Spoje vodičů – podklady pro přípravu k jednotné státní zkoušce z fyziky

Existují dva hlavní způsoby připojení vodičů k sobě – ​​to jsou sekvenční и paralelní spojení. Výsledkem jsou různé kombinace sériových a paralelních připojení smíšený připojení vodičů.

Budeme studovat vlastnosti těchto sloučenin, ale nejprve potřebujeme nějaké základní informace.

Říkáme vodič, který má odpor (R) odpor a znázorněte jej následovně (obr. 1):

Napětí rezistoru — je potenciální rozdíl stacionárního elektrického pole mezi konci rezistoru. Mezi kterými konci přesně? Obecně to není důležité, ale obvykle je vhodné sladit rozdíl potenciálů se směrem proudu.

Proud v obvodu teče z kladné strany zdroje na zápornou stranu. V tomto směru potenciál stacionárního pole klesá. Připomeňme si ještě jednou, proč tomu tak je.

Nechť se kladný náboj (q) pohybuje po obvodu z bodu (a) do bodu (b) a prochází rezistorem (R) (obr. 2):

Rýže. 2. (U= varphi_a – varphi_b)

Stacionární pole vykonává pozitivní práci (A = q(varphi_a — varphi_b)).

Protože (q > 0) a (A > 0), pak (varphi_a — varphi_b > 0), tedy (varphi_a > varphi_b).

Proto vypočítáme napětí na rezistoru jako rozdíl potenciálů ve směru proudu: (U = varphi_a — varphi_b).

Odpor přívodních vodičů je obvykle zanedbatelný; V elektrických obvodech je považován za rovný nule. Z Ohmova zákona vyplývá, že potenciál se podél vodiče nemění: koneckonců, jestliže (varphi_a — varphi_b=IR) a (R = 0), pak (U = varphi_a = varphi_b). (obr. 3):

Rýže. 3. (U= varphi_a – varphi_b)

Při úvahách o elektrických obvodech tedy používáme idealizaci, která značně zjednodušuje jejich studium. Tomu totiž věříme potenciál stacionárního pole se mění pouze při průchodu jednotlivými prvky obvodu a podél každého spojovacího vodiče zůstává nezměněn. V reálných obvodech potenciál monotónně klesá, když se pohybuje od kladného pólu zdroje k zápornému.

Sériové připojení

Pro sériové připojení vodiče konec každého vodiče je spojen se začátkem vodiče následujícího za ním.

Uvažujme dva rezistory (R_1) a (R_2), zapojené do série a připojené ke zdroji stejnosměrného napětí (U) (obr. 4). Připomeňme, že kladná svorka zdroje je označena delší čarou, takže proud v tomto obvodu teče po směru hodinových ručiček.

Rýže. 4. Sériové zapojení

Zformulujme základní vlastnosti sériového zapojení a ilustrujme je na tomto jednoduchém příkladu.

1. Když jsou vodiče zapojeny do série, proud v nich je stejný.
Ve skutečnosti stejný náboj projde jakýmkoliv průřezem jakéhokoli vodiče za jednu sekundu. Náboje se totiž nikde nehromadí, neopouštějí okruh a nevstupují do okruhu zvenčí.

2. Napětí na úseku sestávajícím ze sériově zapojených vodičů se rovná součtu napětí na každém vodiči.

Ve skutečnosti je napětí (U_) na sekci (ab) dílem pole pro přenos jednotkového náboje z bodu (a) do bodu (b); napětí (U_) na úseku (bc) je práce pole pro přenos jednotkového náboje z bodu (b) do bodu (c). Tyto dvě práce dohromady dají práci pole přenést jednotkový náboj z bodu (a) do bodu (c), tedy napětí (U) na celém úseku:

Může to být provedeno formálněji, bez jakýchkoli slovních vysvětlení:

(U = U_ = varphi_a – varphi_c = (varphi_a – varphi_b) + (varphi_b – varphi_c) = U_ + U_.)

