Содержание:

Резистор представляет собой устройство, обладающее устойчивым, стабильным значением сопротивления. Это позволяет выполнять регулировку параметров на любых участках электрической цепи. Существуют различные виды соединений, в том числе и смешанное соединение резисторов. От использования того или иного способа в конкретной схеме, напрямую зависит падение напряжений и распределение токов в цепи. Вариант смешанного соединения состоит из последовательного и параллельного подключения активных сопротивлений. Поэтому в первую очередь нужно рассматривать эти два вида соединений, чтобы понять, как работают другие схемы.

Последовательное соединение

Последовательная схема подключения предполагает расположение резисторов в схеме таким образом, что конец первого элемента соединяется с началом второго, а конец второго - с началом третьего и т.д. То есть все резисторы поочередно следуют друг за другом. Сила тока при последовательном соединении будет одинаковой в каждом элементе. В виде формулы это выглядит следующим образом: I общ = I 1 = I 2 , где I общ является общим током цепи, I 1 и I 2 - соответствуют токам 1-го и 2-го резистора.

В соответствии с законом Ома, напряжение источника питания будет равно сумме падений напряжения на каждом резисторе: U общ = U 1 + U 2 = I 1 r 1 + I 2 r 2 , в которой U общ - напряжение источника электроэнергии или самой сети; U 1 и U 2 - значение падений напряжения на 1-м и 2-м резисторах; r 1 и r 2 - сопротивления 1-го и 2-го резисторов. Поскольку токи на любом участке цепи имеют одинаковое значение, формула приобретает вид: Uобщ = I(r 1 + r 2).

Таким образом, можно сделать вывод, что при последовательной схеме включения резисторов, электрический ток, протекающий через каждый из них равен общему значению тока во всей цепи. Напряжение на каждом резисторе будет разное, однако их общая сумма составит значение, равное общему напряжению всей электрической цепи. Общее сопротивление цепи также будет равно сумме сопротивлений каждого резистора, включенного в эту цепь.

Параметры цепи при параллельном соединении

Параллельное соединение представляет собой включение начальных выходов двух и более резисторов в единой точке, и концов этих же элементов в другой общей точке. Таким образом, фактически происходит соединение каждого резистора непосредственно с источником электроэнергии.

В результате, будет одинаковым с общим напряжением цепи: U общ = U 1 = U 2 . В свою очередь, значение токов будет разным на каждом резисторе, их распределение становится прямо пропорциональным сопротивлению этих резисторов. То есть, при увеличении сопротивления, сила тока уменьшается, а общий ток становится равен сумме токов, проходящих через каждый элемент. Формула для данного положения выглядит следующим образом: I общ = I 1 + I 2 .

Для расчетов общего сопротивления используется формула: . Она используется при наличии в цепи только двух сопротивлений. В тех случаях, когда сопротивлений в цепи подключено три и более, применяется другая формула:

Таким образом, значение общего сопротивления электрической цепи будет меньше, чем самое минимальное сопротивление одного из резисторов, подключенных параллельно в эту цепь. На каждый элемент поступает напряжение, одинаковое с напряжением источника электроэнергии. Распределение тока будет прямо пропорциональным . Значение общего сопротивления резисторов, соединенных параллельно, не должно превышать минимального сопротивления какого-либо элемента.

Схема смешанного соединения резисторов

Схема смешанного соединения обладает свойствами схем резисторов. В этом случае элементы частично подключаются последовательно, а другая часть соединяется параллельно. На представленной схеме резисторы R 1 и R 2 включены последовательно, а резистор R 3 соединен параллельно с ними. В свою очередь резистор R 4 включается последовательно с предыдущей группой резисторов R 1 , R 2 и R 3 .

Расчет сопротивления для такой цепи сопряжен с определенными трудностями. Для того чтобы правильно выполнить расчеты используется метод преобразования. Он заключается в последовательном преобразовании сложной цепи в простейшую цепь за несколько этапов.

