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物理 · 電·磁

串聯與並聯電路

串聯電路形成一條電流透過的單一路徑,而並聯電路在兩個點之間建立多個路徑。重要的是,要仔細檢查哪些點實際上是連線的,而不是僅僅依賴於視覺表示。

相關實驗:串聯與並聯電路 →
串聯與並聯電路
串聯與並聯電路實驗場景 →

在直導線中,電流是恆定的,但電壓會被分割。

在穩態串聯電路中,每個電阻上的電流相同。由於 Vᵢ = IRᵢ,電阻越大,電壓降也越大。電阻上的電壓降之和等於源電壓。

如果源電壓為 V,則 V = I(R₁ + R₂),總電阻為 R₁ + R₂。新增一個串聯電阻會降低從相同電壓源的整體電流。電流並非降低,而是被前端的電阻消耗,並且隨著電流向後移動而減少。

在並聯電路中,電壓相等,電流分流。

與同一兩點相連的電阻,會獲得相同的電壓。每個分支的電流為 Iᵢ = V/Rᵢ,而匯流點進入的總電流,等於各個分支電流的總和。 較小的電阻,會經歷更大的電流流動。

因此,總電阻 1/R = 1/R₁ + 1/R₂。 兩個電阻的總電阻也可以透過 R₁R₂/(R₁ + R₂) 計算,並且總電阻小於任何一個分支的電阻。 當相同的直流電壓源被新增到該分支時,總電流增加,但現有分支的電壓保持不變。

僅比較連線的排列

我們正在比較串聯和並聯電路,使用兩個相同的電阻和一個恆定電源電壓。為了正確解釋測量值,我們需要確定電錶的測量值是測量整個路徑,還是特定分支。 即使使用相同的符號“I”,其含義也可能因電錶的安裝位置而異。

實際電路在整體電流增加時,由於內部電阻,可能會表現出終端電壓的降低。這正是為什麼,使用理想電壓源對並聯電路,以及實際燈泡電路進行建模,它們可能會呈現不同的原因。這裡使用的基本公式,忽略了連線電線和儀器的影響。

關鍵關係與符號

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

符號及公式中使用的單位
符號含義單位
R_eq源端看到的總電阻Ω
I_total電源供應的電流A
I_branch每個並聯分支中的電流A
V兩個節點之間的電壓V

透過範例確認

如果將 10 Ω 和 20 Ω 用 6 V 連線,會發生什麼?

在串聯電路中,總電阻為 30 Ω,電流為 0.2 A,電壓被分為 2 V 和 4 V。 在並聯電路中,每個分支的電流分別為 0.6 A 和 0.3 A,總電流為 0.9 A;總電阻約為 6.67 Ω。

常見誤解

  • 在串聯電路中,電流對於每個電阻是恆定的,但電壓不一定相同。
  • 當電阻以並聯方式連線時,等效電阻並非僅僅是各個電阻值的總和。

透過實驗探索這個概念

參考文獻

OpenStax · 物理章節 (英文)