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物理 · 电·磁

串联与并联电路

串联电路形成一条电流通过的单一路径,而并联电路在两个点之间建立多个路径。重要的是,要仔细检查哪些点实际上是连接的,而不是仅仅依赖于视觉表示。

相关实验:串联与并联电路 →
串联与并联电路
串联与并联电路实验场景 →

在直导线中,电流是恒定的,但电压会被分割。

在稳态串联电路中,每个电阻上的电流相同。由于 Vᵢ = IRᵢ,电阻越大,电压降也越大。电阻上的电压降之和等于源电压。

如果源电压为 V,则 V = I(R₁ + R₂),总电阻为 R₁ + R₂。添加一个串联电阻会降低从相同电压源的整体电流。电流并非降低,而是被前端的电阻消耗,并且随着电流向后移动而减少。

在并联电路中,电压相等,电流分流。

与同一两点相连的电阻,会获得相同的电压。每个分支的电流为 Iᵢ = V/Rᵢ,而汇流点进入的总电流,等于各个分支电流的总和。 较小的电阻,会经历更大的电流流动。

因此,总电阻 1/R = 1/R₁ + 1/R₂。 两个电阻的总电阻也可以通过 R₁R₂/(R₁ + R₂) 计算,并且总电阻小于任何一个分支的电阻。 当相同的直流电压源被添加到该分支时,总电流增加,但现有分支的电压保持不变。

仅比较连接的排列

我们正在比较串联和并联电路,使用两个相同的电阻和一个恒定电源电压。为了正确解释测量值,我们需要确定电表的测量值是测量整个路径,还是特定分支。 即使使用相同的符号“I”,其含义也可能因电表的安装位置而异。

实际电路在整体电流增加时,由于内部电阻,可能会表现出终端电压的降低。这正是为什么,使用理想电压源对并联电路,以及实际灯泡电路进行建模,它们可能会呈现不同的原因。这里使用的基本公式,忽略了连接电线和仪器的影响。

关键关系与符号

R_series = R₁ + R₂ · 1/R_parallel = 1/R₁ + 1/R₂ · I_total = ΣI_branch

符号及公式中使用的单位
符号含义单位
R_eq源端看到的总电阻Ω
I_total当前提供的电力A
I_branch每个并联分支中的电流A
V两个节点之间的电压V

工作实例

如果将 10 Ω 和 20 Ω 用 6 V 连接,会发生什么?

在串联电路中,总电阻为 30 Ω,电流为 0.2 A,电压被分为 2 V 和 4 V。 在并联电路中,每个分支的电流分别为 0.6 A 和 0.3 A,总电流为 0.9 A;总电阻约为 6.67 Ω。

常见误解

  • 在串联电路中,电流对于每个电阻是恒定的,但电压不一定相同。
  • 当电阻以并联方式连接时,等效电阻并非仅仅是各个电阻值的总和。

通过实验探索这个概念

参考文献

OpenStax · 物理章节 (英文)