3. Odpor úseku sestávajícího ze sériově zapojených vodičů se rovná součtu odporů každého vodiče.

Nechť (R) je odpor sekce (ac). Podle Ohmova zákona máme:

což je to, co bylo požadováno.

Na jednom konkrétním příkladu je možné podat intuitivní vysvětlení pravidla sčítání odporů. Nechť jsou zapojeny do série dva vodiče ze stejného materiálu a se stejnou plochou průřezu (S), ale s různými délkami (l_1) a (l_2).

Odpory vodičů jsou rovné:

Tyto dva vodiče tvoří jeden vodič délky (l_1+l_2) a odporu

Ale toto, opakujeme, je pouze konkrétní příklad. Odpory se budou sčítat i v nejobecnějším případě – pokud jsou také různé materiály vodičů a jejich průřezy.
Důkazem toho je výše uvedený Ohmův zákon.
Naše důkazy vlastností sériového zapojení, uvedené pro dva vodiče, jsou bez podstatných změn přeneseny na případ libovolného počtu vodičů.

Paralelní připojení

na paralelní připojení Začátky vodičů jsou připojeny k jednomu bodu v obvodu a konce k jinému bodu.

Podívejme se znovu na dva rezistory, tentokrát zapojené paralelně (obr. 5).

Rýže. 5. Paralelní připojení

Rezistory jsou připojeny ke dvěma bodům: (a) a (b). Tyto body se nazývají uzly nebo body větvení řetězy. Nazývají se také paralelní sekce větví; nazývá se úsek od (b) do (a) (ve směru proudu). nerozvětvená část řetězy.

Nyní zformulujeme vlastnosti paralelního zapojení a dokážeme je pro případ dvou výše uvedených rezistorů.

1. Napětí na každé větvi je stejné a rovné napětí na nerozvětvené části obvodu.
Ve skutečnosti se obě napětí (U_1) a (U_2) na rezistorech (R_1) a (R_2) rovnají potenciálnímu rozdílu mezi body připojení:

(U_1 = U_2 = varphi_a — varphi_b = U.)

Tato skutečnost slouží jako nejvýraznější projev potenciálu stacionárního elektrického pole pohybujících se nábojů.

2. Proud v nerozvětvené části obvodu se rovná součtu proudů v každé větvi.
Nechť například náboj (q) dorazí do bodu (a) v čase (t) z nerozvětveného úseku. Během stejné doby (t) se náboj (q_1) přesune z bodu (a) do rezistoru (R_1) a náboj (q_2) se přesune do rezistoru (R_2).

Je jasné, že (q = q_1 + q_2). V opačném případě by se v bodě (a) nahromadil náboj, který by změnil potenciál tohoto bodu, což je nemožné (koneckonců, proud je konstantní, pole pohybujících se nábojů je stacionární a potenciál každého bodu v obvodu se v průběhu času nemění). Pak máme:

což je to, co bylo požadováno.

3. Převrácená hodnota odporu úseku paralelního zapojení je rovna součtu převrácených hodnot odporů větví.
Nechť (R) je odpor rozvětveného úseku (ab). Napětí na sekci (ab) je rovno (U); proud protékající tímto úsekem je roven (I). Proto:

Zmenšením o (U) dostaneme:

což je to, co bylo požadováno.

Stejně jako v případě sériového zapojení lze toto pravidlo vysvětlit na konkrétním příkladu bez odkazu na Ohmův zákon.
Nechť jsou paralelně zapojeny vodiče ze stejné látky o stejných délkách (l), ale různých průřezech (S_1) a (S_2). Pak lze toto spojení považovat za vodič o stejné délce (l), ale s plochou průřezu (S = S_1 + S_2). máme:

Uvedené důkazy vlastností paralelního zapojení jsou bez podstatných změn přeneseny na případ libovolného počtu vodičů.

