Последовательное соединение проводников

На прошлых уроках мы с вами говорили об электрическом токе. Давайте вспомним, что под электрическим током понимают упорядоченное движение свободных носителей зарядов.

Так же мы выяснили, что для существования электрического тока в проводнике, в нём необходимо, во-первых, наличие свободных заряженных частиц, а во-вторых — источник тока, создающий в проводнике электрическое поле.

От источника тока энергия может быть передана по проводам к устройствам, потребляющим энергию: электрической лампе, радиоприёмнику и так далее.

Совокупность устройств и элементов, предназначенных для протекания электрического тока, называют электрической цепью.

Любая электрическая цепь содержит, во-первых, источник тока, создающий необходимое напряжение, а во-вторых, нагрузку, то есть то устройство, в котором нужно создать ток и использовать одно из его действий. Нагрузкой может быть нагреватель или лампа накаливания (здесь используют тепловое действие тока), электродвигатель или звонок (используется магнитное действие тока), аккумулятор (это проявление химического действия тока). Звеньями же цепи являются соединительные провода и ключ, служащий для удобства и безопасности работы.

Рисунки, на которых изображены способы соединения электрических приборов в цепь, называются электрическими схемами. Приборы на схемах принято обозначать условными знаками.

Электрические цепи, с которыми приходится иметь дело на практике, обычно состоят не из одного проводника, а из системы различных проводников, которые могут быть соединены между собой по-разному.

Рассмотрим простую цепь, составленную из источника ток, ключа и двух проводников.

Обратите внимание на то, что в представленной цепи конец одного проводника соединяется с началом другого, его конец — с началом третьего и так далее. Проще говоря, проводники имеют по одной общей точке. Такое соединение проводников принято называть последовательным соединением.

Давайте сравним токи в различных точках цепи. Для этого соберём цепь, состоящую из источника тока, ключа, лампочки и резистора. С помощью амперметра будем измерять силу тока в различных её участках: например, в точках А, В и С.

В начале подключим амперметр в разрыв цепи в точке А, то есть между ключом и лампочкой. Замкнём ключ. Амперметр показывает нам силу тока почти в пол ампера. Теперь включим амперметр между лампочкой и резистором. Замкнув ключ увидим, что амперметр вновь показывается значение силы тока в пол ампера. Не трудно догадаться, что подключив амперметр между резистором и источником тока, он также покажет, что сила тока в цепи равна половине ампера.

Таким образом, опыт показал, что при последовательном соединении сила тока во всех проводниках одинакова.

Действительно, вы уже знаете, в проводниках, по которым течёт постоянный ток, электрический заряд не накапливается, и через любое поперечное сечение проводника за определённое время протекает один и тот же заряд. Поэтому, в силу закона сохранения заряда, сила тока в каждом проводнике одинакова и равна полному току на рассматриваемом участке цепи:

Теперь давайте с вами сравним напряжение на каждом из проводников и общее напряжение цепи. Для этого подключим вольтметр сначала к лампочке. Замкнём ключ. Вольтметр показывает, что напряжение на лампочке равно 5 В. Теперь измерим напряжение на резисторе. Как видим, вольтметр показывает напряжение 3 В. И наконец измерим напряжение на лампочке и резисторе одновременно. Нетрудно заметить, что показание вольтметра равно 8 В.

Таким образом, опыт показал, что при последовательном соединении полное напряжение в цепи, или напряжение на полюсах источника тока, равно сумме напряжений на отдельных участках цепи:

Эта закономерность вытекает из физического смысла напряжения. Вспомните, что оно показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении в нём электрического заряда. Как известно, эта работа совершается за счёт энергии электрического поля. А энергия, которая была израсходована на всём участке цепи, равна сумме энергий, расходуемых на отдельных проводниках, которые составляют этот участок.

А теперь, пользуясь результатами наших опытов, давайте сравним сопротивления проводников с общим сопротивлением цепи. Итак, согласно закону Ома:

Теперь применим полученную формулу, для наших трёх случаев:

Нетрудно заметить, что полное сопротивление группы последовательно соединённых проводников равно сумме сопротивлений отдельных проводников:

Совершенно аналогично можно показать, что в случае п последовательно соединённых проводников общее сопротивление участка цепи, состоящей из нескольких последовательно соединённых проводников, равно сумме сопротивлений отдельных проводников:

Рост сопротивления цепи при добавлении в неё новых проводников объясняется увеличением длины проводящей части. Поэтому сопротивление цепи становится больше сопротивления одного проводника.

И вспомним ещё одну особенность последовательного соединения. Итак, пусть I — это сила тока в цепи, R₁ и R₂ — сопротивления проводников, a U₁ и U₂ — напряжения на концах этих проводников. На основании закона Ома мы с вами можем записать, что напряжения на концах проводников пропорциональны силе тока в цепи и их сопротивлениям:

Разделив первое равенство на второе, получим, что при последовательном соединении напряжения на проводниках пропорциональны их сопротивлениям:

Только при таком распределении напряжений и становится возможным один и тот же ток во всех участках цепи.

На практике последовательное соединение нескольких проводников используется очень редко, например, в ёлочной гирлянде. Дело в том, что недостатком такого соединения является то, что в такую цепь можно подключать только тех потребителей, которые рассчитаны на одинаковую силу тока. Кроме того, если в такой цепи выключить ток в одном звене (например, перегорит одна из лампочек в гирлянде), то разрывается вся цепь.