Если для примера вновь использовать представленную схему, то в самом начале определяется сопротивление R 12 резисторов R 1 и R 2 , включенных последовательно: R 12 = R 1 + R 2 . Далее, нужно определить сопротивление резисторов R 123 , включенных параллельно, по следующей формуле: R 123 =R 12 R 3 /(R 12 +R 3) = (R 1 +R 2)R 3 /(R 1 +R 2 +R 3). На последнем этапе выполняется расчет эквивалентного сопротивления всей цепи, путем суммирования полученных данных R 123 и сопротивления R 4 , включенного последовательно с ним: R эк = R 123 + R 4 = (R 1 + R 2) R 3 / (R 1 + R 2 + R 3) + R 4 .

В заключение следует отметить, что смешанное соединение резисторов обладает положительными и отрицательными качествами последовательного и параллельного соединения. Это свойство успешно используется на практике в электрических схемах.

Соединение резисторов

Различные варианты соединение резисторов очень часто используются в электротехнических цепях и схемах радиоэлектроники. В рамках этой статьи мы рассмотрим только участок цепи, состоящий из различных соединений резисторов, которое может быть последовательным, параллельным и смешанным (одновременно и последовательное и параллельное).

Это такой тип подключения, в котором конец одного сопротивления соединен с началом второго, а конец второго сопротивления с началом третьего и так далее по цепочке:

То есть при последовательном подключении сопротивления подключатся друг за другом в одну цепочку. При таком подключении через них будет протекать один общий ток. Поэтому, для последовательного соединения резисторов можно сказать, что между точками А и Б (смотри рисунок) существует только один путь протекания тока. Таким образом, чем выше количество последовательно соединенных сопротивлений, тем более высокое сопротивление они оказывают протеканию тока, то есть общее сопротивление увеличивается. Рассчитывается оно по следующей формуле:

R общ = R1 + R2 + R3+...+ R n

Напряжение при последовательном подключении

Напряжение при данном типе подключения распределяется на каждое отдельное сопротивление согласно главному закону электротехники - Ома:

U общ = U R1 +U R2 +U R3

U R1 =I общ *R1 , Аналогично рассчитываются U R2 и U R3

I общ = I 1 =I 2 =I 3

При этом типе подключения начала всех отдельных сопротивлений сводятся в одну общую точку (А), а их концы состыковываются вместе с другой общей точкой (Б)

При этом по каждому сопротивлению идет свой ток. При параллельном соединении резисторов при протекании тока из точки А в точку Б, он имеет несколько составляющих, в зависимости от количества сопротивлений. Таким образом, с ростом количества параллельно соединенных сопротивлений увеличивается и количество путей протекания тока, то есть снижается противодействие протеканию тока. А это говорит о том, чем выше количество сопротивлений в цепи соединить параллельно, тем ниже будет номинал общего сопротивления участка цепи (в нашем примере между точкой А и Б.) Общее сопротивление параллельно соединенных резисторов вычисляется из следующей формулы:

1/R общ = 1/R1+1/R2+1/R3+…+1/R n

Следует добавить, что при таком расчете срабатывает правило «меньше - меньшего». Это значит, что общее сопротивление цепи всегда будет ниже любого параллельно включенного резистора. Общее сопротивление для двух параллельно соединенных пассивных радиокомпонентов рассчитывается по следующей математической формуле:

R общ = R1*R2/R1+R2

Если два параллельно соединенных сопротивления обладают одинаковым номиналом, то их общее значение будет равно половине каждого из них.

Напряжение и ток при параллельном подключении

Напряжение между точками A и B является как общим напряжением для всего участка цепи, так и напряжением, падающим на каждом отдельном сопротивлении. Поэтому при параллельном подключении на всех резисторах будет абсолютно одинаковое напряжение.

