Паралельне і послідовне з'єднання провідників

1. визначення
2. Використання паралельного і послідовного з'єднання провідників
3. Закони Ома і Кірхгофа стосовно до послідовного і паралельного з'єднання провідників
4. Порахувати опору елементів при послідовному і паралельному з'єднанні

Паралельне і послідовне з'єднання провідників - способи комутації електричного кола. Електричні схеми будь-якої складності можна уявити за допомогою зазначених абстракцій.

визначення

Існує два способи з'єднання провідників, стає можливим спростити розрахунок ланцюга довільної складності:

• Кінець попереднього провідника з'єднаний безпосередньо з початком наступного - підключення називають послідовним. Утворюється ланцюжок. Щоб включити чергова ланка, потрібно електричну схему розірвати, вставивши туди новий провідник.
• Почала провідників з'єднані однією точкою, кінці - інший, підключення називається паралельним. Зв'язку прийнято називати розгалуженням. Кожен окремий провідник утворює гілка. Загальні точки називаються вузлами електричної мережі.

На практиці частіше зустрічається змішане включення провідників, частина з'єднана послідовно, частина - паралельно. Потрібно розбити ланцюг простими сегментами, вирішувати завдання для кожного окремо. Як завгодно складну електричну схему можна описати паралельним, послідовним з'єднанням провідників. Так робиться на практиці.

Комутація електричного кола

Використання паралельного і послідовного з'єднання провідників

Терміни, що застосовуються до електричних ланцюгів

Теорія виступає базисом формування міцних знань, мало хто знає, чим напруга (різниця потенціалів) відрізняється від падіння напруги. У термінах фізики внутрішньої ланцюгом називають джерело струму, що знаходиться поза - іменується зовнішньої. Розмежування допомагає правильно описати розподіл поля. Струм здійснює роботу. У найпростішому випадку генерація тепла відповідно до закону Джоуля-Ленца. Заряджені частинки, пересуваючись в сторону меншого потенціалу, стикаються з кристалічною решіткою, віддають енергію. Відбувається нагрів опорів.

Для забезпечення руху потрібно на кінцях провідника підтримувати різницю потенціалів. Це називається напругою ділянки ланцюга. Якщо просто помістити провідник в поле уздовж силових ліній, ток потече, буде дуже короткочасним. Процес завершиться настанням рівноваги. Зовнішнє поле буде врівноважено власним полем зарядів, протилежним напрямком. Струм припиниться. Щоб процес став безперервним, потрібна зовнішня сила.

Таким приводом руху електричного кола виступає джерело струму. Щоб підтримувати потенціал, всередині відбувається робота. Хімічна реакція, як у гальванічному елементі, механічні сили - генератор ГЕС. Заряди всередині джерела рухаються в протилежну полю сторону. Над цим відбувається робота сторонніх сил. Можна перефразувати наведені вище формулювання, сказати:

• Зовнішня частина ланцюга, де заряди рухаються, що захоплюються полем.
• Внутрішня частина ланцюга, де заряди рухаються проти напруженості.

Генератор (джерело струму) забезпечений двома полюсами. Він володіє меншим потенціалом називається негативним, інший - позитивним. У разі змінного струму полюси безперервно міняються місцями. Мінливо напрямок руху зарядів. Струм тече від позитивного полюса до негативного. Рух позитивних зарядів йде в напрямку зменшення потенціалу. Згідно з цим фактом вводиться поняття падіння потенціалу:

Падінням потенціалу ділянки ланцюга називається спад потенціалу в межах відрізка. Формально це напруга. Для гілок паралельної ланцюга однаково.

Під падінням напруги розуміється і щось інше. Величина, що характеризує теплові втрати, чисельно дорівнює добутку струму на активний опір ділянки. Закони Ома, Кірхгофа, розглянуті нижче, формулюються для цього випадку. В електричних двигунах, трансформаторах різниця потенціалів може значно відрізнятися від падіння напруги. Останнє характеризує втрати на активному опорі, тоді як перше враховує повну роботу джерела струму.

Тут пояснимо: частина енергії перетворюється в магнітний потік або хімічну взаємодію, ланцюг на ділянці не можна вважати послідовною. Є розгалуження, внаслідок наявності реактивної складової імпедансу, або інших сил. Обмотка двигуна наділена яскраво вираженим індуктивним опором, за допомогою якого відбувається передача магнітного поля для здійснення роботи. Потужність зсувається по фазі, частина йде на виділення тепла. На практиці вважається паразитних явищем. Закони послідовного і зовнішнього з'єднання провідників у фізиці формулюються для найпростіших випадків. Постійним називають струм одного напрямку, незмінною амплітуди, інженери під цим розуміють випрямлена напруга.

При рішення фізичних завдань для спрощення двигун може включати до свого складу ЕРС, напрямок дії якої протилежно ефекту джерела живлення. Враховується факт втрати енергії через реактивну частину імпедансу. Шкільний і вузівський курс фізики відрізняється відірваністю від реальності. Ось чому студенти, розкривши рот, слухають про явища, що мають місце в електротехніці. У період, що передує епосі промислової революції, відкривалися головні закони, вчений повинен об'єднувати роль теоретика і талановитого експериментатора. Про це відкрито говорять передмови до праць Кирхгофа (роботи Георга Ома на російську мову не перекладені). Викладачі буквально залучали народ додатковими лекціями, присмаченими наочними, дивовижними експериментами.

Електричний ланцюг

Закони Ома і Кірхгофа стосовно до послідовного і паралельного з'єднання провідників

Для вирішення реальних завдань використовуються закони Ома і Кірхгофа. Перший виводив рівність чисто емпіричним шляхом - експериментально - другий почав математичним аналізом завдання, потім перевірив здогади практикою. Наведемо деякі відомості, що допомагають вирішенню завдання:

1. У трактаті про математичному дослідженні гальванічних ланцюгів Георг Ом: ток при послідовному з'єднанні провідників однаковий. Магнітна стрілка в кожній ділянці ланцюга відхилялася в дослідах на фіксований кут. Відкриттю закону Ома передувала доповідь Ерстеда про дію провідника зі струмом на морський компас. Силу струму прийнято було характеризувати відхиленням магнітної стрілки від початкового положення. Для більшої певності Ом мав перед досвідом в напрямку Земної меридіана.
2. У вузлі паралельної електричного кола струм розгалужується. Правило отримав Кірхгоф, досліджуючи проходження електрики через металеву круглу пластину, прагнучи отримати узагальнену формулу для всіх випадків. Задумане вдалося, побічним продуктом стали два закони Кірхгофа, один говорить: сума струмів вузла ланцюга дорівнює нулю. Вхідні беруться з одним знаком, вихідні - з іншим.
3. Другий закон Кірхгофа допоможе аналізувати послідовний ланцюг. Стверджує: в замкнутому (читай - послідовному) контурі сума падінь напруг дорівнює сумі ЕРС. Нагадуємо, ток в кожній точці постійний (див. Вище). ЕРС - джерела струму, поле направлено протилежно іншої частини ланцюга, яку прийнято називати зовнішньої. На законі грунтується факт використання послідовного включення батарейок з підсумовуванням ефекту по напрузі. Дві таблетки 1,5 В, будучи включені, дають 3 вольта. В послідовного ланцюга напруга складається.

   закон Кірхгофа

4. Останнє правило чи потребує доказів. Стверджує: напруга на гілках ланцюга з обома загальними вузлами однаково. Факт легко усвідомити на прикладі подовжувача для перенесення. Скільки б приладів туди ні включили, мережеве напруга залишиться колишнім. Тому не знаходимо за потрібне приводити аксіомі доказів. Просунуті користувачі помітять: напруга реального джерела падає при перевантаженні, заперечимо: допустимі норми контролюються пробками розподільного щитка.

Порахувати опору елементів при послідовному і паралельному з'єднанні

Алгоритм розрахунку реальних ланцюгів простий. Наведемо деякі тези щодо даної тематики:

1. При послідовному включенні підсумовуються опору, при паралельному - провідності:
   1. Для резисторів закон переписується в незмінній формі. При паралельному з'єднанні підсумкове опір дорівнює добутку вихідних, поділеній на загальну суму. При послідовному - номінали підсумовуються.
   2. Індуктивність виступає реактивним опором (j * ω * L), веде себе, як звичайний резистор. У плані написання формули нічим не відрізняється. Нюанс, для будь-якого чисто мнимого імпедансу, що потрібно помножити результат на оператор j, кругову частоту ω (2 * Пі * f). При послідовному з'єднанні котушок індуктивності номінали підсумовуються, при паралельному - складаються зворотні величини.
   3. Уявне опір ємності записується у вигляді: -j / ω * С. Легко помітити: складаючи величини послідовного з'єднання, отримаємо формулу, в точності як для резисторів і індуктивностей було при паралельному. Для конденсаторів все навпаки. При паралельному включенні номінали складаються, при послідовному - підсумовуються зворотні величини.

Тези легко поширюються на довільні випадки. Падіння напруги на двох відкритих кремнієвих діодах дорівнює сумі. На практиці становить 1 вольт, точне значення залежить від типу напівпровідникового елемента, характеристик. Аналогічним чином розглядають джерела живлення: при послідовному включенні номінали складаються. Паралельне часто зустрічається на підстанціях, де трансформатори ставлять рядком. Напруга буде одне (контролюються апаратурою), діляться між гілками. Коефіцієнт трансформації строго дорівнює, блокуючи виникнення негативних ефектів.

У деяких викликає утруднення випадок: дві батарейки різного номіналу включені паралельно. Випадок описується другим законом Кірхгофа, ніякої складності уявити фізику не може. При нерівності номіналів двох джерел береться середнє арифметичне, якщо знехтувати внутрішнім опором обох. В іншому випадку вирішуються рівняння Кірхгофа для всіх контурів. Невідомими будуть струми (всього три), загальна кількість яких дорівнює кількості рівнянь. Для повного розуміння привели малюнок.

Приклад рішення рівнянь Кірхгофа

Подивимося зображення: за умовою задачі, джерело Е1 сильніше, ніж Е2. Напрямок струмів в контурі беремо з здорових міркувань. Але якби проставили неправильно, після рішення задачі один вийшов би з негативним знаком. Варто було тоді змінити напрямок. Очевидно, у зовнішній ланцюга струм тече, як показано на малюнку. Складаємо рівняння Кірхгофа для трьох контурів, ось що слід:

1. Робота першого (сильного) джерела витрачається на створення струму в зовнішньому ланцюзі, подолання слабкості сусіда (струм I2).
2. Друге джерело не робить корисної роботи в навантаженні, бореться з першим. Інакше не скажеш.

Включення батарейок різного номіналу паралельно є безумовно шкідливим. Що спостерігається на підстанції при використанні трансформаторів з різними передавальним коефіцієнтом. Зрівняльні струми не виконують ніякої корисної роботи. Включені паралельно різні батарейки почнуть ефективно функціонувати, коли сильна просяде до рівня слабкою.