Последовательное и параллельное соединение проводников

Содержание:

Последовательное соединение проводников

Проводники в электрических цепях могут соединяться как последовательным, так и параллельным способами.

Определение 1

В условиях последовательного соединения проводников (рис. 1.9.1) сила тока во всех проводниках одинакова:

I1 =I2=I.

Рисунок 1.9.1. Последовательное соединение проводников.

Опираясь на закон Ома, можно заявить, что напряжения U1 и U2 на проводниках равняются следующим выражениям:

U1=IR1, U2=IR2.

Общее напряжение U на обоих проводниках эквивалентно сумме напряжений U1 и U2:

U=U1+U2=I(R1+R2)=IR,

где R является электрическим сопротивлением всей цепи.

Из этого следует, что общее сопротивление R равняется сумме сопротивлений на входящих в данную цепь отдельных проводников:

R=R1+R2.

Данный результат применим для любого количества последовательно соединенных проводников.

Теория последовательного соединения

Если подсоединить электрическим проводом полюса источника тока, в проводнике начнется движение электронов по электрической цепи: плюс-минус источника по электрическому проводнику. Если разорвать провод в нескольких местах и подсоединить в разрыв нагрузку, например, две или три электрические лампочки, то подобное соединение будет называться последовательным. Последовательное соединение – это когда нагрузка включена в один провод, без ответвлений, выход от одной нагрузки является началом для другой. При такой комбинации напряжение источника будет равняться его сумме на нагрузке. Сила тока распределиться по источникам нагрузки одинаково.
Это отличительная черта данной комбинации.

Последовательное и параллельное соединение проводников | 1

Практическое использование

Последовательно проводники соединяются если есть необходимость подключить несколько потребителей одним устройством включения. Классический пример включения гирлянды лампочек выключателем или кнопкой звонка и световой сигнализации. При замыкании контактов включением клавиши выключателя ток одновременно появляется на всех подключенных на этом проводе токоприемников.
Последовательное соединение является слишком прямолинейным и не может соответствовать всем необходимым потребностям. Включение освещения в жилых помещениях может иметь несколько ступеней, от подсветки до яркого верхнего света, раздельное включение в комнатах.
Включение различных нагрузок в производственных помещениях требует смешанного либо параллельной схемы соединения.

Плюсы и минусы последовательного соединения

Основными преимуществам электроцепей из последовательно соединенных приборов являются их следующие особенности:

простота проектирования и построения схемы;
низкая стоимость комплектации;
возможность подключения приборов, рассчитанных на меньшее рабочее напряжение, по сравнению с номинальным напряжением сети;
выполнение функции регулирования тока – обеспечивает равномерные нагрузки на все приборы.

Аккумуляторы соединенные последовательно

Однако у этого способа компоновки электросхемы есть и серьезные недостатки. Главным из них является ненадежность цепи из последовательно соединенных проводников. При выходе из строя любого из подключенных приборов, происходит отключение всей цепи.

Лампочки соединенные в цепь. Одна перегорела

Кроме того, минусом является снижение напряжения при увеличении количества подключенных потребителей. Примером может служить последовательное соединение нескольких ламп. Чем больше осветительных приборов подключено таким способом к источнику электропитания, тем менее яркий свет они будут давать.

Параллельное соединение проводников

Определение 2

В условиях параллельного соединения (рис. 1.9.2) напряжения U1 и U2 на обоих проводниках эквивалентны друг другу, из чего следует:

Будет интересно➡ Как подключить лампочку через выключатель и розетку?

U1=U2=U.

Совокупность существующих в обоих проводниках токов I1+I2 равняется значению тока в неразветвленной цепи, то есть:

I=I1 + I2.

Нужна помощь преподавателя?Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!Описать задание

Данный результат исходит из того, что заряды не могут копиться в точках разветвления, то есть в узлах A и B, цепи постоянного тока.

Пример 1

Так, например, узлу A за время Δt сообщается заряд IΔt, а уходит из узла за то же время зарядI1Δt+I2Δt. Таким образом, подтверждается выражение I=I1 + I2.

Рисунок1.9.2.Параллельное соединение проводников.

