Измерение сопротивления
Измерение электрического сопротивления проводника производят с помощью омметра или мультиметра. Мультиметр может определять несколько характеристик электрической цепи. Существуют разные способы проведения измерений. К общим принципам, которые нужно учитывать в любом из них относится то, что и для более точного измерения цепь не должна быть подключена к напряжению, а для измерения отдельного элемента цепи его нужно из неё извлечь. Для проведения измерений омметр подключают параллельно к прибору. Существуют устройства для измерения в цепях постоянного и переменного тока.
https://youtube.com/watch?v=mL7XNOpDoRI
Добиться изменения параметров цепи можно при помощи специального прибора – реостата. Он устроен таким образом, что позволяет как резко, так и плавно устанавливать нужное значение. Есть различные виды реостатов – проволочный, ползунковый, жидкостный, ламповый. В лабораторных работах применяют простой ползунковый прибор. Ещё их можно классифицировать на переменный, подстроечный и регулировочный. Реостаты являются обязательным элементом многих электрических сетей и частью приборов.
Ползунок реостата меняет длину проволоки в цепи и соответственно её сопротивление
Понятие электрического сопротивления проводника
Классическое определение объясняет электрический ток движением «свободных» (валентных) электронов. Его обеспечивает созданное источником электрическое поле. Перемещение в металле затрудняют не только нормальные компоненты кристаллической решетки, но и дефектные участки, примеси, неоднородные области. В ходе столкновений с препятствиями за счет перехода импульса в тепловую энергию происходит повышение температуры.
В газах, электролитах и других материалах несколько отличная физика явления. Линейные зависимости наблюдаются в металлах и других проводниках. Базовые соотношения выражены известной формулой закона Ома:
R (электрическое сопротивление) = U (напряжение)/ I (сила тока).
Для удобства часто используют обратную величину, проводимость (G = 1/R). Она обозначает способность определенного материала пропускать ток с определенными потерями.
Для упрощения иногда применяют пример с водопроводом. Движущаяся жидкость – аналог тока. Давление – эквивалент напряжения. Уменьшением (увеличением) поперечного сечения или положением запорного устройства определяют условия перемещения. Подобным образом изменяют основные параметры электрических цепей с помощью сопротивления (R).
К сведению. Количество жидкости, проходящее за единицу времени через контрольное сечение трубы, – эквивалент электрической мощности.
Примесная проводимость полупроводников
Проводимость полупроводников увеличивается с введением примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.
Примесной проводимостью
полупроводников называется проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике.
Примесными центрами могут быть:
1. атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;
2. избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;
3. различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.
Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.
Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).
Донорная примесь
От латинского «donare» — давать, жертвовать.
Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As, которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях (рис. 8).
Рис. 8
Энергия отрыва (энергия ионизации) пятого валентного электрона мышьяка в кремнии равна 0,05 эВ = 0,08⋅10-19 Дж, что в 20 раз меньше энергии отрыва электрона от атома кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка теряют один из своих электронов и становятся положительными ионами. Положительные ионы мышьяка не могут захватить электроны соседних атомов, так как все четыре связи у них уже укомплектованы электронами. В этом случае перемещения электронной вакансии — «дырки» не происходит и дырочная проводимость очень мала, т.е. практически отсутствует.
Донорные примеси
— это примеси легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов. При наличии электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нем возникает электронная примесная проводимость. В итоге мы получаем полупроводник с преимущественно электронной проводимостью, называемый полупроводником n-типа. (От лат. negativus — отрицательный).
Поскольку в полупроводнике n-типа число электронов значительно больше числа дырок, то электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.
Акцепторная примесь
От латинского «acceptor» — приемщик.
В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает» (рис. 9). Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка. Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны.
Рис. 9
Акцепторные примеси
— это примеси, обеспечивающие дырочную проводимость.
Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа (От лат. positivus — положительный.).
