Законы последовательного и параллельного соединения проводников: основы электрических цепей

Электричество пронизывает нашу повседневную жизнь. От холодильника и стиральной машины до компьютера и смартфона - все работает на электричестве. Но мало кто задумывается, как устроена внутренняя "начинка" этих устройств. А ведь понимание основ электротехники позволит более осознанно и безопасно использовать бытовую технику, сэкономить на электроэнергии и даже самостоятельно устранить неполадки.

Основы электрических цепей

Любая электрическая цепь состоит из источника энергии (батарейка, аккумулятор, сеть), проводников (провода) и приемника энергии (лампочка, двигатель, нагреватель). Важнейшей характеристикой цепи является электрический ток - направленное движение заряженных частиц. Сила тока зависит от напряжения и сопротивления цепи. Эту взаимосвязь описывает закон Ома:

I = U / R

где I - сила тока (А), U - напряжение (В), R - сопротивление (Ом). Таким образом, увеличив напряжение или уменьшив сопротивление, можно увеличить силу тока в цепи. Сопротивление цепи зависит от используемых материалов и размеров проводников. Для регулировки сопротивления используют реостаты и потенциометры - переменные резисторы, величина которых легко меняется вращением ручки.

Для измерения параметров цепи служат приборы:

• амперметр - измеряет силу тока
• вольтметр - измеряет напряжение
• омметр - измеряет сопротивление

Законы последовательного и параллельного соединения проводников

Проводники в электрической цепи могут соединяться последовательно и параллельно. Это очень важные понятия, так как от схемы соединения зависят характеристики всей цепи.

Последовательное соединение

При последовательном соединении проводники включены в цепь один за другим, образуя единую неразветвленную цепь. Физически это означает, что через все элементы протекает один и тот же ток. При этом напряжение складывается из напряжений на отдельных участках:

U_общ = U₁ + U₂ + ... + U_n

А вот полное сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных элементов:

R_общ = R₁ + R₂ + ... + R_n

Таким образом, чем больше последовательно соединенных проводников, тем выше полное сопротивление цепи.

Параллельное соединение

При параллельном соединении проводники имеют общие точки соединения и каждый из них является продолжением общей цепи. В результате напряжение на всех участках одинаково:

U₁ = U₂ = ... = U_n = U

Но в отличие от последовательного соединения, сопротивление параллельно включенных проводников уменьшается по мере их добавления. Ток как бы "разветвляется", идя по пути наименьшего сопротивления. В итоге имеем:

1 / R_общ = 1 / R₁ + 1 / R₂ + ... + 1 / R_n

Иными словами, чем больше параллельных проводников, тем ниже полное сопротивление. А раз сопротивление падает, то по закону Ома возрастает сила тока.

Теперь давайте разберемся, как эти законы применяются для анализа реальных электрических цепей.

Применение законов на практике

Давайте проверим основные законы последовательного и параллельного соединения в реальной электрической цепи. Для этого потребуются:

• Источник питания (4,5 В)
• Провода для создания цепи
• Лампочки на 3,5 В
• Ключ
• Амперметр и вольтметр

Сначала соберем простую цепь из источника питания, лампочки и ключа. Замкнув цепь с помощью ключа, убеждаемся, что лампочка горит. Это значит, по цепи течет электрический ток.

Последовательное соединение лампочек

Теперь последовательно включим в цепь еще одну такую же лампочку. Обе лампы должны гореть тусклее, чем в простой цепи. Это подтверждает, что общее напряжение распределилось между лампочками, а полное сопротивление возросло.

Параллельное соединение лампочек

Далее соберем цепь с двумя параллельно включенными лампочками. Они должны гореть ярче, чем в простой цепи, поскольку сопротивление уменьшилось. Ток как бы "разветвился" по двум параллельным цепям.

Проверка законов последовательного параллельного соединений проводников

Для полной проверки законов нужно также выполнить измерения. Подключив амперметр и вольтметр к разным участкам цепи, можно замерить токи и напряжения. Сравнив показания приборов для разных схем соединения, убеждаемся в справедливости расчетных формул.

Узлы в электрических цепях

Рассмотрим также особенности узлов в электрических цепях. Узлом называется точка разветвления цепи. При последовательном соединении узлов нет. А вот при параллельном соединении именно в узлах происходит разветвление тока.

Учитывая поведение токов и напряжений в узлах, можно правильно рассчитать характеристики сложных разветвленных цепей. Например, в жилых домах потребители электроэнергии чаще всего включены по параллельной схеме от общего источника питания.