Опираясь на закон Ома, запишем для каждой ветви:

I1=UR1, I2=UR2, I=UR,

где R является электрическим сопротивлением всей цепи, получим

1R=1R1+1R2

Определение 3

В условиях параллельного соединения проводников обратная общему сопротивлению цепи величина, равняется сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

Полученный вывод может быть применим для любого количества включенных параллельно проводников.

Плюсы и минусы параллельного соединения

При использовании параллельного соединения проводников обеспечиваются такой набор преимуществ:

стабильность напряжения на электроприборах, вне зависимости от их числа;
возможность включения или отключения отдельных участков в нужный момент без нарушения работы всей электроцепи;
надежность – при выходе одного или нескольких компонентов из строя сама электроцепь продолжает сохранять работоспособность.

Аккумуляторы подключенные параллельно

Недостатком является более сложный расчет и сложная схема, использование которой повышает стоимость комплектации электросети.

Не допускается подключение приборов, с номинальным рабочим вольтажом меньше сетевого. Параллельное соединение аккумуляторов с разным значением вольтажа связано с перетеканием тока в АКБ с меньшей его величиной, что может вызывать ускоренный износ батареи.

Схема и формула последовательного соединения проводников

Последовательное соединение представляет собой замкнутый контур, при котором один конец провода контактирует с началом другого.

В данной электрической цепи могут находиться элементы:

гальванический элемент, химический источник электротока;
батарея, источник тока, блок питания;
соединительные провода;
ключ, его сопротивление принимает либо нулевое, либо бесконечное значение;
лампа накаливания, источник искусственного света;
резистор, обладает электрическим сопротивлением;
плавкий предохранитель, выполняет защитную функцию;
реостат, регулирует силу тока.

В электроприборах используются провода, состоящие из проводящей сердцевины и изоляции. При неверном расчете данных на практике случаются пробои изоляции. Это чревато травмами и порчей имущества.

Прежде чем соединять блоки в контур, необходимо тщательно рассчитывать параметры схемы, грамотно их соединять, используя законы электроники.

При поочередном включении все элементы соединяются друг за другом. Конец одного провода контактирует с началом следующего в контуре.

Элементарный пример электросхемы с подобным подключением:

блок питания, от «плюса» провод идет к лампе накаливания;
от лампы накаливания идет ко второй лампе;
от второй лампы тянется к ключу;
ключ соединяется с «минусом» блока питания

По всем элементам идет электроток. Если удалить одного участника, то остальные тоже перестанут работать, ведь контур будет разомкнут

Закономерности

В любой точке поочередной цепи значение силы тока идентично. В этом легко убедиться при помощи амперметра. Электродвижущая сила подчиняется закону Ома и равна отношению напряжения на сопротивление.

Каждый элемент оказывает сопротивление силе тока. При последовательном соединении данный показатель у разных элементов суммируется. Например, если в контуре подключены три резистора, то у каждого из них есть сопротивление R1, R2, R3, соответственно сопротивление R123=R1+R2+R3.

Чтобы определить напряжение на каждом из трех резисторах в выше приведенной схеме, нужно применить закон Ома. Если предположить, что R1=2 Ом, R2=3 Ом, R3=5 Ом, U=10 В, то электродвижущая сила в цепи I=U/R=10/(2+3+5)=10/10=1 А.

Будет интересно➡ Витая пара: категории, обжим, советы по работе

Продолжая применять закон Ома, легко определить значение U на каждом резисторе:

U1=IR1=1*2=2 В

U2=IR2=1*3=3 В

U3=IR3=1*5=5 В

Если суммировать эти значения, то получится напряжение сети 10 В. Можно сделать вывод, что при поочередном соединении сумма U на участках равняется напряжению питания.

Сферы применения последовательного соединения проводников

Благодаря закону Ома возникла возможность использования электродвижущей силы в целях человека. Поочередное подключение проводников широко используется в электроприборах за счет своей особенности – на всех участках провода значение тока одинаково. Соответственно, если на каком-то участке ток пропадает, то вся цепь становится обесточенной. В этом моменте заключается недостаток последовательного соединения. Однако, человек придумал, как превратить недостаток в преимущество.

Данное свойство применяют для защиты систем от перегрузок, размещая в ней предохранители.