Необходимо отметить, что введение примесей в полупроводники, как и в любых металлах, нарушает строение кристаллической решетки и затрудняет движение электронов. Однако сопротивление не увеличивается из-за того, что увеличение концентрации носителей зарядов значительно уменьшает сопротивление. Так, введение примеси бора в количестве 1 атом на сто тысяч атомов кремния уменьшает удельное электрическое сопротивление кремния приблизительно в тысячу раз, а примесь одного атома индия на 108 — 109 атомов германия уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.
Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные, и акцепторные примеси, то характер проводимости полупроводника (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей заряда.
Резистор
Все реальные проводники имеют сопротивление, но его стараются сделать незначительным. В задачах вообще используют словосочетание «идеальный проводник», а значит лишают его сопротивления.
Из-за того, что проводник у нас «кругом-бегом-такой-идеальный», чаще всего за сопротивление в цепи отвечает резистор. Это устройство, которое нагружает цепь сопротивлением.
Вот так резистор изображается на схемах:
В школьном курсе физики используют европейское обозначение, поэтому запоминаем только его. Американское обозначение можно встретить, например, в программе Micro-Cap, в которой инженеры моделируют схемы.
Вот так резистор выглядит в естественной среде обитания:
Полосочки на нем показывают его сопротивление.
На сайте компании Ekits, которая занимается продажей электронных модулей, можно выбрать цвет резистора и узнать значение его сопротивления:
О том, зачем дополнительно нагружать сопротивлением цепь, мы поговорим в этой же статье чуть позже.
Электрическое сопротивление
Если включать в цепь различные проводники, то сила тока будет различной. Выясним, почему так происходит.
ЗАВИСИМОСТЬ СИЛЫ ТОКА ОТ ВИДА ПРОВОДНИКА, ВКЛЮЧЕННОГО В ЦЕПЬ
Соберём цепь, состоящую из источника тока, ключа, лампочки, и амперметра. Будем последовательно подсоединять проводники одинакового размера, но сделанные из различных материалов (например, железа, меди и никеля). При этом можно видеть, что показания амперметра и свечение лампочки при включении различных проводников изменяются. Так, свечение лампочки и сила тока при подключении железного проводника больше, чем при включении никелевого, но меньше, чем при подключении медного.
ПРИЧИНА СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ ТОКУ
Опыт показал, что при включении в цепь одного и того же источника сила тока зависит от свойств проводников, включённых в эту цепь. Это означает, что разные проводники оказывают различное противодействие, или сопротивление, току. Это сопротивление возникает из-за взаимодействия движущихся электронов с положительными ионами кристаллической решётки металла. Соответственно уменьшается и переносимый электронами за 1 с заряд, т. е. уменьшается сила тока.
Вместе с тем в результате взаимодействия с электронами усиливается беспорядочное колебательное движение ионов. Это приводит к увеличению температуры проводника. Следовательно, энергия движущихся зарядов превращается во внутреннюю энергию проводника.
Разные проводники обладают различным сопротивлением электрическому току из-за особенностей в строении их кристаллической решётки.
Причиной сопротивления проводников электрическому току является взаимодействие движущихся электронов и ионов кристаллической решётки.
СОПРОТИВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Рассмотренные выше опыты по зависимости силы тока в цепи от свойств проводников касались только металлов. Эта зависимость остаётся справедливой и для проводников другой природы, например электролитов.
Чтобы убедиться в этом, воспользуемся приведённой выше цепью. Только теперь вместо проводника в цепь включим сосуд для электролиза, который будем поочерёдно заполнять слабым водным раствором обычной соли, 10-процентным раствором медного купороса и 20-процентным раствором медного купороса.
