Умскул учебник стремится стать лучше! Если вы наткнулись на ошибку или неточность в нашем материале - просто сообщите нам, мы будем благодарны!
Физика

Электрические схемы. Соединение проводников

10.5.2022
485

На этой странице вы узнаете

  • Нужен ли блендер, чтобы попить чай?
  • Куда идет ток?
  • Когда “сопротивление бесполезно”?

Всем приготовиться к погружению в мир электрических соединений и схем. Сопротивление бесполезно! 

Условное обозначение элементов электрической цепи

Есть история о том, как одного физика-теоретика током ударило. Конечно, в теории он был силен, но знать — одно, а применять знания в жизни — совсем другое дело. Вот и получилось у него всякое, странное. Не советуем повторять: опасно для жизни!

А с чего вся история началась?

Когда мы говорим об электрических приборах, мы понимаем, что сам по себе прибор работать не будет. Его нужно подключить, к источнику тока. А если схема сложная, в которой несколько приборов? И как изобразить цепь на рисунке? Всеми этими вопросами задался наш герой.

Для решения умные люди придумали условные обозначения, которые уже много лет используются в электромире:

Итак, наш физик-теоретик решил по схеме собрать гирлянду. Всё как положено. Лампочки подобрал все одинаковые. И даже соединения между ними учел.

Соединения проводников

Проводники в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно. Давайте разберем, чем отличаются эти два вида соединений и чем они полезны.

Последовательное соединениеПараллельное соединение
Соединение проводников без разветвлений, когда конец одного проводника соединен с началом другого.
Соединение, в котором начала и концы проводников соединены вместе.
R1 и R2 — сопротивления проводников,
R— общее сопротивление, 
I1 и I2— сила тока на каждом проводнике,
I — общая сила тока, 
U1 и U2 — напряжение на каждом проводнике, 
U — общее напряжение цепи.
R1 и R2 — сопротивления проводников,
R— общее сопротивление, 
I1 и  I2— сила тока на каждом проводнике, 
I — общая сила тока, 
U1 и  U2 — напряжение на каждом проводнике, 
U — общее напряжение цепи.

Схема последовательного соединения проводников.

Схема параллельного соединения проводников.
I1 = I2 = I
Сила тока, протекающего через каждый проводник, одна и та же (I = const).
I = I1 + I2
Сила тока, протекающего в  неразветвлённой части цепи, равна сумме сил токов, протекающих по каждому из проводников.
U1 = IR1, U2 = IR2;
U = U1 + U2
Общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных участках цепи.
U1 = I1R1, U2 = I2R2;
U = U1 = U2
Напряжение на каждом из проводников одинаково (U = const).
R = R1 + R2
Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков.
\(\frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}\)
Проводимость равна сумме проводимостей каждого из проводников.
\(\frac{U_1}{U_2} = \frac{R_1}{R_2}\)\(\frac{I_1}{I_2} = \frac{R_2}{R_1}\)
Если все сопротивления одинаковы, то:

R = nr и U = nu,

где r и u — соответственно сопротивление одного элемента и  напряжение на нём,
n — количество одинаковых проводников в соединении.
Если все сопротивления одинаковы, то:

\(R = \frac{r}{n}\) и U = u,

где r и u — соответственно сопротивление одного элемента и  напряжение на нём,
n — количество одинаковых проводников в соединении.
Общее сопротивление цепи больше наибольшего сопротивления, входящего в  эту цепь.Общее сопротивление цепи меньше наименьшего сопротивления, входящего в  эту цепь.
Количество теплоты, выделяемое на каждом проводнике, пропорционально их сопротивлениям
\(\frac{Q_1}{Q_2} = \frac{R_1}{R_2}\)
Количество теплоты, выделяемое на каждом проводнике, обратно пропорционально их сопротивлениям
\(\frac{Q_1}{Q_2} = \frac{R_2}{R_1}\)
Мощность, выделяемая в проводниках, пропорциональна их сопротивлению
\(\frac{P_1}{P_2} = \frac{R_1}{R_2}\)
Мощность, выделяемая в проводниках, обратно пропорциональна их сопротивлению
\(\frac{P_1}{P_2} = \frac{R_2}{R_1}\)

При последовательном соединении проводников общее сопротивление участка цепи увеличивается, при параллельном соединении — уменьшается.

Важно учитывать, какие приборы, как подключать. Например, елочная гирлянда является примером последовательного соединения. Если одна лампочка перегорит, то вся гирлянда работать перестанет. Это, кстати, относится к недостаткам такого вида соединения. Наш физик-теоритк был в курсе этой особенности.

Тогда зачем такое соединение нужно?

Когда необходимо целенаправленно подключить какой-то один прибор. Например, карманный фонарик. Он будет работать только тогда, когда включена кнопка.

А вот в люстре лучше использовать параллельное соединение. И когда одна лампочка перегорит, все остальные по-прежнему будут светить.

Нужен ли блендер, чтобы попить чай?

Бытовые приборы на кухне соединены параллельно. Это значит, что чайник может спокойно работать без микроволновки. И чтобы поджарить тосты, блендер включать необязательно. Но если все эти приборы соединить последовательно, защитный выключатель может не выдержать, и произойдет перегрузка. Что может привести к возгоранию. И не будет нам ни чая, ни взбитого теста для блинчиков, ни тостов.

