Последовательное и параллельное соединение проводников
На практике в основном используется два различных способа установки компонентов в схемах. В основном используют как последовательное соединение, так и как параллельное соединение различных проводников.
Сопротивление, как известно, характеризует свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока. Мы можем описать последовательное и параллельное соединение проводников с помощью различных моделей. Однако мы также можем использовать удельное сопротивление в качестве объяснения.
Мы знаем формулу для вычисления сопротивления проводника:
Из этой формулы видно, что чем длиннее проводник, тем больше сопротивление. При последовательном соединении проводники расположены один за другим, следовательно сопротивления складываются.
Из формулы выше также видно, что чем больше поперечное сечение проводника, тем меньше сопротивление. При параллельном соединении проводники расположены рядом друг с другом. Если мы совместим проводники в один большой, то это будет соответствовать большему поперечному сечению. Следовательно, согласно формулы выше, общее сопротивление при увеличении поперечного сечения уменьшится.
Последовательное и параллельное соединение проводников: калькулятор, пример
Последовательное соединение проводников
Последовательное соединение, каких-либо компонентов, например, резисторов в схеме выглядит приблизительно как на схеме ниже:
По аналогии с двумя последовательно соединенными проводниками, мы также можем нарисовать два «прямоугольника» один за другим. Прямоугольник удлиняется и вместе с ним увеличивается и сопротивление. Сопротивления складываются. Применяется следующая формула:
Если у нас N проводников, тогда формула для расчета общего сопротивления последовательно соединенных проводников следующая:
Rобщ = R1 + R2 + …. + RN , то есть общее сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных проводников.
Согласно схемы видно, что электрический ток протекает сначала через первый проводник, а от него непосредственно к следующему и всем последующим. Правила расчета электрического тока I и напряжения U для проводников R1 — RN выглядят следующим образом:
Электрический ток остается неизменным, так как все электроны, протекающие через первый проводник, должны также протекать через второй, третий и все последующие проводники. Поэтому электрический заряд в электрической цепи с последовательным соединением не изменяется.
Напряжение пропорционально сопротивлению, иначе формула из закона Ома для участка цепи — R = U / I не выполнялась бы. Поэтому мы помним: U= R * I также применимо и здесь. Для электрической цепи с последовательным соединением проводников это означает, что чем больше сопротивление проводника, тем больше на нем падает напряжение.
Смешанное соединение и сложные электрические цепи
Частым явлением в электрических цепях считается соединение смешанного типа (то есть комбинирование параллельного и последовательного соединений).
Если, например, взять 3 прибора, то возможными будут два варианта смешанного соединения. В первом случае мы наблюдаем соединение двух приборов параллельным образом при последовательном подключении к ним третьего.
При условии большего количества приборов, схемы смешанного соединения будут более сложными. Иногда встречаются также усложненные цепи, содержащие несколько ЭДС-источников.
Для расчета сложных цепей применяются различные методики. Наиболее распространенной считается методика, основанная на применении второго закона Кирхгофа. В наиболее общем формате закон сформулирован таким образом: в каком-либо замкнутом контуре алгебраическая сумма ЭДС будет равнозначной такого же типа сумме падений напряжений.
Алгебраическая сумма берется по той причине, что ЭДС, действующие встречным образом в отношении друг друга, или созданные противоположно направленными токами напряжения будут иметь разные знаки.
Готовые работы на аналогичную тему
При расчетах сложной цепи в большинстве примеров бывают известными сопротивления отдельных участков цепи и ЭДС, включенных источников. Для нахождения токов следует (на основе второго закона Кирхгофа) составить уравнения (для замкнутых контуров), в которых токи будут считаться неизвестными величинами.
К таким уравнениям также добавляются уравнения для точек разветвления, составленные по принципу первого закона Кирхгофа. При решении такой системы уравнений определяются токи. В случае с более сложными цепями, подобный метод будет достаточно громоздким, что обусловлено наличием большого числа неизвестных.
Параллельное и смешанное соединение резисторов: разные способы подключения сопротивления
Смешанное соединение резисторов
Резистор считается устройством со стабильным значением сопротивления, что позволяет производить регулирование параметров на любых участках электроцепи. Существуют определенные разновидности соединений, к которым, в том числе, будет относиться и соединение смешанного типа для резисторов.
Схеме смешанного соединения будут присущи свойства схем последовательного и параллельного соединений резисторов. В таком случае элементы будут частично подключены последовательным способом, а частично – параллельным.
В качестве примера, можно привести схему с последовательным включением резисторов $R_1$ и $R_2$ и при этом параллельным подключением $R_3$. $R_4$.
В свою очередь резистор $R_4$ включается последовательно с предыдущей группой резисторов $R_1$, $R_2$ и $R_3$. Расчет сопротивления для такой цепи будет сопряженным с определенными трудностями. Актуальным здесь будет использование метода преобразования, основанного на последовательном преобразовании (поэтапно) сложной цепи в простейшую за несколько этапов:
Сопротивление резисторов $R_$, включенных параллельно, определяется по формуле:
На последнем этапе рассчитывается эквивалентное сопротивление всей цепи путем суммирования полученных данных $R_$ и сопротивления $R_4$, включенного последовательно с ним:
В заключение важно отметить присущие смешанному типу соединения резисторов положительные и отрицательные качества последовательного и параллельного соединений. Такое свойство успешно применяется на практике с электрическими схемами.
Примеры расчетов
В качестве практических примеров можно рассмотреть несколько вариантов расчетов параметров цепи в разных схемах соединения.
Для резисторов
Самым простым примером расчета будет цепь из двух сопротивлений – 10 Ом и 100 Ом, соединенных в цепочку. К цепи приложено 12 вольт.
Если соединить эти же два резистора параллельно и подать то же самое напряжение, то параметры распределятся по-другому.
Сначала надо определить Rобщ=R1*R2/(R1+R2)=110*10/(110+10)=1100/120=9,17 Ом (меньше наименьшего значения в 10 Ом). Общий ток составит I=U/Rобщ=12/9,17=1,31 ампер. Через первый элемент потечет I1=U/R1=12/10=1,2 ампер, через второй I2=U/R2=12/100=0,12. Очевидно, что I1+I2=I (с учетом погрешностей округления). Мощности потребуются такие:
Если имеется смешанное соединение элементов, надо сначала преобразовать схему к однотипному виду – параллельному или последовательному. Пусть имеется схема следующего вида.
В данном случае удобно заменить параллельную сборку R1 и R2 на резистор с эквивалентным сопротивлением R12, а R3 и R4 – на R34. Сначала находится R12=R1*R2/(R1+R2)=9,17 Ом. Тем же способом рассчитывается R34=150*5/(150+5)=4,8 Ом. Тогда общее сопротивление эквивалентной цепи будет равно R12+R34=9,17+4,8=13,97 Ом.
Отсюда I=U/R=12/13,97=0,86 ампер. На “гирлянде» R1R2 падает U12=I*R12=0,86*9,17=7,87 вольт, а на R3R4 падение составит U34= I*R34=0,86*4,8=4,13 вольт. Дальше надо вернуться к исходной схеме и рассмотреть отдельно участок схемы R1R2 с найденными параметрами.
Аналогично рассчитывается и участок, содержащий элементы R3R4.
Для лампочек