Как свидетельствует опыт, в случае заполнения сосуда 20-процентным раствором медного купороса в начале наблюдения мы видим более яркое свечение лампочки, чем в случае заполнения 10-процентным раствором медного купороса или слабым соляным раствором. При этом более яркому свечению лампочки соответствуют большие показания амперметра.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Физическую величину, характеризующую способность проводника препятствовать протеканию электрического тока в этом проводнике, называют электрическим сопротивлением. Сопротивление обозначают буквой R.
Единицу сопротивления называют ом (1 Ом) в честь немецкого учёного Георга Ома, который впервые ввёл это понятие. 1 Ом — это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах 1 В сила тока равна 1 А: 1 Ом = 1 В / 1 А.
Лампочка обладает более высоким сопротивлением электрическому току, чем проволока. Поэтому электрический ток в проволоке больше, чем в лампочке. Если к батарейке подсоединить лампочку, то батарейка разрядится не так быстро, как если бы к ней подсоединили обычный проводник.
Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Электрическое сопротивление».
Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).
Просмотров: 5 219
Сопротивление проводника
По своему сопротивлению тела делятся на три класса: проводники, непроводники (изоляторы) и полупроводники. Это деление условно, так как в природе не существует абсолютных проводников и абсолютных изоляторов.
Сопротивление проводника зависит от следующих факторов: рода материала, размеров, примесей, деформаций, температуры.
Величину, обратную к удельному сопротивлению, то есть γ=1ργ = 1/ ργ=1ρ, называют удельной проводимостью материала. Наименьшее ρρρ имеют серебро, медь, алюминий. В электротехнике проводники изготавливаются из меди или алюминия. При одинаковом сопротивлении алюминиевый проводник толще медного, но имеет меньшую плотность; кроме того, он дешевле и поэтому его целесообразнее использовать.
Удельное сопротивление
Отражение взаимосвязи сопротивления проводника и природы вещества – удельное сопротивление проводника ρ. Этот показатель равен сопротивлению, которое оказывает метровый проводник сечением в квадратный метр. Для разных веществ – оно отличается. Единица – Ом-метр (обозначается Ом·м).
Определение удельного сопротивления проводника самостоятельно проводить при подсчётах не нужно. Его значения приводятся в справочных таблицах, имеющихся в книгах и задачниках. Самые низкие значения – у золота, серебра, меди, латуни.
Стоит отметить, что эта величина имеет зависимость от следующих особенностей: количества в нём свободных электронов и их скорости рассеивания на ионах кристаллической решётки, её дефектах и примесях.
Мы выяснили, от чего зависит электрическое сопротивление согласно формуле, указанной выше. Но есть ещё одна особенность у этой величины – её значение у проводника от температуры также находится в прямой зависимости. При нагревании проводника оно возрастает, значение может увеличиваться до 50%. А вот у электролитов наоборот при увеличении их температуры – уменьшается. Существуют сплавы, которые всегда имеют стабильное значение. Зависимость от температуры характеризует температурный коэффициент сопротивления, измеряется в Кельвинах в минус первой степени (обозначается К-1).
Электрический ток и сопротивление
В том случае, когда подключен постоянный внешний источник электропитания, создающий электрическое поле, начинает происходить упорядоченное движение свободных электронов из конца в конец внутри проводника. Если бы при этом не было препятствий, то такой проводник обладал бы нулевым сопротивлением и сверхпроводимостью. В отдельных случаях, в условиях сверхнизких температур, удается достичь подобного результата.
В нормальных условиях, при обычной температуре, в проводниках возникают определенные препятствия, затрудняющие свободный проход электронов. Из-за этого и возникает ситуация, получившая название электрическое сопротивление проводника.
Удельное сопротивление
Удельное сопротивление – это табличная величина, для каждого металла она своя. Она нужна для расчета и зависит от кристаллической решетки металла и структуры атомов.
Из таблицы видно, что самое меньшее сопротивление у серебра, для медного кабеля оно равняется 0,017 Ом*мм2/м. Такая размерность говорит нам, сколько приходится Ом при сечении в 1 миллиметр квадратный и длине в 1 метр.
