Napięcie w obwodach szeregowych
Co to są napięcia szeregowe?
Szeregowe połączenie lub szeregowe obwody odnosi się do sytuacji, gdy dwa lub więcej elementów elektrycznych są połączone w łańcuchowym układzie w obwodzie. W takim obwodzie istnieje tylko jedna droga dla ładunku, aby przepłynąć przez obwód. Różnica potencjału ładunku między dwoma punktami w obwodzie elektrycznym jest znana jako napięcie. W tym artykule szczegółowo omówimy napięcia w obwodzie szeregowym.
Bateria w obwodzie dostarcza energię, która umożliwia przepływ ładunku przez baterię i tworzy różnicę potencjałów na końcach zewnętrznego obwodu. Załóżmy teraz, że mamy ogniwko o napięciu 2 wolt, stworzy ono różnicę potencjałów 2 wolt na zewnątrz obwodu.
Wartość potencjału elektrycznego na dodatnim terminale wynosi 2 wolt więcej niż na ujemnym terminalu. Kiedy ładunek przepływa od dodatniego do ujemnego terminalu, powoduje to utratę 2 wolt potencjału elektrycznego.
To jest określane jako spadek napięcia. To zdarza się, gdy energia elektryczna ładunku jest przekształcana w inne formy (mechaniczne, ciepło, światło itp.) podczas przechodzenia przez komponenty (rezystory lub obciążenia) w obwodzie.
Jeśli weźmiemy pod uwagę obwód z więcej niż jednym rezystorem połączonym szeregowo i zasilanym przez ogniwko o napięciu 2 V, całkowita strata potencjału elektrycznego wyniesie 2 V. Oznacza to, że będzie pewien spadek napięcia w każdym połączonym rezystorze. Możemy jednak zauważyć, że suma spadków napięcia wszystkich komponentów wyniesie 2 V, co jest równoważne napięciu źródła zasilania.
Matematycznie możemy to wyrazić jako
Korzystając z prawa Ohma, można obliczyć poszczególne spadki napięcia jako
Załóżmy teraz, że obwód szeregowy składa się z 3 rezystorów i jest zasilany przez źródło energii o napięciu 9 V. Znajdziemy teraz różnicę potencjałów w różnych miejscach podczas przepływu prądu przez cały obwód szeregowy.
Miejsca te są oznaczone na czerwono w poniższym obwodzie. Wiemy, że prąd przepływa od dodatniego do ujemnego terminalu źródła. Ujemny znak napięcia lub różnicy potencjałów reprezentuje utratę potencjału z powodu rezystora.
Różnice potencjału elektrycznego w różnych punktach obwodu można przedstawić za pomocą diagramu zwanego diagramem potencjału elektrycznego, który jest pokazany poniżej.
W tym przykładzie potencjał elektryczny w punkcie A = 9 V, ponieważ to jest terminal o wyższym potencjale. Potencjał elektryczny w punkcie H = 0 V, ponieważ to jest ujemny terminal. Gdy prąd przepływa przez źródło energii o napięciu 9 V, ładunek zyskuje 9 V potencjału elektrycznego, czyli od H do A. Podczas przepływu prądu przez zewnętrzny obwód, ładunek traci te 9 V całkowicie.
Tutaj, to dzieje się w trzech krokach. Będzie spadek napięcia, gdy prąd przepływa przez rezystory, ale nie ma spadku napięcia, gdy prąd przepływa przez zwykły przewód. Możemy zauważyć, że między punktami AB, CD, EF i GH nie ma spadku napięcia. Ale między punktami B i C, spadek napięcia wynosi 2 V.
Czyli źródłowe napięcie 9 V staje się 7 V. Następnie, między punktami D i E, spadek napięcia wynosi 4 V. W tym momencie napięcie 7 V staje się 3 V. Na końcu, między punktami F i G, spadek napięcia wynosi 3 V. W tym momencie napięcie 3 V staje się 0 V.
W części obwodu między punktami G i H, nie ma energii dla ładunku. Dlatego potrzebuje ona wsparcia energetycznego, aby ponownie przepłynąć przez zewnętrzny obwód. To jest zapewniane przez źródło zasilania, gdy ładunek przepływa od H do A.
Wiele źródeł napięcia połączonych szeregowo może być zastąpionych jednym źródłem napięcia poprzez sumowanie wszystkich źródeł napięcia. Musimy jednak uwzględnić polaryzację, jak pokazano poniżej.
Napięcia przemiennoprądowe połączone szeregowo
W przypadku napięć przemiennoprądowych połączonych szeregowo, źródła napięcia mogą być dodane lub połączone, aby utworzyć jedno źródło, pod warunkiem, że częstotliwość kątowa (ω) połączonych źródeł jest taka sama. Jeśli napięcia przemiennoprądowe połączone szeregowo mają różne częstotliwości kątowe, mogą one być dodane, pod warunkiem, że prąd przez połączone źródła jest taki sam.
Zastosowanie napięć w obwodach szeregowych
Zastosowania napięć w obwodach szeregowych obejmują:
