На уроке рассматривается параллельное соединение проводников. Изображается схема такого соединения, показывается выражение для вычисления силы тока в такой цепи. Также вводится понятие эквивалентного сопротивления, находится его значение для случая параллельного соединения.
Соединения проводников бывают различные. Они могут быть параллельными, последовательными и смешанными. На данном уроке мы рассмотрим параллельное соединение проводников и понятие эквивалентного сопротивления.
Параллельным соединением проводников называется такое соединение, при котором начала и концы проводников соединяются вместе. На схеме такое соединение обозначается следующим образом (рис. 1):
Рис. 1. Параллельное соединение трех резисторов
На рисунке изображены три резистора (прибор, основанный на сопротивлении проводника) с сопротивлениями R1, R2, R3. Как видим, начала этих проводников соединены в точке А, концы - в точке Б, а расположены они параллельно друг другу. Также в цепи может быть большее количество параллельно соединенных проводников.
Теперь рассмотрим следующую схему (рис. 2):
Рис. 2. Схема для исследования силы тока при параллельном соединении проводников
В качестве элементов цепи мы взяли две лампы (1а, 1б). Они также имеют свое сопротивление, поэтому мы их можем рассматривать наравне с резисторами. Эти две лампы соединены параллельно, соединяются они в точках А и Б. К каждой лампе подсоединен свой амперметр: соответственно, А 1 и А 2 . Также есть амперметр А 3 , который измеряет силу тока во всей цепи. В цепь еще входит источник питания (3) и ключ (4).
Замкнув ключ, мы будем следить за показаниями амперметров. Амперметр А 1 покажет силу тока, равную I 1 , в лампе 1а, амперметр А 2 - cилу тока, равную I 2 , в лампе 1б. Что же касается амперметра А 3 , то он покажет силу тока, равную сумме токов в каждой отдельной взятой цепи, соединенных параллельно: I = I 1 + I 2 . То есть, если сложить показания амперметров А 1 и А 2 , то получим показания амперметра А 3 .
Стоит обратить внимание, что если одна из ламп перегорит, то вторая будет продолжать работать. При этом весь ток будет проходить через эту вторую лампу. Это очень удобно. Так, например, электроприборы в наших домах включаются в цепь параллельно. И если один из них выходит из строя, то остальные остаются в рабочем состоянии.
Рис. 3. Схема для нахождения эквивалентного сопротивления при параллельном соединении
На схеме рис. 3 мы оставили один амперметр (2), но добавили в электрическую цепь вольтметр (5) для измерения напряжения. Точки А и Б являются общими и для первой (1а), и для второй лампы (1б), а значит, вольтметр измеряет напряжение на каждой из этих ламп (U 1 и U 2) и во всей цепи (U). Тогда U = U 1 = U 2 .
Эквивалентным сопротивлением называется сопротивление, которое может заменить все элементы, входящие в данную цепь. Посмотрим, чему же оно будет равно при параллельном соединении. Из закона Ома можно получить, что:
В данной формуле R - эквивалентное сопротивление, R 1 и R 2 - сопротивление каждой лампочки, U = U 1 = U 2 - напряжение, которое показывает вольтметр (5). При этом мы используем то, что сумма токов в каждой отдельной цепи равна общей силе тока (I = I 1 + I 2). Отсюда можно получить формулу для эквивалентного сопротивления:
Если в цепи будет больше элементов, соединенных параллельно, то и слагаемых будет больше. Тогда придется вспомнить, как работать с простыми дробями.
Стоить отметить, что при параллельном соединении эквивалентное сопротивление будет достаточно малым. Соответственно, сила тока будет достаточно большой. Это стоит учитывать при включении в розетки большого количества электрических приборов. Ведь тогда сила тока возрастет, что может привести к перегреванию проводов и пожарам.
На следующем уроке мы рассмотрим другой тип соединения проводников - последовательное.
Список литературы
Домашнее задание
Во всех электрических схемах используются резисторы, представляющие собой элементы, с точно установленным значением сопротивления. Благодаря специфическим качествам этих устройств, становится возможной регулировка напряжения и силы тока на любых участках схемы. Данные свойства лежат в основе работы практически всех электронных приборов и оборудования. Так, напряжение при параллельном и последовательном соединении резисторов будет отличаться. Поэтому каждый вид соединения может применяться только в определенных условиях, чтобы та или иная электрическая схема могла в полном объеме выполнять свои функции.
При последовательном соединении два резистора и более соединяются в общую цепь таким образом, что каждый из них имеет контакт с другим устройством только в одной точке. Иначе говоря, конец первого резистора соединяется с началом второго, а конец второго - с началом третьего и т.д.