Кстати, серебряное покрытие используется в контактах коммутационных аппаратов, автоматических выключателей, реле и прочего. Это снижает переходное контактное сопротивление, повышает срок службы и уменьшает нагрев контактов. При этом в контактах измерительной и точной аппаратуры используют позолоченные контакты из-за того, что они слабо окисляются или вообще не окисляются.
У алюминия, который часто использовался в электропроводке раньше, сопротивление в 1,8 раза больше чем у меди, равняется 2,82*10-8 Ом*мм2/м. Чем больше сопротивление проводника, тем сильнее он греется. Поэтому при одинаковом сечении алюминиевый кабель может передать меньший ток, чем медный, это и стало основной причиной почему все современные электрики используют медную электропроводку. У нихрома, который используется в нагревательных приборах оно в 100 раз больше чем у меди 1,1*10-6 Ом*мм2/м.
Чем же вызвано электрическое сопротивление
Прежде всего, это атомы, стоящие на пути электронов, которые движутся с огромной скоростью. Происходит постоянное взаимодействие электронов и атомов, при этом, теряется внутренняя энергия электронов, превращающаяся в тепло. Поэтому, с увеличением длины проводника, его внутреннее электросопротивление возрастает. При увеличении сечения, сопротивление, наоборот, будет уменьшаться, поскольку возрастает количество проходящих электронов.
Поскольку структура кристаллической решетки у разных материалов отличается, то их сопротивление также будет различным. Оно получило название удельного сопротивления, которое точно соответствует определенному проводнику.
Обязательны ли расчеты?
Как мы уже сказали, сечение провода выбирают исходя из предполагаемого тока и сопротивления металла, из которого изготовлены жилы. Логика выбора заключается в следующем: сечение подбирают таким способом, чтобы сопротивление при заданной длине не приводило к значительным просадкам напряжения. Чтобы не проводить ряд расчетов, для коротких линий (до 10-20 метров) есть достаточно точные таблицы:
В этой таблице указаны типовые значения сечения медных и алюминиевых жил и номинальные токи через них. Для удобства указана мощность нагрузки, которую выдержит эта линия
Обратите внимание на разницу в токах и мощности при напряжении 380В, естественно, что это предполагается трёхфазная электросеть
Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором подробно рассказывается, как рассчитать сечение проводника, а также предоставлены примеры расчетных работ:
Расчет сопротивления провода сводится к использованию пары формул, при этом вы можете скачать готовые калькуляторы из Плэй Маркета для своего смартфона, например, «Electrodroid» или «Мобильный электрик». Эти знания пригодятся для расчетов нагревательных приборов, кабельных линий, предохранителей и даже популярных на сегодняшний день спиралей для электронных сигарет.
Что необходимо уточнить, затрагивая СП
Название статьи – это исходная точка рассказа о целой группе понятий, каждое из которых относится к СП. И вот почему. Само понятие «сопротивление» означает препятствование чему-либо. Следовательно, при упоминании проводника подразумевается то, как он препятствует прохождению электрического тока через него. Но, как известно, ток бывает переменный и постоянный. Поэтому сразу уточняем:
СП в целом зависит от свойств напряжения, воздействующего на него, материала и пространственно-геометрических характеристик проводника при определенной температуре окружающей среды, и силы, приложенной к нему.
Из этой общей формулировки вытекают следующие понятия:
- активное сопротивление,
- реактивное сопротивление,
- импеданс,
- волновое сопротивление.
Раскрытие перечисленных понятий дает общее представление того, от чего же зависит СП.
Температурная зависимость сопротивления
Опыты показывают, что для химически чистых металлов в пределах температур от Т<sub>0</sub> = 273К до Т = 373К (а для некоторых металлов, например платины, в значительно более широком интервале температур) сопротивление проводника линейно зависит от температуры:
RT=R(1+aΔT),{{R}_{T}}={{R}_{0}}(1+a\Delta T),RT=R(1+aΔT),
где RR_0R – сопротивление проводника при ТТ_0Т = 273,15К;
ааа – температурный коэффициент сопротивления;
ΔT=Т−ТΔΤ = Т — Т_0ΔT=Т−Т.
