§ 29. Послідовне з’єднання провідників

ПОСЛІДОВНЕ З’ЄДНАННЯ ЕЛЕМЕНТІВ ЕЛЕКТРИЧНОГО КОЛА. Для того щоб скласти електричне коло, потрібно певним чином з’єднати декілька елементів: джерело струму, споживач електричної енергії, вимірювальний прилад тощо (рис. 29.1).

Рис. 29.1. Послідовне з’єднання елементів електричного кола

З’єднання елементів електричного кола, за якого провідники з’єднуються по черзі один за одним, причому кінець одного елемента з’єднується з початком тільки одного наступного, називається послідовним.

Наприклад, послідовно з’єднують резистори, елементи автомобільної акумуляторної батареї (рис. 29.2).

Рис. 29.2. Приклади послідовного з’єднання елементів: а) послідовне з’єднання резисторів; б) послідовне з’єднання елементів автомобільної акумуляторної батареї

СИЛА СТРУМУ ПРИ ПОСЛІДОВНОМУ З’ЄДНАННІ ПРОВІДНИКІВ. Розглянемо електричне коло з послідовно з’єднаних джерела струму, двох електроламп, амперметра та вимикача (рис. 29.3). Замкнемо електричне коло та виміряємо силу струму I₁ в ньому.

Рис. 29.3. Послідовно увімкнений амперметр вимірює силу струму в електричному колі

Розімкнемо електричне коло та під’єднаємо амперметр між електролампами. Виміряємо силу струму I₂. Проведемо аналогічні вимірювання сили струму I₃ між джерелом струму та електролампами. Порівнявши отримані значення, побачимо, що сила струму в будь-яких ділянках електричного кола однакова.

При послідовному з’єднанні елементів сила струму в усіх ділянках електричного кола однакова: I = I₁ = I₂ = . = I_n.

НАПРУГА ПРИ ПОСЛІДОВНОМУ З’ЄДНАННІ ПРОВІДНИКІВ. Пригадайте електричну гірлянду, яку вам доводилося прилаштовувати на новорічну ялинку. Зазвичай вона складається з багатьох, послідовно з’єднаних низьковольтних електроламп, світлодіодів, розрахованих, наприклад, на декілька вольт, проте ви знаєте, що гірлянда вмикається в мережу напругою 220 В. Чому ж низьковольтні елементи світяться й не перегорають? Виявляється, що загальна напруга, яка прикладається до кінців гірлянди, розподіляється між окремими електролампами. Наприклад, щоб електролампи гірлянди, розраховані на напругу 3,5 В, не перегоріли, потрібно послідовно з’єднати

Розглянемо електричне коло з послідовно з’єднаних джерела струму, двох електроламп, амперметра та вимикача. Замкнемо електричне коло. Амперметр покаже силу струму в ньому. По черзі виміряємо вольтметром, під’єднуючи його паралельно до затискувачів, напругу на полюсах джерела струму U та на кожній з електроламп U₁, U₂ (рис. 29.4). Порівняємо виміряні значення напруги.

Рис. 29.4. Паралельно підключений вольтметр вимірює напругу на полюсах джерела струму

У результаті напруга на полюсах джерела струму дорівнюватиме сумі напруг на електролампах:

Таким чином, повна напруга в електричному колі (або напруга на полюсах джерела струму) при послідовному з’єднанні дорівнює сумі напруг на окремих ділянках кола: U = U₁ + U₂ + . + U_n.

ОПІР ПРИ ПОСЛІДОВНОМУ З’ЄДНАННІ ПРОВІДНИКІВ. Розглянемо електричне коло з п послідовно з’єднаних елементів. Застосуємо закон Ома для всього кола та окремих його ділянок. Отримаємо:

де I — сила струму в колі; R, R₁, R₂, R_n — загальний опір кола та його ділянок. Оскільки загальна напруга на кінцях послідовного з’єднання дорівнює сумі напруг на окремих ділянках кола, тобто

Загальний опір при послідовному з’єднанні дорівнює сумі опорів окремих провідників або ділянок електричного кола:

Цю властивість послідовного з’єднання елементів електричного кола враховують при виготовленні амперметрів. Оскільки амперметр вмикається в коло послідовно, то його опір має бути дуже малим (десяті або соті частки ома), щоб він суттєво не впливав на загальний опір і, відповідно, силу струму в колі.

Розглянемо приклад задачі та спробуємо розібратися, як формули для розрахунку електричних характеристик кіл із послідовним з’єднанням використовують для розв’язування фізичних задач.

Задача. Три резистори з опорами 2, 3, 5 Ом з’єднані послідовно. Амперметр, увімкнений у коло, показує струм 1 А. Визначити опір кола, напругу на кожному резисторі та повну напругу на кінцях ділянки кола.

R = 2 Ом + 3 Ом + 5 Ом = 10 Ом.

Сила струму при послідовному з’єднанні однакова в усіх резисторах:

Напругу на кожному з резисторів визначимо за законом Ома для ділянки кола:

U₁ = І • R₁, U₁ = 1 А • 2 Ом = 2 В;

U₂ = I • R₂, U₂ = 1 А • 3 Ом = 3 В;

U₃ = I • R₃, U₃ = 1 А • 5 Ом = 5 В.

