Последовательное соединение проводников
Введение
В электрических цепях нередко требуется соединить несколько проводников, чтобы получить нужное сопротивление или распределить электрическую энергию между несколькими элементами. Например, при соединении нескольких лампочек в гирлянде или при подключении резисторов в измерительных схемах. Один из основных способов соединения — последовательное соединение проводников.
Понимание принципов такого соединения помогает объяснить, как изменяется сила тока, напряжение и общее сопротивление цепи. Эти знания важны для правильного построения электрических цепей, проведения измерений и обеспечения безопасной работы электрических устройств.
Сопротивления в электрической цепи
Каждый проводник, через который проходит электрический ток, оказывает ему сопротивление. Если в цепь включено несколько проводников, общее сопротивление зависит от способа их соединения. При последовательном соединении проводников сопротивления складываются, так как электрический ток должен пройти через каждый из них по очереди.
Такое соединение можно представить как цепочку элементов, через которые ток течёт один за другим, не имея ответвлений.
Электрическая схема последовательного соединения проводников
При последовательном соединении проводники соединяются так, что конец первого соединяется с началом второго, конец второго — с началом третьего, и так далее.
Электрическая схема такого соединения может быть изображена следующим образом:
Здесь R₁, R₂, R₃ — сопротивления отдельных проводников.
Через все элементы цепи течёт один и тот же ток, потому что электроны не имеют других путей для движения. Однако напряжение на разных участках цепи может быть различным — оно распределяется между элементами в зависимости от их сопротивления.
Измерения силы тока и напряжения в цепи при последовательном соединении
При последовательном соединении сила тока во всех участках цепи одинакова:
I₁ = I₂ = I₃ = I
Это объясняется тем, что электрический заряд не может накапливаться в каком-либо участке цепи — всё, что выходит из одного проводника, должно войти в другой.
Напряжение же распределяется по элементам цепи в зависимости от их сопротивлений.
Общее напряжение на всей цепи равно сумме напряжений на каждом элементе:
U = U₁ + U₂ + U₃
Для измерения силы тока используется амперметр, который включается последовательно с элементами цепи.
Для измерения напряжения — вольтметр, который подключается параллельно тому участку, на котором нужно определить напряжение.
Эквивалентное сопротивление последовательно соединённых проводников
Эквивалентным сопротивлением называют такое сопротивление, которое можно поставить на место всей группы соединённых проводников, и сила тока в цепи останется прежней.
Для последовательного соединения выполняется простое правило:
R = R₁ + R₂ + R₃
где
R — общее (эквивалентное) сопротивление всей цепи,
R₁, R₂, R₃ — сопротивления отдельных проводников.
Из формулы видно, что общее сопротивление всегда больше сопротивления любого из отдельных элементов. Это означает, что при последовательном соединении ток в цепи становится меньше, чем при подключении одного проводника.
Пример:
Если три проводника имеют сопротивления 2 Ом, 4 Ом и 6 Ом, то их общее сопротивление при последовательном соединении составит:
R = 2 + 4 + 6 = 12 Ом.
Пример практического применения
Последовательное соединение используется, когда нужно распределить напряжение или ограничить силу тока.
-
В новогодних гирляндах лампочки часто соединяются последовательно: при большом количестве ламп общее сопротивление увеличивается, и каждая лампочка получает меньшее напряжение.
-
В измерительных приборах последовательное соединение применяется для регулировки чувствительности.
-
В лабораторных опытах это соединение удобно для демонстрации зависимости силы тока от общего сопротивления.
Однако у такого соединения есть недостатки: если один из элементов выйдет из строя (например, перегорит лампочка), то ток прекратится во всей цепи.
Вопросы для самопроверки
-
Что называется последовательным соединением проводников?
-
Почему при последовательном соединении сила тока одинакова во всех участках цепи?
-
Как распределяется напряжение между последовательно соединёнными проводниками?
-
Как записывается формула для определения общего сопротивления при последовательном соединении?
-
Что произойдёт с общим сопротивлением цепи, если добавить ещё один проводник последовательно?
-
Как включают амперметр и вольтметр при исследовании последовательного соединения?
-
Почему при последовательном соединении ток уменьшается с увеличением числа элементов?
-
Что произойдёт с работой всей цепи, если один из элементов перестанет проводить ток?
-
Приведите примеры применения последовательного соединения проводников в быту или технике.
-
Чем последовательное соединение отличается от параллельного (по поведению тока и напряжения)?