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

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

Un mejor modelo para un motor eléctrico de CC es que existe 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 de la serie sea menor. El sistema entonces se ve como:

^{simular este circuito : esquema creado usando 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 un poco de matemáticas,

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

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

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

Note que \ $ V_ {emf} \ $ es diferente entre los dos. Esto se debe a que \ $ V_ {emf} \ $ es aproximadamente proporcionalmente lineal a la velocidad de giro del motor. Debería haber observado que el motor gira más rápido cuando está conectado a la fuente de alimentación de 5V.

Además, la forma en que los multímetros miden la corriente es mediante la introducción de una serie de resistencia en derivación y la medición del 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 correlacionados exactamente. Es más difícil hacer este análisis, pero es posible si conoce la resistencia de la serie. Esto se cita a veces como un "voltaje de carga" a una corriente de prueba nominal y puede usar la ley de Ohm para recuperar la resistencia de la derivación.

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

Si configura su medidor en el rango de corriente más alto, utilizará la menor resistencia de derivación, 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 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 3.18 V, 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 decía 2.9V, lo que me sorprendió porque aparentemente había desaparecido 0.28V. Los cables de la batería a la bomba solo tienen un par de centímetros de largo, por lo que parece mucho voltaje que perder en esos cables cortos.

Las baterías (y algunas otras fuentes de voltaje) pueden producir un voltaje más alto que lo normal si no hay carga conectada. El voltaje nominal de una batería AA es de 1.5 V, por lo que su segunda medición es en realidad más cercana al 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 sobre 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 de la cantidad de corriente que se extrae, variando de 1.1 a 1.3 V. " La caída de voltaje a través de sus cables debe ser cercana a 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 de los 2.9V medidos en la bomba. ¿Cómo es esto posible?

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

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

Esta corriente se denomina corriente de bloqueo, y es lo que cabría esperar si la bomba estuviera atascada. En ese caso, la única carga de las baterías es la resistencia del cableado de la bomba. Cuando la bomba se está moviendo, debe considerar el EMF posterior. La corriente tampoco será constante.

  

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

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

  

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

Los multímetros afectan el circuito al que están conectados. Tendrías 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. (De todos modos, esa es mi suposición, como dije, depende del medidor).

  

Aparentemente, me estoy perdiendo 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 llaman materiales óhmicos. ¡Muy pocos dispositivos reales se pueden modelar como resistencias simples, incluso en circunstancias normales! (En frecuencias altas, las resistencias (físicas) incluso dejan de ser resistencias (teoría del circuito), pero por ahora le ahorraré esos detalles. :-))

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

1. Ley de voltaje de Kirchoff: la suma de los voltajes alrededor de un bucle cerrado debe ser igual a cero.
2. Ley de corriente de Kirchoff: la suma de las corrientes que entran y salen de un nodo de circuito debe ser igual a cero.
3. Conservación de 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.

  

Usando el multímetro para leer el voltaje de la batería (sin nada conectado) obtuve 3.18 V, 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 decía 2.9V, lo que me sorprendió porque aparentemente desaparecieron 0.28V.

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?

^{simular este circuito : esquema creado usando 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 \ $):

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

Enlapráctica,loscablestienenciertaresistencia,porloqueenrealidadnoterminamoscreandounasingularidaddefindeuniverso.¿Quépasasielcableesbastantecortoygrueso,ytieneunaresistenciade0.0001Ω?

$$I=\frac{3\:\mathrmV}{0.0001\:\Omega}=30000\:\mathrmA$$

Wowesoesmuchacorriente.Esperoqueesecablesevaporiceenuninstante.

Porsupuesto,estonoesloquerealmentesucede.Lasbateríasrealestienen resistencia interna , que es una suma de la resistencia real de las partes metálicas de ellas y la conductividad finita de las electrolitos en ellos, y propiedades químicas que limitan la velocidad de la reacción que ocurre en las baterías que les permite 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 marcha usted mide 2.9V y 0.19A. Entonces:

^{simular este circuito}

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

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

  

Finalmente, medí la resistencia de la bomba, que fue de 3.5 ohmios

Esto es no una aplicación para la ley de Ohm. La ley de Ohm se aplica solo a los resistores. No se aplica a:

• motores
• diodos
• transistores
• condensadores
• inductores
• luces de luz fluorescentes

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

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 mide con su multímetro.     

Cada batería tiene una resistencia interna que hace que caiga algo de voltaje a través de ella. Por eso ve esta diferencia (3.18V a 2.9V). No puede confiar en la resistencia del motor. Variará con muchos factores.

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 a través de él. Esto se debe a que el Vemf depende de la velocidad de rotación.

Si el motor está perfectamente sin pérdidas, no consumirá corriente (y, por lo tanto, potencia) una vez que esté en velocidad.

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