Примеры применения последовательного подключения проводников:

новогодняя гирлянда;
защита системы от перегрузок;
для регулирования напряжения;
электрический звонок, звук появляется при удержании кнопки (при замыкании);
включатели на электроприборах.

Опытные электрики рекомендуют использовать мультиметр, амперметр для служебных измерений. При монтажных работах эти приборы позволяют мгновенно получать данные.

Работа электриков связана с опасностью удара током. Независимо от способа подключения присутствует опасность травмирования. Если в схеме имеется разрыв, его важно вовремя обнаружить, пока не случилось непоправимое.

При работе с высоким количеством вольт монтажники обязаны облачаться в спецодежду и обувь с толстой резиновой подошвой, защищающей от удара.

Поочередное подключение имеет недостаток. Если один участок нарушен, то вся схема обесточивается. Данное свойство научились использовать для защиты сетей от перегрузок. Если один из параметров резко возрастает, то срабатывает предохранитель, обесточивая контур. Прибор прекращает работу, оставаясь при этом исправным. Специалисту остается лишь провести небольшой ремонт по замене предохранителя. Данный способ применяется в бытовых приборах, в автотехнике, в профессиональных устройствах.

Смешанное соединение

Смешанное сединение проводников, как следует из названия, может являться совокупностью любых комбинаций последовательного и параллельного соединений, причём в состав этих соединений могут входить как отдельные резисторы, так и более сложные составные участки.

Расчёт смешанного соединения опирается на уже известные свойства последовательного и параллельного соединений. Ничего нового тут уже нет: нужно только аккуратно расчленить данную схему на более простые участки, соединённые последовательно или параллельно.

Рассмотрим пример смешанного соединения проводников (рис.)

Последовательное и параллельное соединение

Смешанное соединение

Пусть $U = 14$
В, $R_1 = 2$
Ом, $R_2 = 3$
Ом, $R_3 = 3$
Ом, $R_4 = 5$
Ом, $R_5 = 2$
Ом. Найдём силу тока в цепи и в каждом из резисторов.

Наша цепь состоит из двух последовательно соединённых участков $ab$
и $bc$
Сопротивление участка $ab$

$R_{ab}=frac{displaystyle R_1R_2}{displaystyle R_1+R_2 vphantom{1^a}}=frac{displaystyle 2 cdot 3}{displaystyle 2+3 vphantom{1^a}}=1,2$
Ом.

Участок $bc$
является параллельным соединением: два последовательно включённых резистора $R_3$
и $R_4$
подключены параллельно к резистору $R_5$
. Тогда:

$R_{bc} =frac{displaystyle (R_3 + R_4)R_5}{displaystyle (R_3 + R_4 vphantom{1^a}) + R_5}=frac{displaystyle (3 + 5) cdot 2}{displaystyle (3 + 5) + 2 vphantom{1^a}} = 1,6$
Ом.

Сопротивление цепи:

$R = R_{ab} + R_{bc} = 1,2 + 1,6 = 2,8$
Ом.

Теперь находим силу тока в цепи:

$I =frac{displaystyle U}{displaystyle R vphantom{1^a}}=frac{displaystyle 14}{displaystyle 2,8 vphantom{1^a}}= 5$
A.

Для нахождения тока в каждом резисторе вычислим напряжения на обоих участках:

$U_{ab} = IR_{ab} = 5 cdot 1,2 = 6$ <br>B;

$U_{bc} = IR_{bc} = 5 cdot 1,6 = 8$
B.

(Заметим попутно, что сумма этих напряжений равна $14$
В, т. е. напряжению в цепи, как и должно быть при последовательном соединении.)

Оба резистора $R_1$
и $R_2$
находятся под напряжением $U_{ab}$
, поэтому:

$I_1=frac{displaystyle U_{ab}}{displaystyle R_1 vphantom{1^a}}=frac{displaystyle 6}{displaystyle 2 vphantom{1^a}}=3$ <br>A;

$I_2=frac{displaystyle U_{ab}}{displaystyle R_2 vphantom{1^a}}=frac{displaystyle 6}{displaystyle 3 vphantom{1^a}}=2$
A.

(В сумме имеем $5$
А, как и должно быть при параллельном соединении.)