Особенностью данной схемы является прохождение через все подключенные резисторы одного и того же значения электрического тока. С возрастанием количества элементов на рассматриваемом участке цепи, течение электрического тока становится все более затрудненным. Это происходит из-за увеличения общего сопротивления резисторов при их последовательном соединении. Данное свойство отражается формулой: R общ = R 1 + R 2 .
Распределение напряжения, в соответствии с законом Ома, осуществляется на каждый резистор по формуле: V Rn = I Rn x R n . Таким образом, при увеличении сопротивления резистора, возрастает и падающее на него напряжение.
При параллельном соединении, включение резисторов в электрическую цепь выполняется таким образом, что все элементы сопротивлений подключаются друг к другу сразу обоими контактами. Одна точка, представляющая собой электрический узел, может соединять одновременно несколько резисторов.
Такое соединение предполагает течение отдельного тока в каждом резисторе. Сила этого тока находится в обратно пропорциональной . В результате, происходит увеличение общей проводимости данного участка цепи, при общем уменьшении сопротивления. В случае параллельного соединения резисторов с различным сопротивлением, значение общего сопротивления на этом участке всегда будет ниже самого маленького сопротивления отдельно взятого резистора.
На представленной схеме, напряжение между точками А и В представляет собой не только общее напряжение для всего участка, но и напряжение, поступающее к каждому отдельно взятому резистору. Таким образом, в случае параллельного соединения, напряжение, подаваемое ко всем резисторам, будет одинаковым.
В результате, напряжение при параллельном и последовательном соединении будет отличаться в каждом случае. Благодаря этому свойству, имеется реальная возможность отрегулировать данную величину на любом участке цепи.
Параллельное соединение электрических элементов (проводников, сопротивлений, емкостей, индуктивностей) - это такое соединение, при котором подключенные элементы цепи имеют два общих узла подключения.
Другое определение: сопротивления подключены параллельно, если они подключены одно и той же паре узлов.
На приведенном рисунке показана схема параллельное подключения сопротивлений R1, R2, R3, R4. Из схемы видно, что все эти четыре сопротивления имеют две общие точки (узла подключения).
В электротехнике принято, но не строго требуется, рисовать провода горизонтально и вертикально. Поэтому эту же схему можно изобразить, как на рисунке ниже. Это тоже параллельное соединение тех же самых сопротивлений.
При параллельном соединении обратная величина от эквивалентного сопротивления равна сумме обратных величин всех параллельно подключенных сопротивлений. Эквивалентная проводимость равна сумме всех параллельно подключенных проводимостей электрической схемы.
Для приведенной выше схемы эквивалентное сопротивление можно рассчитать по формуле:
В частном случае при подключении параллельно двух сопротивлений:
Эквивалентное сопротивление цепи определяется по формуле:
В случае подключения "n" одинаковых сопротивлений, эквивалентное сопротивление можно рассчитать по частной формуле:
Формулы для частного рассчета вытекают из основной формулы.
При параллельном подключении емкостей (конденсаторов) эквивалентная емкость равна сумме параллельно подключенных емкостей:
При параллельном подключении индуктивностей, эквивалентная индуктивность рассчитывается так же, как и эквивалентное сопротивление при параллельном соединении:
Необходимо обратить внимание, что в формуле не учтены взаимные индуктивности.
Для участка электрической цепи необходимо найти параллельное соединение сопротивлений выполнить их преобразование до одного.
Из схемы видно, что параллельно подключены только R2 и R4. R3 не параллельно, т.к. одним концом оно подключено к E1. R1 - одним концом подключено к R5, а не к узлу. R5 - одним концом подключено к R1, а не к узлу. Можно так же говорить, что последовательное соединение сопротивлений R1 и R5 подключено параллельно с R2 и R4.
При параллельном соединении сопротивлений ток через каждое сопротивление в общем случае разный. Величина тока обратно пропорциональна величине сопротивления.
При параллельном соединении разность потенциалов между узлами, объединяющими элементы цепи, одинакова для всех элементов.
1. В промышленности изготавливаются сопротивления определенных величин. Иногда необходимо получить значение сопротивления вне данных рядов. Для этого можно подключить несколько сопротивлений параллельно. Эквивалентное сопротивление всегда будет меньше самого большого номинала сопротивления.
2. Делитель токов.
Нет ничего проще для электрика, чем подключить светильник. Но если приходится собирать люстру или бра с несколькими плафонами, часто возникает вопрос: «Как лучше соединить?» Чтобы понять, чем отличается последовательное и параллельное соединение лампочек – вспомним курс физики за 8 класс. Давайте заранее договоримся, что будем рассматривать как пример освещение в сетях 220 V AC, эта информация справедлива и для других напряжений и токов.