Для химически чистых металлов температурный коэффициент сопротивления а ~ 0,004 К<sup>-1</sup> (близкий к 1/273, 15 К<sup>-1</sup>).
Если в печь поместить металлическую спираль с известным сопротивлением R<sub>0</sub> и измерить сопротивление R<sub>T</sub>, то по данной формуле можно определить температуру печи. Это положено в основу строения и принципа действия электрического термометра.
Удельное сопротивление некоторых сплавов (константан, манганин) практически не зависит от температуры, что очень важно для построения измерительных приборов. С понижением температуры и приближением к абсолютному нулю сопротивление проводников уменьшается
Как найти сопротивление в цепи?
Его можно узнать из закона Ома, который связывает силу тока, напряжение и сопротивление. В этом случае, оно рассчитывается по формуле
формула сопротивления через закон Ома
где
R — сопротивление, Ом
U — напряжение на концах проводника, Вольты
I — сила тока, текущая через проводник, Амперы
То есть нам достаточно замерить напряжение на концах какого-либо проводника и измерить силу тока, проходящую через него. После применить формулу и рассчитать сопротивление проводника. Давайте для закрепления решим простую задачу.
Задача
Рассчитать сопротивление проводника, если известно, что на него подают напряжение 5 Вольт и сила тока, проходящая через него 0,1 Ампер.
Решение
Используем формулу
постоянные резисторы
Также вот вам видео, где очень умный преподаватель объясняет, что такое сопротивление
Близкие темы к этой статье
Таблица удельных сопротивлений проводников
Электрическое сопротивление (ρ) 1 метра провода, сечением 1 мм², при температуре 20 С°:
| Материал проводника | Удельное сопротивление ρ, Ом |
| Серебро | 0.015 |
| Медь | 0.0175 |
| Золото | 0.023 |
| Латунь | 0,025. 0,108 |
| Хром | 0,027 |
| Алюминий | 0.028 |
| Натрий | 0.047 |
| Иридий | 0.0474 |
| Вольфрам | 0.05 |
| Цинк | 0.054 |
| Молибден | 0.059 |
| Никель | 0.087 |
| Бронза | 0,095. 0,1 |
| Железо | 0.1 |
| Сталь | 0,103. 0,137 |
| Олово | 0.12 |
| Свинец | 0.22 |
| Никелин (сплав меди, никеля и цинка) | 0.42 |
| Манганин (сплав меди, никеля и марганца) | 0,43. 0,51 |
| Константан (сплав меди, никеля и алюминия) | 0,44-0,52 |
| Копель (медно-никелевый сплав с 43% никеля и 0,5% марганца) | 0.5 |
| Титан | 0.6 |
| Ртуть | 0.94 |
| Хромель (хром 8,7 — 10 %; никель 89 — 91 %; кремний, медь, марганец, кобальт — примеси) | 1.01 |
| Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца) | 1,05. 1,4 |
| Фехраль | 1,15. 1,35 |
| Висмут | 1.2 |
| Хромаль (Сплав 4,5 — 6% алюминия, 17 — 30% хрома, железа) | 1,3. 1,5 |
Сопротивление проводника определяется по формуле r = (ρ × l) / S, где:
- r — сопротивление проводника, Ом.
- ρ — удельное сопротивление проводника, Ом.
- l — длина проводника, м.
- S — сечение проводника, мм².
Сопротивление
Представьте, что есть труба, в которую затолкали камни. Вода, которая протекает по этой трубе, станет течь медленнее, потому что у нее появилось сопротивление. Точно также будет происходить с электрическим током.