Будет интересно➡ Двухполупериодный выпрямитель что такое?

Сила тока в резисторах $R_3$
и $R_4$
одинакова, так как они соединены последовательно:

$I_3=I_4=frac{displaystyle U_{bc}}{displaystyle R_3+R_4 vphantom{1^a}}=frac{displaystyle 8}{displaystyle 3+5 vphantom{1^a}}=1$
А.

Стало быть, через резистор $R_5$
течёт ток $I_5 = I - I_3 = 5 - 1 = 4$
A.

Законы последовательного и параллельного соединения проводников

Для детального понимания на практике обоих типов соединений, приведем формулы, объясняющие законы данных типов соединений. Расчет мощности при параллельном и последовательном типе соединения отличается.

При последовательной схеме имеется одинаковая сила тока во всех проводниках:

I = I1 = I2.

Согласно закону Ома, данные типы соединений проводников в разных случаях объясняются иначе. Так, в случае последовательной схемы, напряжения равны друг другу:

U1 = IR1, U2 = IR2.

Помимо этого, общее напряжение равно сумме напряжений отдельно взятых проводников:

U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR.

Полное сопротивление электроцепи рассчитывается как сумма активных сопротивлений всех проводников, вне зависимости от их числа.

В случае параллельной схемы совокупное напряжение цепи аналогично напряжению отдельных элементов:

U1 = U2 = U.

А совокупная сила электротока рассчитывается как сумма токов, которые имеются по всем проводникам, расположенным параллельно:

I = I1 + I2.

Чтобы обеспечить максимальную эффективность электрических сетей, необходимо понимать суть обоих типов соединений и применять их целесообразно, используя законы и рассчитывая рациональность практической реализации.

Применение параллельного и последовательного соединения в электротехнике

Параллельное соединение активно применяется для монтажа проводки и цепей в различных видах электрического оборудования и приборов. Оно дает возможность подключить электрические устройства к электросети независимо друг от друга.

Подключенные электроприборы и лампочки в квартире по разной схеме подключения

Последовательное соединение используют, когда нужно обеспечить включение и отключение определенных приборов. Именно по этой схеме подсоединяются выключатели и тумблеры. Также схема хорошо подходит в тех случаях, когда необходимо сформировать электроцепь из потребителей с малым значением номинального напряжения.

Простая схема подключения с тумблером

При параллельном соединении конденсаторов совокупная емкость равняется сумме емкостей каждого полупроводника. В случае применения последовательного соединения конденсаторов, результирующая емкость уменьшается вдвое. Это свойство также используется при формировании электроцепей.

Способы соединения резисторов, решение задачи смешанного соединения проводников: видео

Формула для вычисления напряжения

При данном виде соединения все линии будут находиться в двух точках. Потому напряжение для всех резисторов будет равным.

Вам это будет интересно Расчет эквивалентного сопротивления

При подсоединении двух и более приборов друг с другом, напряжение на выводах такой схемы — это показатель на каждом резисторе.

Напряжения условно обозначаются как U. По закону Ома, зная, что I = U/R, можно рассчитать по формуле:

U = U1 = U2 = … = Uобщ.

Обратите внимание! Помимо вычисления напряжения, рекомендуется знать мощность проводников. Они не должны сильно отличаться друг от друга. Параллельное соединение также можно встретить в лампочках, кабелях сигнализации автомобиля, фарах и прочем.

Также иногда можно встретить смешанный вид подключения. Это когда в цепи применяется два типа подключения, и параллельное, и последовательное. Оно чаще всего используется в контурных обогревателях.

Желательно изучить каждый вид подключения и схемы к ним. Профессиональные электрики рекомендует не выполнять подключений самостоятельно, если у человека совсем нет опыта в этой сфере. Так как в цепи может случиться короткое замыкание или возгорание, в лучшем случае выход из строя прибора.

Последовательное и параллельное соединение
Определение мощности на примере ламп

В заключении необходимо отметить, каждому человеку желательно знать свойства последовательного и параллельного соединения проводников. Чтобы в будущем не путаться при выполнении простых работ в электрике своего дома.

РазноеЭлектромагнитное излучение – невидимый убийца.

РазноеКак правильно соединить провода между собой