Через цепь из последовательно соединенных элементов протекает один и тот же ток. Напряжение на элементах, как и выделяемая мощность, – распределяется согласно собственным сопротивлениям. При этом ток равняется частному напряжения и сопротивления, т.е.:
Где Rобщ – сумма сопротивлений всех элементов последовательно соединенной цепи.
Чем больше сопротивление – тем меньше ток.
Чтобы соединить два и больше источника света последовательно, нужно концы от патронов соединить между собой так, как изображено на картинке, т.е. у крайних патронов останется по одному свободному проводу, на которые мы и подаем фазу (P или L) с нулем (N), а средние патроны соединяются друг с другом одним проводом.
Через лампу 100 Вт, при напряжении 220 В, течет ток чуть меньше чем 0,5 А. Если соединить две по этой схеме, ток упадет в два раза. Лампы будут светить в половину накала. Потребляемая мощность не сложится, а уменьшиться до 55 (примерно) с обеих. И так далее: чем больше ламп, тем меньше ток и яркость каждой отдельной.
Преимущество:
Недостатки:
Такое соединение отлично подходит в ситуациях, когда нужно создать мягкий свет, например, для бра. Так соединяются светодиоды в гирляндах. Огромный минус – это то, что при сгорании одного звена не светят и другие.
В цепях, соединенных параллельно, к каждому из элементов прикладывается полное напряжение источника питания. При этом ток, протекающий через каждую из ветвей, зависит только от ее сопротивления. Провода от каждого патрона соединены между собой обоими концами.
Преимущества:
Недостатков нет.
Чтобы включать свет по группам, соберите такую схему либо в корпусе светильника, либо в распределительной коробке.
Каждая из ламп включается своим выключателем, их в этом случае три, а включены две.
Для последовательного соединения важно учитывать, что ток через все лампы протекает один и тот же. Это значит, что чем больше элементов в цепи, тем меньше через нее протекает ампер. Напряжение на каждой лампе равняется произведению тока на ее сопротивление (закон Ома). Увеличивая количество элементов, вы будете понижать напряжение на каждом из них.
В параллельной цепи каждая ветвь берет на себя необходимое ей количество тока, а напряжение прикладывается то, которое выдает источник питания (напр. Бытовая электросеть)
Другое название этой схемы последовательно-параллельная цепь. В ветвях параллельной цепи включено последовательно несколько потребителей, например, накаливания, галогенных или светодиодных. На LED-матрицах часто применяется такая схема. Этот способ дает некоторые преимущества:
Недостатки те же, что присущи последовательным цепям.
Чтобы правильно подключить другие виды осветительных приборов, нужно сначала узнать их принцип работы и ознакомиться со схемой подключения. Каждый из типов ламп требует определенных условий для работы. Процесс накаливания спирали совсем не предназначен для излучения света. В области больших мощностей и площади их заметно потеснили газоразрядные приборы.
Кроме ламп накаливания, часто применяются и галогенные, и люминесцентные трубчатые лампы (ЛЛ). Последние распространены в административных зданиях, боксах для покраски автомобилей, гаражах, производственных и торговых помещениях. Немного реже их применяют дома, например, на кухне для подсветки рабочей зоны.
ЛЛ нельзя подключить напрямую к сети 220 В, для розжига нужно высокое напряжение, поэтому используется специальная схема:
Первая схема применяется все реже, отличается меньшим КПД, гудением дросселя и мерцанием светового потока, который часто не заметен глазу. Подключение электронного балласта часто изображено на корпусе.
Подключается либо одна лампу, либо две последовательно, в зависимости от ситуации и того, что есть в наличии, также и с электронным балластом.
Конденсатор между фазой и нулем нужен для компенсации реактивной мощности дросселя и снижения сдвига фазы, цепь запустится и без него.
Обратите внимание на то, как подсоединяются лампы, в освещении люминесцентным светом нельзя пользоваться теми же правилами, что и при работе с лампами накаливания. Похожим образом обстоит дело и с ДРЛ и ДНАТ-лампами, но они редко встречаются в быту, чаще в промышленных цехах и уличных фонарях.
Этот тип часто применяется в точечных светильниках на подвесных и натяжных потолках. Подходят для освещения мест с повышенной влажностью, поскольку выпускаются для работы в цепях с пониженным напряжением, например, 12 вольт.
Для питания используют сетевой трансформатор 50 Гц, но габариты велики и со временем он начинает гудеть. Лучше для этого подойдет электронный трансформатор, на него приходит 220 В с частотой 50 Гц, а уходит 12 В переменного тока с частотой в несколько десятков кГц. В остальном подключение аналогичное с лампами накаливания.