Сопротивление — физическая величина, которая показывает способность проводника пропускать электрический ток. Чем выше сопротивление, тем ниже эта способность.
Теперь сделаем «каменный участок» длиннее, то есть добавим еще камней. Воде будет еще сложнее течь.
Сделаем трубу шире, оставив количество камней тем же — воде полегчает, поток увеличится.
Теперь заменим шероховатые камни, которые мы набрали на стройке, на гладкие камушки из моря. Через них проходить тоже легче, а значит сопротивление уменьшается.
Электрический ток реагирует на эти параметры аналогичным образом: при удлинении проводника сопротивление увеличивается, при увеличении поперечного сечения (ширины) проводника сопротивление уменьшается, а если заменить материал — изменится в зависимости от материала.
Эту закономерность можно описать следующей формулой:
|
Сопротивление R = ρ · l/S R — сопротивление l — длина проводника S — площадь поперечного сечения ρ — удельное сопротивление [Ом · мм2/м] |
Единица измерения сопротивления — ом. Названа в честь физика Георга Ома.
Будьте внимательны!
Площадь поперечного сечения проводника и удельное сопротивление содержат в своих единицах измерения мм2. В таблице удельное сопротивление всегда дается в такой размерности, да и тонкий проводник проще измерять в мм2. При умножении мм2 сокращаются и мы получаем величину в СИ.
Но это не отменяет того, что каждую задачу нужно проверять на то, что там мм2 в обеих величинах! Если это не так, то нужно свести не соответствующую величину к мм2.
Знайте!
СИ — международная система единиц. «Перевести в СИ» означает перевод всех величин в метры, килограммы, секунды и другие единицы измерения без приставок. Исключение составляет килограмм с приставкой «кило».
Удельное сопротивление проводника — это физическая величина, которая показывает способность материала пропускать электрический ток. Это табличная величина, она зависит только от материала.
Расчёт сопротивления проводника
Подключив источник тока к проводящей цепи, с применением мультиметра измеряют разницу потенциалов (напряжение) в контрольных точках. Опытным путем несложно установить, что электрические параметры меняются при использовании резистора, изготовленного из разных материалов. Аналогичные результаты получают, экспериментируя с различными поперечными сечениями. С помощью этой статьи можно узнать, от чего зависит сопротивление проводника. Полученные знания пригодятся для создания функциональных электрических схем. Они нужны для корректного ремонта и модернизации радиотехнических устройств, обеспечения личной безопасности в ходе выполнения отдельных рабочих операций.
Факторы, влияющие на сопротивление полупроводников
Опытным путем было установлено, что при повышении температуры происходит уменьшение электрического сопротивления в полупроводниковых кристаллах. Это связано с тем, что при нагревании кристалла увеличивается количество свободных электронов, соответственно, возрастает их концентрация. Изменяющееся сопротивление полупроводников под воздействием температуры, применяется для создания специальных приборов, называемых терморезисторами.
Для того, чтобы изготовить терморезистор используются полупроводники, представляющие собой оксиды отдельных металлов в смешанном состоянии. Готовое вещество размещается в защитном металлическом корпусе с изолированными выводами. С их помощью происходит подключение прибора к электрической цепи.
Терморезисторы используются для измерения температуры или для ее поддержания в заданном режиме в каких-либо устройствах. Основным принципом их работы является изменяющееся сопротивление при перепадах температур. Тот же принцип используется и в фоторезисторах. Здесь величина сопротивления изменяется в зависимости от уровня освещения.
Параллельное и последовательное соединение
В электрике элементы соединяются либо последовательно — один за другим, либо параллельно — это когда к одной точке подключены несколько входов, к другой — выходы от тех же элементов.