Повна напруга в колі при послідовному з’єднанні:

U = U₁ + U₂ + U₃, або U = I • R,

U = 2 В + 3 В + 5 В = 10 В,

або U = 1 А • 10 Ом = 10 В.

Відповідь: R = 10 Ом, U₁ = 2 В, U₂ = 3 В, U₃ = 5 В, U = 10 В.

Головне в цьому параграфі

З’єднання елементів електричного кола, за якого провідники з’єднуються по черзі один за одним, причому кінець одного елемента з’єднується з початком тільки одного наступного, називається послідовним.

При послідовному з’єднанні елементів сила струму в усіх частинах електричного кола однакова: I = I₁ = I₂ = . = I_n.

Повна напруга в електричному колі (або напруга на полюсах джерела струму) при послідовному з’єднанні дорівнює сумі напруг на окремих ділянках кола: U = U₁ + U₂ + . + U_n.

Загальний опір при послідовному з’єднанні дорівнює сумі опорів окремих провідників або ділянок електричного кола: R = R₁ + R₂ + . + R_n.

Запитання для самоперевірки

• 1. Яке з’єднання елементів електричного кола називають послідовним? Як його зображають на електричних схемах?
• 2. Як виміряти силу струму в електричному колі при послідовному з’єднанні його елементів? Чи залежить виміряне значення від точки увімкнення амперметра в електричне коло?
• 3. Як визначити повну напругу в електричному колі, якщо є виміряні значення напруг кожної з його ділянок, з’єднані послідовно?
• 4. Як визначити опір ділянки кола, що складається з декількох послідовно з’єднаних резисторів із відомими опорами?
• 5. Чому внутрішній опір амперметра має бути дуже малим?

Вправа до § 29

• 1(п). Накресліть у зошиті схему електричного кола, зображеного на рис. 29.4. Які елементи електричного кола з’єднані послідовно?
• 2(с). Послідовно з вольтметром, опір якого 300 Ом, увімкнено додатковий опір 2,7 кОм. Визначте загальний опір цих елементів електричного кола.
• 3(с). Для освітлення трамвайного вагона використовуються електричні лампи, розраховані на напругу 120 В, хоча напруга в контактній мережі трамвая 600 В. Скільки ламп та яким чином мають бути увімкнені в електричну систему освітлення трамвайного вагона?
• 4(д). Порівняйте температуру ниток розжарювання двох однакових електричних лампочок Л₁ і Л₂, зображених на електричній схемі. Як зміниться розжарювання нитки кожної з лампочок, якщо повзунок D реостата R перемістити: а) праворуч; б) ліворуч? Нагадаємо, що розжарення нитки лампочки залежить від сили струму в ній: чим більша сила струму, тим більше розжарення і навпаки.

Рисунок до завдання 4

• 5(д). Опір резисторів, увімкнутих в електричне коло, становить R₁ = 6 Ом, R₂ = 12 Ом. Покази вольтметра 6 В. Визначте напругу на резисторі опором R₁ та напругу U на ділянці кола.

Рисунок до завдання 5

• 6(в). У коло увімкнено послідовно три провідники опором R₁ = 50 Ом, R₂ = 60 Ом, R₃ = 120 Ом (див. рисунок до задачі). Яку силу струму показує амперметр і яка напруга між точками A і B, якщо покази вольтметра 12 В?

Рисунок до задачі 6

Амперметр

Амперме́тр (від ампер і метр) — прилад для вимірювання сили струму постійного та/або струму змінного в амперах (А). В аналогових амперметрах силу струму визначають за відхиленням стрілки або світлового покажчика, механічно пов’язаного з рухомою системою приладу. Відхилення останньої відбувається внаслідок силової взаємодії вимірюваного струму з магнітним полем, теплового впливу струму тощо. У цифрових амперметрах вимірюваний струм перетворюється на кодований електричний сигнал, який керує цифровим індикатором. В електричне коло амперметр вмикається послідовно. З метою уникнення змін у роботі кола внутрішній опір амперметра має бути суттєво меншим, аніж опір елементів, які послідовно з ним увімкнені. Деякі системи амперметрів допускають вимірювання постійного та змінного струму безпосередньо, інші з цією метою містять випрямляч. Відповідно до діапазону вимірюваних струмів розрізняють кіло-, мілі-, мікро- та пікоамперметри. Для розширення діапазону вимірювання застосовують узбічники (шунти), вимірювальні трансформатори тощо. Поширеними є такі амперметри, конструкція яких перемиканням дає змогу змінювати межі вимірюваних струмів.

Література

1. Собко Я. М. Елементи і монтаж радіоелектронної апаратури з основами електрорадіовимірювань. Київ, 2012.
2. Горкунов Б. М., Львов С. Г., Тищенко А. А. Измерение параметров электрических цепей. Харьков, 2014.

Автор ВУЕ

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 10.07.2021

Важливо!

Ворог не зупиняється у гібридній війні і постійно атакує наш інформаційний простір фейками.

Ми закликаємо послуговуватися інформацією лише з офіційних сторінок органів влади.

Збережіть собі офіційні сторінки Національної поліції України та обласних управлінь поліції, аби оперативно отримувати правдиву інформацію.

Отримуйте інформацію тільки з офіційних сайтів