Так как через каждое отдельное сопротивление течет ток, сила которого обратно пропорциональна номиналу сопротивления резистора, то его вычисляют также через закон Ома:

Смешанное соединение резисторов

Такой тип является комбинацией выше рассмотренных последовательного и параллельного подключения. Иногда такое сочетание еще называют последовательно-параллельным соединением. На рисунке ниже показан простейший пример такого типа подключения.

На рисунке отчетливо видно, что радиокомпоненты R2 R3 включены в цепь параллельно, а R1, комбинация R2 R3 и R4 последовательно. Для вычисления номинала сопротивления таких схем, всю цепь делят на простейшие участки, из параллельно или последовательно соединенных резисторов. Далее используют следующую математическую последовательность:

1. Находят эквивалентное сопротивление участков цепи с параллельным соединением резисторов.

2. Если эти участки включают последовательно соединенные резисторы, то сначала вычисляют их сопротивление.

3. После расчета эквивалентных сопротивлений перерисовывают схему (Можно делать это и мысленно, но в первый раз обязательно прорисуйте). Обычно получается цепь из участков последовательно соединенных эквивалентных сопротивлений.

4. Рассчитывают общее сопротивления полученной схемы.

Практический пример расчета участка цепи со смешанным подключением отдельных сопротивлений из учебного курса общей электротехники рассмотрен на рисунке ниже.

Обучающий видеофильм для закрепления полученных знаний

При подборке резистора, как минимум нужно знать номинальное сопротивление, мощность и максимально допустимое напряжение. Но в некоторых случаях и при сложных расчетах потребуется учитывать и другие технические параметры. Поговорим об всем этом более подробно, а в конце нашей лекции рассмотрим расчет правильного подбора резистора для светодиода.

На рисунке ниже, резисторы R1, R2 и R3 связаны друг с другом последовательно между точками А и В с общим током I, который протекает через них.

Эквивалентное сопротивление нескольких последовательно соединенных резисторов можно определить по следующей формуле:

R = R1 + R2 + R3

То есть, в нашем случае общее сопротивление цепи будет равно:

R = R1 + R2 + R3 = 1 кОм + 2 кОм + 6 кОм = 9 кОм

Таким образом, мы можем заменить эти три резистора всего лишь одним «эквивалентным» резистором, который будет иметь значение 9 кОм.

Там, где четыре, пять или более резисторов связаны вместе в последовательную цепь, общее или эквивалентное сопротивление всей цепи так же будет равно сумме сопротивлений отдельных резисторов.

Следует отметить, что общее сопротивление любых двух или более резисторов, соединенных последовательно всегда будет больше, чем самое большое сопротивление резистора входящего в эту цепь. В приведенном выше примере R = 9 кОм, тогда как наибольшее значение резистора только 6 кОм (R3).

Напряжение на каждом из резисторов, соединенных последовательно, подчинено другому правилу, нежели протекающий ток. Как известно, из приведенной выше схемы, что общее напряжение питания на резисторах равно сумме разности потенциала на каждом из них:

Используя закон Ома, напряжение на отдельных резисторов может быть вычислена следующим образом:

В итоге сумма разностей потенциалов на резисторах равна общей разности потенциалов всей цепи, нашем примере это 9В.

В частности, ряд резисторов, соединенных последовательно, можно рассматривать как делитель напряжения:

12 Параллельное соединение резисторов.

Это такое соединение, при котором все начала элементов соединяются в одну точку, а все концы в другую и к этим точкам подводится напряжение.

Свойства параллельного соединения резистора:

1. Общее напряжение цепи равно напряжению на каждом участке-

U = U 1 = U 2 = U 3

2. Общий ток цепи равен сумме токов на всех участках- I = I 1 + I 2 + I 3

3. Чтобы найти входное сопротивление, рассчитывают вначале величину обратную входному сопротивлению

Проводимость (G )

Общая проводимость цепи равна сумме проводимостей на каждом участке.

G = G 1 + G 2 + G 3

4.Чем больше сопротивление участка, тем меньше ток, протекающий на нем.

При параллельном соединении двух резисторов формулу входного сопротивления можно преобразовать

2. Если известен общий ток, то можно найти ток ветви, умножив общий ток на сопротивление противоположной ветви и разделить на сумму сопротивлений ; .

13 Смешанное соединение резисторов.

Смешанное соединение резисторов является комбинацией последовательного и параллельного соединения. Иногда подобную комбинацию называют последовательно-параллельным соединением.
На рисунке 4 показан простейший пример смешанного соединения резисторов.

Рисунок 4. Смешанное соединение резисторов.

На этом рисунке видно, что резисторы R2 R3 соединены параллельно, а R1, комбинация R2 R3 и R4 последовательно.
Для расчета сопротивления таких соединений, всю цепь разбивают на простейшие участки, из параллельно или последовательно соединенных резисторов. Далее следуют следующему алгоритму:
1. Определяют эквивалентное сопротивление участков с параллельным соединением резисторов.
2. Если эти участки содержат последовательно соединенные резисторы, то сначала вычисляют их сопротивление.
3. После расчета эквивалентных сопротивлений резисторов перерисовывают схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных сопротивлений.
4. Рассчитывают сопротивления полученной схемы.

Пример расчета участка цепи со смешанным соединением резисторов приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Расчет сопротивления участка цепи при смешанном соединении резисторов.

14 Законы Кирхгофа, их применение для расчета сложных цепей

Первый закон Кирхгофа

Формулировка №1: Сумма всех токов, втекающих в узел, равна сумме всех токов, вытекающих из узла.

Формулировка №2: Алгебраическая сумма всех токов в узле равна нулю.

Поясню первый закон Кирхгофа на примере рисунка 2.

Рисунок 2. Узел электрической цепи.

Здесь ток I 1 - ток, втекающий в узел, а токи I 2 и I 3 - токи, вытекающие из узла. Тогда применяя формулировку №1, можно записать:

I 1 = I 2 + I 3 (1)

Что бы подтвердить справедливость формулировки №2, перенесем токи I 2 и I 3 в левую часть выражения (1) , тем самым получим:

I 1 - I 2 - I 3 = 0 (2)

Знаки «минус» в выражении (2) и означают, что токи вытекают из узла.

Знаки для втекающих и вытекающих токов можно брать произвольно, однако в основном всегда втекающие токи берут со знаком «+», а вытекающие со знаком «-» (например как получилось в выражении (2) ).

Можно посмотреть отдельный видеоурок по первому закону Кирхофа в разделе ВИДЕОУРОКИ.

Второй закон Кирхгофа.

Формулировка: Алгебраическая сумма ЭДС, действующих в замкнутом контуре, равна алгебраической сумме падений напряжения на всех резистивных элементах в этом контуре.

Здесь термин «алгебраическая сумма» означает, что как величина ЭДС так и величина падения напряжения на элементах может быть как со знаком «+» так и со знаком «-». При этом определить знак можно по следующему алгоритму:

1. Выбираем направление обхода контура (два варианта либо по часовой, либо против).

2. Произвольно выбираем направление токов через элементы цепи.

3. Расставляем знаки для ЭДС и напряжений, падающих на элементах по правилам:

ЭДС, создающие ток в контуре, направление которого совпадает с направление обхода контура записываются со знаком «+», в противном случае ЭДС записываются со знаком «-».

Напряжения, падающие на элементах цепи записываются со знаком «+», если ток, протекающий через эти элементы совпадает по направлению с обходом контура, в противном случае напряжения записываются со знаком «-».

Например, рассмотрим цепь, представленную на рисунке 3, и запишем выражение согласно второму закону Кирхгофа, обходя контур по часовой стрелке, и выбрав направление токов через резисторы, как показано на рисунке.

Рисунок 3. Электрическая цепь, для пояснения второго закона Кирхгофа.