Ze vztahu (1) můžeme najít (R):

Bohužel v obecném případě (n) paralelně zapojených vodičů kompaktní analoga vzorce (2) nefunguje a musíme se spokojit se vztahem

Ze vzorce (3) však lze vyvodit jeden užitečný závěr. Totiž nechť jsou odpory všech (n) rezistorů stejné a rovné (R_1). Pak:

Vidíme, že odpor části (n) stejných vodičů zapojených paralelně je (n) krát menší než odpor jediného vodiče.

Směsná směs

Smíšené připojení vodiče, jak název napovídá, mohou být kombinací libovolné kombinace sériového a paralelního zapojení a tato spojení mohou zahrnovat jak jednotlivé odpory, tak i složitější součástky.

Výpočet smíšeného zapojení vychází z již známých vlastností sériových a paralelních zapojení. Není zde nic nového: stačí tento obvod pečlivě rozdělit na jednodušší části zapojené sériově nebo paralelně.

Uvažujme příklad smíšeného zapojení vodičů (obr. 6).

Rýže. 6. Smíšené zapojení

Nechť (U = 14) V, (R_1 = 2) Ohm, (R_2 = 3) Ohm, (R_3 = 3) Ohm, (R_4 = 5) Ohm, (R_5 = 2) Ohm. Pojďme najít proud v obvodu a v každém z rezistorů.

Náš obvod se skládá ze dvou sekcí (ab) a (bc) zapojených do série. Odpor sekce (ab):

Sekce (bc) je paralelní zapojení: dva sériově zapojené rezistory (R_3) a (R_4) jsou zapojeny paralelně k rezistoru (R_5). Pak:

(R = R_ + R_ = 1,2 + 1,6 = 2,8) Ohm.

Nyní najdeme proud v obvodu:

Abychom našli proud v každém rezistoru, vypočítáme napětí v obou částech:

(U_ = IR_ = 5 cdot 1,2 = 6) B;

(U_ = IR_ = 5 cdot 1,6 = 8) B.

(Mimochodem poznamenejme, že součet těchto napětí je roven (14) V, tedy napětí v obvodu, jak by to mělo být při sériovém zapojení.)

Oba odpory (R_1) a (R_2) jsou pod napětím (U_), proto:

(Celkem máme (5) A, jak by to mělo být s paralelním připojením.)

Proud v rezistorech (R_3) a (R_4) je stejný, protože jsou zapojeny do série:

Rezistorem (R_5) tedy protéká proud (I_5 = I – I_3 = 5 – 1 = 4) A.

Proud v elektrickém obvodu prochází vodiči od zdroje napětí k zátěži, to znamená k lampám a zařízením. Ve většině případů se jako vodiče používají měděné dráty. Obvod může obsahovat několik prvků s různými odpory. V přístrojovém obvodu mohou být vodiče zapojeny paralelně nebo sériově a mohou existovat i smíšené typy.

Prvek obvodu s odporem se nazývá odpor; napětí tohoto prvku je rozdíl potenciálů mezi konci odporu. Paralelní a sériová elektrická spojení vodičů se vyznačují jediným principem činnosti, podle kterého proud teče z plusu do mínusu a podle toho klesá potenciál. V elektrických obvodech se odpor vedení bere jako 0, protože je zanedbatelně nízký.

Paralelní zapojení předpokládá, že prvky obvodu jsou připojeny ke zdroji paralelně a jsou současně zapnuty. Sériové zapojení znamená, že odporové vodiče jsou zapojeny v přísném pořadí jeden po druhém.

Při výpočtu se používá metoda idealizace, která značně zjednodušuje pochopení. Ve skutečnosti v elektrických obvodech potenciál postupně klesá, jak se pohybuje kabeláží a prvky, které jsou součástí paralelního nebo sériového zapojení.