Задачи на комбинированное соединение проводников удобно решать, используя эквивалентные схемы.

Смешанное (комбинированное) соединение проводников

Комбинированным называется соединение, при котором некоторые проводники соединены последовательно, а некоторые — параллельно.

Куда идет ток?

Ток не любит напрягаться. Поэтому ток течёт по пути наименьшего сопротивления.

Рассмотрим пример задачи.

Вопрос: Каким будет сопротивление участка цепи (см. рисунок), если ключ К замкнуть? Каждый из резисторов имеет сопротивление 2R.

Ответ: если ключ К замкнуть, то сопротивление станет равным нулю.

Когда “Сопротивление бесполезно”?

После замыкания ключа участок схемы окажется закороченным; ток пойдёт через ключ, минуя резисторы. Сопротивление участка станет равным нулю, как показано на рисунке:

Виды соединения источников тока

Что же произошло к нашим физиком-теоретиком? Он даже соединения источников учел. Только забыл он самое главное правило: сначала собери схему, а только потом подключи ее к источнику. 

Вот он подключил один конец провода с лампочками к источнику, другой конец взял в руку… И навсегда запомнил технику безопасности при работе c электричеством: не стоит человеку становиться звеном цепи, подключенной к источнику.

Источники тока соединяют между собой для совместного питания всей цепи. 

Последовательное соединениеПараллельное соединение
Схема
Эквивалентное внутреннее сопротивлениеrэ = r1 + r2\(\frac{1}{r_э} = \frac{1}{r_1} + \frac{1}{r_2}\)
Эквивалентное ЭДС\(\varepsilon_э = \pm \varepsilon_1 \pm \varepsilon_2\)

знаки зависят от направления подключения источников
\(\frac{\varepsilon_э}{r_э} = \pm \frac{\varepsilon_1}{r_1} \pm \frac{\varepsilon_2}{r_2}\)

знаки зависят от направления подключения источников
Закон Ома для полной цепи\(I = \frac{\varepsilon_э}{r_э + R}\)\(I = \frac{\varepsilon_э}{r_э + R}\)
Закон Ома для n одинаковых источников\(I = \frac{n \varepsilon}{R + nr}\)\(I = \frac{\varepsilon}{R + rn}\)

Чем отличаются понятия “соединения резисторов” и “соединения источников тока”? Пример резистора — чайник, простой проводник электрического тока. Если чайник подключить параллельно, это никак не повлияет на работу всей цепи. А источник тока — это розетка. Она дает “питание” всей цепи. Без источника тока не будет работать ни один прибор.

Правила подключения амперметра и вольтметра

Важно запомнить правила подключения амперметра и вольтметра. Это необходимо для того, что приборы не перегорели и показывали корректные значения при измерении.

АмперметрВольтметр
Амперметр подключается последовательно участку цепи.
Соблюдаем полярность: “+” амперметра подключают к “+” источника тока, а “−” подключают к “−” источника тока.
Вольтметр подключается параллельно участку цепи.
Соблюдаем полярность: “+” вольтметра подключают к “+” источника тока, а “−” подключают к “−” источника тока.
Шунт  — проводник, присоединяемый параллельно амперметру для увеличения предела его измерений.

\(R_ш = \frac{R_A}{n — 1}\),

где Rш  — сопротивление шунта,
RA  — сопротивление амперметра, 
n  — число, показывающее, во сколько раз увеличивается предел измерений прибора.
Добавочное сопротивление  — проводник, присоединяемый последовательно с  вольтметром для увеличения предела его измерений.

Rд = RV(n-1),

где Rд  — добавочное сопротивление,
RV  — сопротивление вольтметра, 
n  — число, показывающее, во сколько раз увеличивается предел измерений прибора.

Научиться читать электрические схемы важно для любителей электроники. Ведь если правильно ее прочитать, можно спаять что-то интересное, например, карманный фонарик.

Фактчек

  • Проводники в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно.
  • При последовательном соединении проводников общее сопротивление участка цепи увеличивается, при параллельном соединении — уменьшается.
  • Комбинированным называется соединение, при котором некоторые проводники соединены последовательно, а некоторые — параллельно.
  • При подключении приборов обязательно нужно учитывать их полярность.

Проверь себя

Задание 1.
Какие существуют соединения проводников?

  1. Последовательное
  2. Параллельное
  3. Смешанное
  4. Все варианты верны

Задание 2.
При последовательном соединении проводников общее сопротивление участка цепи:

  1. Увеличивается
  2. Уменьшается
  3. Не изменяется

Задание 3.
При параллельном соединении проводников общее сопротивление участка цепи:

  1. Увеличивается
  2. Уменьшается
  3. Не изменяется

Задание 4.
Как подключается амперметр в цепи?

  1. Последовательно
  2. Параллельно
  3. Не имеет значения

Задание 5.
Как подключается вольтметр в цепи?

  1. Последовательно
  2. Параллельно
  3. Не имеет значения

Ответы: 1. — 4; 2. — 1; 3. — 2; 4. — 1; 5. — 2

Понравилась статья? Оцени:
Читайте также:

Читать статьи — хорошо, а готовиться к экзаменам
в самой крупной онлайн-школе — еще эффективнее.

50 000
Количество
учеников
1510
Количество
стобальников
>15000
Сдали на 90+
баллов