Значение силы электрического тока зависит от нескольких факторов. Одним из них является способ соединения проводников. Формулы для последовательного и параллельного подключения были получены экспериментально. Но вместе с тем есть и теоретическое объяснение, подтверждающее эмпирические исследования. Всё дело в изменении общей проводимости рассматриваемого электрического узла.
Общие сведения
Направленное движение носителей зарядов называют электротоком. Для того чтобы он появился, необходим источник электродвижущей силы — энергии. Но внести материал под действие внешней силы оказывается недостаточно. Например, металлы отлично проводят электрический ток, а вот пластмассы — нет.
Любое физическое тело состоит из электронов и атомов. В свою очередь, последние образуются с помощью протонов и нейтронов. Условно считается, что электрон обладает отрицательным зарядом, а атом — положительным. При этом минусовая частичка вращается по орбитали и удерживается с помощью сил межатомного взаимодействия. Так называемое ядро в целом нейтральное из-за того, что количество отрицательно заряженных частиц совпадает с числом положительных протонов.
Но в некоторых материалах существуют электроны, которые не привязаны к атомам. Называют их свободными. Именно их количество определяет способность к проводимости того или иного вещества. При приложении электромагнитного поля свободные носители начинают движение в одну сторону. Тем самым изменяется потенциальная энергия, начинает течь ток.
Все вещества в физике разделяют на три больших класса:
- диэлектрики — материалы, не проводящие электроток;
- полупроводники — вещества, в которых проводимость появляется только при создании определённых дополнительных условий;
- проводники — физические тела, обладающие большим количеством свободных электронов и из-за этого хорошо проводящие электрический ток.
Кроме этого, проводниками называют и части электрических цепей, которые соединяют между собой различные радиодетали. Например, в качестве них могут использоваться медные, алюминиевые серебряные и платиновые материалы.
Характеристикой обратной проводимости является электрическое сопротивление. Эта величина определяет способность проводника препятствовать прохождению тока. Кроме этого, есть и радиодеталь, называемая резистором. Её используют специально для введения в электроцепь активного сопротивления.
Виды соединений
Существует несколько способов соединения проводников между собой. Тот или иной случай используется в зависимости от вида собираемой цепи. Принято, что ток движется от положительного полюса источника энергии к минусовому. Это условное положение, оно связано с тем, что про электроток учёные узнали раньше, чем о частице, участвующей в переносе зарядов — электроне. Поэтому любая цепь будет состоять как минимум из трёх элементов: источника, проводника, нагрузки. Под последней понимается приёмник, преобразующий электричество в полезную работу.
Соединение элементов электрической цепи может быть выполнено двумя способами:
- Параллельным — все элементы одним из выводов присоединяются к одной точке, а вторым к тоже общей, но уже другой.
- Последовательным — все проводники соединяются последовательно друг за другом, то есть по прямой. Вход одного элемента подключается к входному электроду другого.
Определить, какой вид сведения используется, можно довольно просто с помощью мультиметра включённого в режим прозвонки диодов. Если при измерении две точки проводника будут звониться накоротко с двумя другими, значит, подключение выполнено параллельно.
С точки зрения физики, соединение проводников определяет путь прохождения носителей зарядов. Так, при возникновении разницы потенциалов, работы по перемещению зарядов свободные электроны начинают двигаться в одну сторону. При этом в некоторых местах, точках разветвления проводящей линии происходит их перераспределение. Этот процесс довольно просто можно понять, представив циркуляцию воды по замкнутым трубам. Так и электроток проходит по всем разветвлениям и собирается в одной точке.
Таким образом, источник тока всегда будет присоединён параллельно к электрической цепи. Кратко путь прохождения заряженной частицы можно описать так. Из генератора выходит заряд, который под действием электромагнитной силы попадает в проводник. Далее образованный ток начинает двигаться по всем проводящим частям схемы, раздваиваясь и вновь соединяясь в различных точках. После он поступает на нагрузку. В ней происходит преобразование электричества, а его остатки вновь по проводнику текут на другой вывод генератора.
Формулы для расчётов
Параллельное или последовательное подключение позволяет в зависимости от их комбинации добиться нужных характеристик в электрической цепи. Например, ограничить подачу тока в некоторые точки, снизить напряжение или поддерживать его на одном уровне. Для расчёта нужных параметров используют формулы для последовательного и параллельного соединения. Изначально они были получены эмпирическим путём, а затем доказаны и теоретически.
