não precisa ser preciso, apenas expressivo :)