Правильно собирайте схемы в светильниках. Не подключайте энергосберегающие лампы последовательно и придерживайтесь схемы включения люминесцентных и галогенных светильников. Энергосберегающие лампы «не любят» пониженное напряжение и быстро сгорят, а люминесцентный светильник может и вовсе не зажечься.
Для подключения освещения подойдут клеммные колодки или зажимы Wago, тем более, если проводка алюминиевая, а провода у светильника медные. Главное – соблюдайте правила безопасности при работе с электрическими приборами.
Последовательным называется такое соединение резисторов, когда конец одного проводника соединяется с началом другого и т.д. (рис. 1). При последовательном соединении сила тока на любом участке электрической цепи одинакова. Это объясняется тем, что заряды не могут накапливаться в узлах цепи. Их накопление привело бы к изменению напряженности электрического поля, а следовательно, и к изменению силы тока. Поэтому
\(~I = I_1 = I_2 .\)
Амперметр А измеряет силу тока в цепи и обладает малым внутренним сопротивлением (R A → 0).
Включенные вольтметры V 1 и V 2 измеряют напряжение U 1 и U 2 на сопротивлениях R 1 и R 2 . Вольтметр V измеряет подведенное к клеммам Μ и N напряжение U . Вольтметры показывают, что при последовательном соединении напряжение U равно сумме напряжений на отдельных участках цепи:
\(~U = U_1 + U_2 . \qquad (1)\)
Применяя закон Ома для каждого участка цепи, получим:
\(~U = IR ; \ U_1 = IR_1 ; \ U_2 = IR_2 ,\)
где R - общее сопротивление последовательно соединенной цепи. Подставляя U , U 1 , U 2 в формулу (1), имеем
\(~IR = IR_1 + IR_2 \Rightarrow R = R_1 + R_2 .\)
n последовательно соединенных резисторов, равно сумме сопротивлений этих резисторов:
\(~R = R_1 + R_2 + \ldots R_n\) , или \(~R = \sum_{i=1}^n R_i .\)
Если сопротивления отдельных резисторов равны между собой, т.е. R 1 = R 2 = ... = R n , то общее сопротивление этих резисторов при последовательном соединении в n раз больше сопротивления одного резистора: R = nR 1 .
При последовательном соединении резисторов справедливо соотношение \(~\frac{U_1}{U_2} = \frac{R_1}{R_2}\), т.е. напряжения на резисторах прямо пропорциональны сопротивлениям.
Параллельным называется такое соединение резисторов, когда одни концы всех резисторов соединены в один узел, другие концы - в другой узел (рис. 2). Узлом называется точка разветвленной цепи, в которой сходятся более двух проводников. При параллельном соединении резисторов к точкам Μ и N подключен вольтметр. Он показывает, что напряжения на отдельных участках цепи с сопротивлениями R 1 и R 2 равны. Это объясняется тем, что работа сил стационарного электрического поля не зависит от формы траектории:
\(~U = U_1 = U_2 .\)
Амперметр показывает, что сила тока I в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов I 1 и I 2 в параллельно соединенных проводниках R 1 и R 2:
\(~I = I_1 + I_2 . \qquad (2)\)
Это вытекает и из закона сохранения электрического заряда. Применим закон Ома для отдельных участков цепи и всей цепи с общим сопротивлением R :
\(~I = \frac{U}{R} ; \ I_1 = \frac{U}{R_1} ; \ I_2 = \frac{U}{R_2} .\)
Подставляя I , I 1 и I 2 в формулу (2), получим:
\(~\frac{U}{R} = \frac{U}{R_1} + \frac{U}{R_2} \Rightarrow \frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} .\)
Величина, обратная сопротивлению цепи, состоящей из n параллельно соединенных резисторов, равна сумме величин, обратных сопротивлениям этих резисторов:
\(~\frac 1R = \sum_{i=1}^n \frac{1}{R_i} .\)
Если сопротивления всех n параллельно соединенных резисторов одинаковы и равны R 1 то \(~\frac 1R = \frac{n}{R_1}\) . Откуда \(~R = \frac{R_1}{n}\) .
Сопротивление цепи, состоящей из n одинаковых параллельно соединенных резисторов, в n раз меньше сопротивления каждого из них.
При параллельном соединении резисторов справедливо соотношение \(~\frac{I_1}{I_2} = \frac{R_2}{R_1}\), т.е. силы токов в ветвях параллельно соединенной цепи обратно пропорциональны сопротивлениям ветвей.
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 257-259.