В первую очередь нужно отметить закон Ома для участка цепи. Согласно ему, сила тока в проводнике пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению рассматриваемого участка. Записывается закон так: I = U / R. При этом сопротивление определяется физическими и геометрическими параметрами материала.
Наряду с законом Ома, важнейшими утверждениями в электротехнике являются правила Кирхгофа. Их два:
- Алгебраическая сумма токов, сходящихся в одной точке цепи, равна нулю.
- В замкнутой электрической цепи алгебраическая сумма произведения тока на сопротивление равняется алгебраической сумме напряжений, действующих в этом контуре.
На основании закона и правил можно составить выражения, описывающие параллельное и последовательное соединение. Формулы для этих типов подключений будут следующими:
- Для последовательного: I = I1 = I2. То есть сила тока, протекающая через любой проводник, будет одинаковой для каждого из них. Связанно это с тем, что заряды не накапливаются, а через элементы проходит один и тот же заряд. Общее же напряжение будет равняться сумме падений потенциалов на каждом проводнике: U = U 1 + U2.
- Для параллельного: I = I 1 + I 2. Эта формула верна, так как в точке разветвления заряды не скапливаются, а согласно правилу Кирхгофа, поступающий заряд равен уходящему. Напряжение же будет при таком соединении одинаковым на концах любого проводника: U = U 1 + U 2.
Используя закон Ома, можно вывести формулы для нахождения сопротивления. Так, для параллельного подключения можно записать: U / R = U / R1 + U / R2. Напряжение одинаковое и на него можно сократить. В итоге формула примет вид: 1 / R = 1 / R1 + 1 / R2. Для последовательного подключения можно записать: IR = IR1 + IR2. Здесь сила тока везде одинаковая, поэтому выражение после упрощения примет вид: R = R1 + R2.
Естественно, в цепочке может находиться сколь угодно много проводников. Вид формул от этого не изменится, только добавятся дополнительные величины. Что интересно, в основе измерительных приборов лежат как раз эти законы.
Так, вольтметр (прибор, измеряющий напряжение) подключается параллельно, а амперметр (устройство измерения силы тока) — последовательно.
Решение задач
Изучение возможностей того или иного соединения лучше всего выполнять на практике. Но для этого необходимо иметь генератор тока и измерительные приборы. Поэтому обычно рассматривают схемы, на которых с помощью условных обозначений нанесены проводники. Для расчёта параметров используют последовательность формул в зависимости от типа соединения.
Вот некоторые из таких заданий:
- Найти ток, протекающий по двум проводникам, соединённым параллельно, если их сопротивление равно 20 Ом и 30 Ом, а напряжение в цепи составляет 100 В. Для того чтобы определить силу тока, вначале следует рассчитать общее сопротивление. Сделать это можно по формуле: 1 / Ro = 1 / R1 + 1 / R2 = 1 / 20 Ом + 1 / 30 Ом = 0,05 Ом + 0, 0 33 Ом = 0,08 3 Ом. Отсюда: R0 = 1 2, 05 Ом. Найти ток можно по закону Ома: I = U / R = 100 В / 12,05 Ом = 8,3 А.
- Напряжение в сети 120 вольт. Две лампочки включены последовательно. Сопротивление каждой равно 240 Ом. Определить силу тока в лампах. Чтобы решить пример, нужно вспомнить закон Ома и чему равно сопротивление цепи при последовательном соединении. Так, I = U / R, а Ro = R 1 + R 2. Ток при таком типе соединения будет одинаков в каждом проводнике. Значит: I1 = I2 = U / (R1 + R2) = 120 В / (240 Ом + 240 Ом) = 0, 25 А.
- Два проводника подключены параллельно. Сила тока в первом равняется 0,5 А, а во втором — 2 А. Сопротивление первого элемента составляет 15 Ом. Найти силу тока на всём участке и сопротивление второго проводника. Решение нужно начинать с поиска общего тока и напряжения. Так, I = I 1 + I 2 = 0,5 A + 2 A = 2,5 A; U = U 1 = U 2 = R 1 * I 1 = 15 Ом * 2,5 А = 37,5 В. Теперь можно определить и неизвестное сопротивление. Оно будет равняться R2 = U / I2 = 37,5 В / 2 А = 18,75 Ом.
Таким образом, чтобы правильно решить задачи, нужно уметь различать виды соединений и знать всего несколько формул. Отличить какой тип соединения в смешанной цепи несложно. Нужно лишь внимательно проследить, как подключены проводники. Если они имеют только одну общую точку, это последовательный вид, а если две — параллельный.