Posledovatelnoe soedinenie provodnikov

Schéma sériového připojení znamená, že jsou zapínány v určitém pořadí, jeden po druhém. Navíc je aktuální síla ve všech stejná. Tyto prvky vytvářejí celkové napětí v oblasti. Náboje se nehromadí v uzlech elektrického obvodu, protože jinak by byla pozorována změna napětí a proudu. Při konstantním napětí je proud určen hodnotou odporu obvodu, takže v sériovém obvodu se odpor změní, pokud se změní jedna zátěž.

Nevýhodou tohoto schématu je skutečnost, že pokud jeden prvek selže, ostatní také ztratí schopnost fungovat, protože obvod je přerušený. Příkladem může být girlanda, která nefunguje, pokud jedna žárovka vyhoří. To je klíčový rozdíl oproti paralelnímu zapojení, ve kterém mohou prvky fungovat samostatně.

Čtěte také: Jak vypočítat požadovaný průřez vodiče na základě výkonu zátěže?

Sekvenční obvod předpokládá, že díky jednoúrovňovému zapojení vodičů je jejich odpor v kterémkoli bodě sítě stejný. Celkový odpor je roven součtu úbytků napětí jednotlivých prvků sítě.

U tohoto typu připojení je začátek jednoho vodiče spojen s koncem druhého. Klíčovou vlastností zapojení je, že všechny vodiče jsou na jednom vodiči bez odboček a každým z nich protéká jeden elektrický proud. Celkové napětí se však rovná součtu napětí na každém z nich. Na zapojení se můžete podívat i z jiného pohledu – všechny vodiče jsou nahrazeny jedním ekvivalentním rezistorem a proud na něm se shoduje s celkovým proudem, který prochází všemi odpory. Ekvivalentní kumulativní napětí je součet hodnot napětí na každém rezistoru. Takto se objeví potenciální rozdíl na rezistoru.

Použití řetězového připojení je užitečné, když potřebujete konkrétně zapnout a vypnout konkrétní zařízení. Například elektrický zvonek může zazvonit pouze při připojení ke zdroji napětí a tlačítku. První pravidlo říká, že pokud není žádný proud alespoň na jednom z prvků obvodu, pak nebude žádný proud na zbytku. Pokud je tedy proud v jednom vodiči, je také v ostatních. Dalším příkladem může být baterka na baterie, která se rozsvítí pouze v případě, že je stisknuta baterie, funkční žárovka a tlačítko.

V některých případech není sekvenční obvod praktický. V bytě, kde se osvětlovací systém skládá z mnoha lamp, svícnů, lustrů, není třeba organizovat schéma tohoto typu, protože není nutné zapínat a vypínat osvětlení ve všech místnostech současně. Pro tento účel je lepší použít paralelní zapojení, aby bylo možné rozsvítit světlo v jednotlivých místnostech.

Paralelní připojení vodičů

V paralelním obvodu jsou vodiče sadou rezistorů, jejichž některé konce jsou sestaveny do jednoho uzlu a druhé konce do druhého uzlu. Předpokládá se, že napětí v paralelním typu zapojení je stejné ve všech částech obvodu. Paralelní úseky elektrického obvodu se nazývají větve a procházejí mezi dvěma spojovacími uzly, mají stejné napětí. Toto napětí se rovná hodnotě na každém vodiči. Součet inverzních ukazatelů odporů větví je také inverzní vzhledem k odporu jednotlivého úseku obvodu paralelního obvodu.

Pro paralelní a sériové zapojení je systém výpočtu odporu jednotlivých vodičů odlišný. V případě paralelního obvodu proud protéká větvemi, což zvyšuje vodivost obvodu a snižuje celkový odpor. Když je paralelně zapojeno několik rezistorů s podobnými hodnotami, celkový odpor takového elektrického obvodu bude menší než jeden rezistor, kolikrát se rovná počtu rezistorů v obvodu.

Každá větev má jeden rezistor a elektrický proud, když dosáhne bodu větvení, se dělí a rozbíhá se do každého rezistoru, jeho konečná hodnota je rovna součtu proudů na všech odporech. Všechny rezistory jsou nahrazeny jedním ekvivalentním rezistorem. Při použití Ohmova zákona se hodnota odporu vyjasní – v paralelním obvodu se sečtou hodnoty inverzní k odporům na rezistorech.