E 1 - Е 2 = -UR 1 - UR 2 или E 1 = Е 2 - UR 1 - UR 2 (3)

Тема: Законы постоянного тока
Урок: Последовательное и параллельное соединение резисторов

На прошлом уроке мы ввели понятие сопротивления. Сопротивление является основной электрической характеристикой проводников и большинства приборов.

В реальности как каждый прибор обладает своим собственным сопротивлением, так и проводники, соединяющие их. Для решений задач же мы считаем все проводники идеальными (не обладающими сопротивлением), а все сопротивление в цепи - сосредоточенным в подключенных элементах.

Практически все сопротивление цепи заключено в приборах - резисторах (рис. 1). Понятия резистор и сопротивление так тесно связаны, что их часто отождествляют, что, конечно же, неверно.

На электрической схеме резистор обозначается так (рис. 2):

Рис. 2. Обозначение резистора на электрической схеме

Отдельно взятый резистор является участком цепи, и для него справедлив закон Ома:

Из которого:

Перемножив силу тока, протекающего через резистор, и сопротивление резистора, можно получить значение напряжения на резисторе, или же напряжение на концах резистора.

Для получения нужной нам силы тока гораздо удобнее подбирать необходимое сопротивление при постоянном напряжении, чем подбирать нужный источник питания. И иногда резистор нужного сопротивления нельзя достать, в таком случае необходимо соединить определенным образом несколько других резисторов (как и в случае с конденсаторами из прошлой темы). Принципиально разных соединений существует два: последовательное и параллельное. Начнем с первого.

Последовательное соединение осуществляется подключением резисторов друг за другом без разветвления проводника (рис. 3):

Рис. 3. Пример последовательного соединения

Основная задача - это понять, как связаны параметры каждого резистора в соединении с параметрами эквивалентного резистора (как будто весь блок последовательных резисторов мы заменили одним резистором )

В первую очередь такое соединение не дает никакой возможности зарядам в разном количестве проходить через разные резисторы в цепи, поэтому:

Напряжение же, напротив, будет разным. Так как работа электрического поля по переносу заряда через весь блок - это сумма работ по переносу заряда через каждый резистор:

Воспользовавшись законом Ома в последнем равенстве:

мы получим выражение для сопротивлений:

Главная проблема последовательного соединения - это то, что в случае разрыва цепи в каком-то одном месте ток перестает идти во всей цепи. Ярким примером последовательного соединения являются гирлянды (рис. 4).

Рис. 4. Лампочки гирлянд соединены последовательно ()

Параллельным называется соединение, при котором концы всех резисторов имеют общую точку - «узел» (рис. 5):

Рис. 5. Параллельное сопротивление

В данном соединении эквивалентные напряжение, сила тока и сопротивления ищутся по-другому.

Во-первых, так как концы всего блока совпадают с концами каждого резистора, все напряжения равны между собой и равны эквивалентному:

Заряд же, прошедший за единицу времени через весь блок, равен сумме зарядов, прошедших через каждый отдельный резистор в соединении. Поэтому:

Теперь, подставив в последнее равенство закон Ома:

мы получим выражение для эквивалентного сопротивления:

Стоит отметить, что в большинстве цепей применяются смешанные соединения.

На следующем уроке мы будем изучать работу и мощность электрического тока.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. - М.: 2010.

1. Dvo.sut.ru ().
2. Go-radio ().
3. Sxemotehnika.ru ().

Домашнее задание

1. Стр. 103: № 795-799. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. - М.: Дрофа, 2013. ()
2. Как следует подключать одинаковые резисторы для получения минимального сопротивления?
3. К источнику питания 48 В подключили три резистора, соединенных последовательно. Сила тока через первый - 1 А, сопротивление второго - 12 Ом, а напряжение на третьем - 18 В. Найти сопротивления первых двух резисторов.
4. *Как следует подключать амперметр для измерения силы тока? Какое должно быть сопротивление амперметра?
5. *Как следует подключать вольтметр для измерения напряжения? Какое должно быть сопротивление вольтметра?