Последовательное и параллельное соединение проводников

Определение

Последовательное соединение – это способ подключения элементов электрической цепи, при котором конец одного элемента соединяется с началом другого, образуя единый путь для электрического тока. Параллельное соединение – это способ подключения элементов, при котором все элементы подключены к одним и тем же двум точкам цепи, и ток разветвляется между ними.

Как устроено последовательное соединение

При последовательном соединении электрический ток проходит через все элементы по очереди, не разветвляясь. Это означает, что сила тока во всех элементах цепи одинакова. Напряжение же делится между элементами: чем больше сопротивление элемента, тем большая часть общего напряжения на нём падает. Общее сопротивление такой цепи равно сумме сопротивлений всех элементов. Если один из элементов выйдет из строя (например, перегорит лампочка), вся цепь разомкнётся, и ток перестанет течь.

Как устроено параллельное соединение

В параллельном соединении все элементы подключены к одним и тем же точкам цепи, поэтому напряжение на каждом из них одинаково и равно общему напряжению. Ток же разветвляется: его общая сила равна сумме токов, протекающих через каждый элемент. Ток через каждый элемент обратно пропорционален его сопротивлению: чем меньше сопротивление, тем больший ток через него пойдёт. Общее сопротивление параллельного участка всегда меньше сопротивления любого из его элементов. Если один элемент выйдет из строя, остальные продолжат работать.

Зачем нужны разные виды соединений

Различные способы соединения проводников позволяют управлять характеристиками электрической цепи. Последовательное соединение удобно, когда нужно получить большое общее сопротивление из нескольких меньших или когда требуется, чтобы при выходе из строя одного элемента отключалась вся система (например, в старых гирляндах). Параллельное соединение используется, чтобы подключить множество приборов к одному источнику напряжения, при этом выход из строя одного не влияет на работу остальных, а также для уменьшения общего сопротивления цепи.

Как найти и применять

1. Определите тип соединения: последовательное или параллельное. Если элементы соединены 'в цепочку' – последовательное, если 'рядом' к общим точкам – параллельное.
2. Для последовательного соединения: сила тока Iобщ = I1 = I2 = ...; общее напряжение Uобщ = U1 + U2 + ...; общее сопротивление Rобщ = R1 + R2 + ...
3. Для параллельного соединения: общее напряжение Uобщ = U1 = U2 = ...; сила тока Iобщ = I1 + I2 + ...; общее сопротивление (1/Rобщ) = (1/R1) + (1/R2) + ...
4. Если цепь комбинированная (содержит и последовательные, и параллельные участки), разделите её на более простые участки и последовательно рассчитывайте сопротивление каждого, сводя цепь к одному эквивалентному сопротивлению.
5. Используйте закон Ома (U = I·R) для расчёта недостающих величин (тока, напряжения или сопротивления) на каждом участке или для всей цепи.

Разбор задач

Задача 1

Две лампочки с сопротивлениями R1 = 10 Ом и R2 = 20 Ом соединены последовательно. Определите общее сопротивление цепи и ток, если напряжение источника 60 В.

1. Тип соединения: последовательное. 2. Общее сопротивление: Rобщ = R1 + R2 = 10 Ом + 20 Ом = 30 Ом. 3. Ток в цепи: I = Uобщ / Rобщ = 60 В / 30 Ом = 2 А. (Так как соединение последовательное, ток одинаков через обе лампочки).

Ответ: Rобщ = 30 Ом, I = 2 А.

Задача 2

Два резистора с сопротивлениями R1 = 6 Ом и R2 = 3 Ом соединены параллельно. Определите общее сопротивление участка цепи. Если по первому резистору течёт ток 2 А, какой ток течёт по второму резистору и каков общий ток?

1. Тип соединения: параллельное. 2. Общее сопротивление: 1/Rобщ = 1/R1 + 1/R2 = 1/6 + 1/3 = 1/6 + 2/6 = 3/6 = 1/2. Значит, Rобщ = 2 Ом. 3. Напряжение на первом резисторе (и на всём параллельном участке): U = I1 · R1 = 2 А · 6 Ом = 12 В. 4. Ток через второй резистор: I2 = U / R2 = 12 В / 3 Ом = 4 А. 5. Общий ток: Iобщ = I1 + I2 = 2 А + 4 А = 6 А.

Ответ: Rобщ = 2 Ом, I2 = 4 А, Iобщ = 6 А.

Где это встречается

• Электропроводка в доме — Все бытовые приборы в квартире (розетки, лампы) подключены параллельно. Это позволяет каждому прибору получать одинаковое напряжение 220 В, работать независимо друг от друга и включаться/выключаться по отдельности.
• Старые новогодние гирлянды — Многие старые гирлянды используют последовательное соединение лампочек. Если одна лампочка перегорает, вся гирлянда гаснет, потому что цепь размыкается.
• Усилители звука — В некоторых схемах усилителей используются последовательно соединенные резисторы для создания делителей напряжения, чтобы получить нужные значения напряжения для различных частей схемы.
• Автомобильный аккумулятор и фары — Фары автомобиля подключены параллельно к аккумулятору, что обеспечивает одинаковое напряжение для каждой фары. Сам аккумулятор состоит из нескольких последовательно соединенных элементов (банок) для увеличения общего напряжения.

Типичные ошибки

Не путать

• Последовательная цепь и одна лампочка — Последовательная цепь состоит из двух или более элементов, подключенных друг за другом. Одна лампочка – это один элемент. Главное отличие: при последовательном соединении есть распределение напряжения, а при одной лампочке все напряжение источника подаётся на неё.
• Параллельная цепь и одна лампочка — Параллельная цепь подразумевает несколько элементов, подключенных к одним и тем же двум точкам. Одна лампочка – это просто один элемент. Отличие в том, что в параллельной цепи ток разветвляется, а через одну лампочку течёт весь ток.

Откуда взялось понятие

Основные принципы последовательного и параллельного соединения были сформулированы в XIX веке в рамках развития электродинамики, в частности, благодаря работам Георга Ома, который установил взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением.

Как запомнить

Последовательно – 'друг за другом', ток один, напряжение делится. Параллельно – 'рядом', напряжение одно, ток делится.