Закон Ома для параллельного и последовательного соединения
Последовательное соединение
Как работает закон Ома для этих случаев? При последовательном соединении сила тока, протекающая через цепочку элементов, будет одинаковой. Напряжение участка цепи с последовательно подключенными элементами считается как сумма напряжений на каждом участке. Как можно это объяснить? Протекание тока через элемент — это перенос части заряда с одной его части в другую. То есть, это определенная работа. Величина этой работы и есть напряжение. Это физический смысл напряжения. Если с этим понятно, двигаемся дальше.
Последовательное соединение и параметры этого участка цепи
При последовательном соединении приходится переносить заряд по очереди через каждый элемент. И на каждом элементе это определенный «объем» работы. А чтобы найти объем работы на всем участке цепи, надо работу на каждом элементе сложить. Вот и получается, что общее напряжение — это сумма напряжений на каждом из элементов.
Точно так же — при помощи сложения — находится и общее сопротивление участка цепи. Как можно это себе представить? Ток, протекая по цепочке элементов, последовательно преодолевает все сопротивления. Одно за другим. То есть чтобы найти сопротивление, которое он преодолел, надо сопротивления сложить. Примерно так. Математический вывод более сложен, а так понять механизм действия этого закона проще.
Параллельное соединение
Параллельное соединение — это когда начала проводников/элементов сходятся в одной точке, а в другой — соединены их концы. Постараемся объяснить законы, которые справедливы для соединений этого типа. Начнем с тока. Ток какой-то величины подается в точку соединения элементов. Он разделяется, протекая по всем проводникам. Отсюда делаем вывод, что общий ток на участке равен сумме тока на каждом из элементов: I = I1 + I2 + I3.
Теперь относительно напряжения. Если напряжение — это работа по перемещению заряда, тоо работа, которая необходима на перемещение одного заряда будет одинакова на любом элементе. То есть, напряжение на каждом параллельно подключенном элементе будет одинаковым. U = U1=U2=U3. Не так весело и наглядно, как в случае с объяснением закона Ома для участка цепи, но понять можно.
Законы для параллельного соединения
Для сопротивления все несколько сложнее. Давайте введем понятие проводимости. Это характеристика, которая показывает насколько легко или сложно заряду проходить по этому проводнику. Понятно, что чем меньше сопротивление, тем проще току будет проходить. Поэтому проводимость — G — вычисляется как величина обратная сопротивлению. В формуле это выглядит так: G = 1/R.
Для чего мы говорили о проводимости? Потому что общая проводимость участка с параллельным соединением элементов равна сумме проводимости для каждого из участков. G = G1 + G2 + G3 — понять несложно. Насколько легко току будет преодолеть этот узел из параллельных элементов, зависит от проводимости каждого из элементов. Вот и получается, что их надо складывать.
Теперь можем перейти к сопротивлению. Так как проводимость — обратная к сопротивлению величина, можем получить следующую формулу: 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3.
Что нам дает параллельное и последовательное соединение?
Теоретические знания — это хорошо, но как их применить на практике? Параллельно и последовательно могут соединяться элементы любого типа. Но мы рассматривали только простейшие формулы, описывающие линейные элементы. Линейные элементы — это сопротивления, которые еще называют «резисторы». Итак, вот как можно использовать полученные знания:
Если в наличии нет резистора большого номинала, но есть несколько более «мелких», нужное сопротивление можно получить соединив последовательно несколько резисторов. Как видите, это полезный прием.
Для продления срока жизни батареек, их можно соединять параллельно. Напряжение при этом, согласно закону Ома, останется прежним (можно убедиться, измерив напряжение мультиметром). А «срок жизни» сдвоенного элемента питания будет значительно больше, нежели у двух элементов, которые сменят друг друга
Только обратите внимание: параллельно соединять можно только источники питания с одинаковым потенциалом. То есть, севшую и новую батарейки соединять нельзя
Если все-таки соединить, та батарейка которая имеет больший заряд, будет стремиться зарядить менее заряженную. В результате общий их заряд упадет до низкого значения.
В общем, это наиболее распространенные варианты использования этих соединений.