U tohoto obvodu je hodnota proudu nepřímo úměrná hodnotě odporu. Proudy v rezistorech nejsou vzájemně propojené, takže pokud je jeden z nich vypnutý, nijak to neovlivní ostatní. Z tohoto důvodu se tento obvod používá v mnoha zařízeních.

Při zvažování možností použití paralelního obvodu v každodenním životě je vhodné poznamenat systém osvětlení bytu. Všechny lampy a lustry musí být v tomto případě zapojeny paralelně, zapnutí a vypnutí jednoho z nich neovlivní činnost zbývajících lamp. Přidáním spínače pro každou žárovku ve větvi okruhu tedy můžete zapínat a vypínat odpovídající světlo podle potřeby. Všechny ostatní lampy fungují nezávisle.

Všechny elektrospotřebiče jsou zapojeny paralelně do elektrické sítě o napětí 220 V, následně jsou připojeny k rozvodnému panelu. To znamená, že všechna zařízení jsou připojena bez ohledu na připojení dalších zařízení.

Zákony sériového a paralelního zapojení vodičů

Pro detailní pochopení v praxi obou typů spojení uvádíme vzorce vysvětlující zákonitosti těchto typů spojení. Výpočty výkonu pro paralelní a sériové připojení jsou různé.

V sériovém obvodu je ve všech vodičích stejný proud:

Podle Ohmova zákona se tyto typy spojení vodičů v různých případech vysvětlují různě. Takže v případě sériového obvodu jsou napětí navzájem rovna:

Ul = IR1, U1 = IR2.

Celkové napětí se navíc rovná součtu napětí jednotlivých vodičů:

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

Celkový odpor elektrického obvodu se vypočítá jako součet činných odporů všech vodičů bez ohledu na jejich počet.

V případě paralelního obvodu je celkové napětí obvodu podobné napětí jednotlivých prvků:

A celková síla elektrického proudu se vypočítá jako součet proudů, které existují ve všech paralelně umístěných vodičích:

Pro zajištění maximální účinnosti elektrických sítí je nutné pochopit podstatu obou typů zapojení a účelně je aplikovat s využitím zákonitostí a propočtením racionality praktické realizace.

Smíšené připojení vodičů

Sériové a paralelní odporové obvody lze v případě potřeby kombinovat do jednoho elektrického obvodu. Například je možné připojit paralelní odpory v sériovém obvodu k jinému odporu nebo skupině odporů, tento typ je považován za kombinovaný nebo smíšený.

V tomto případě se celkový odpor vypočítá sečtením hodnot pro paralelní připojení v systému a pro sériové připojení. Nejprve je nutné vypočítat ekvivalentní odpory rezistorů v sériovém obvodu a poté prvky paralelního obvodu. Sériové připojení je považováno za prioritu a obvody tohoto kombinovaného typu se často používají v domácích spotřebičích a spotřebičích.

Takže zvážením typů připojení vodičů v elektrických obvodech a na základě zákonů jejich fungování můžete plně pochopit podstatu organizace obvodů většiny domácích elektrických spotřebičů. Pro paralelní a sériové zapojení je výpočet odporu a proudu odlišný. Znáte-li principy výpočtu a vzorců, můžete kompetentně použít každý typ organizace obvodu k optimálnímu a s maximální efektivitou připojení prvků.

Jak správně vypočítat rezistor pro LED?

Co je to rezistor a k čemu slouží?

Ohmův zákon: Formulace, vzorce, grafická interpretace a aplikace

Jak číst schémata elektrických obvodů: Tipy a triky pro začátečníky

Co je usměrňovač napětí a proč je potřeba: typické obvody usměrňovače

Způsoby vzájemného spojování elektrických vodičů