Πώς διαφέρει ένα παράλληλο κύκλωμα από ένα κύκλωμα σειράς;

Τα ηλεκτρικά κυκλώματα που χρησιμοποιούνται σε καθημερινά ηλεκτρονικά και συσκευές μπορεί να φαίνονται συγκεχυμένα. Αλλά η κατανόηση των θεμελιωδών αρχών του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού που τους προκαλούν να λειτουργήσουν μπορεί να σας επιτρέψει να καταλάβετε πώς τα διαφορετικά κυκλώματα διαφέρουν μεταξύ τους.

Για να αρχίσετε να εξηγείτε τη διαφορά μεταξύ σειρών και παράλληλων συνδέσεων σε κυκλώματα, πρέπει πρώτα να καταλάβετε πώς τα παράλληλα και τα κυκλώματα σειράς διαφέρουν μεταξύ τους.Παράλληλα κυκλώματαΧρησιμοποιήστε κλάδους που έχουν διαφορετικά στοιχεία κυκλώματος, είτε αντιστάτες, επαγωγείς, πυκνωτές ή άλλα ηλεκτρικά στοιχεία, μεταξύ αυτών.

​Κυκλώματα σειράς, αντίθετα, τακτοποιήστε όλα τα στοιχεία τους σε έναν μόνο, κλειστό βρόχο. Αυτό σημαίνει ότιρεύμα, η ροή φόρτισης σε κύκλωμα καιΤάση, η ηλεκτροκινητική δύναμη που προκαλεί ροή ρεύματος, διαφέρουν επίσης οι μετρήσεις μεταξύ κυκλωμάτων παράλληλου και σειρών.

Τα παράλληλα κυκλώματα χρησιμοποιούνται γενικά σε σενάρια στα οποία πολλές συσκευές εξαρτώνται από μία μόνο πηγή ισχύος. Αυτό διασφαλίζει ότι μπορούν να συμπεριφέρονται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, έτσι ώστε, αν κάποιος σταματήσει να εργάζεται, οι άλλοι θα συνεχίσουν να εργάζονται. Τα φώτα που χρησιμοποιούν πολλούς λαμπτήρες μπορούν να χρησιμοποιούν κάθε λαμπτήρα παράλληλα ο ένας με τον άλλο, έτσι ώστε ο καθένας να μπορεί να ανάψει ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο. Οι ηλεκτρικές πρίζες στα νοικοκυριά χρησιμοποιούν συνήθως ένα μόνο κύκλωμα για το χειρισμό διαφορετικών συσκευών.

Παρόλο που τα παράλληλα και τα κυκλώματα σειράς διαφέρουν μεταξύ τους, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τις ίδιες αρχές ηλεκτρικής ενέργειας για να εξετάσετε το ρεύμα, την τάση καιαντίσταση, την ικανότητα ενός στοιχείου κυκλώματος να αντιτίθεται στη ροή φόρτισης.

Για παραδείγματα κυκλώματος παράλληλων και σειρών, μπορείτε να ακολουθήσετεΟι δύο κανόνες του Kirchhoff. Το πρώτο είναι ότι, τόσο σε σειρά όσο και σε παράλληλο κύκλωμα, μπορείτε να ρυθμίσετε το άθροισμα των πτώσεων τάσης σε όλα τα στοιχεία σε κλειστό βρόχο ίσο με μηδέν. Ο δεύτερος κανόνας είναι ότι μπορείτε επίσης να λάβετε οποιονδήποτε κόμβο ή σημείο σε ένα κύκλωμα και να ορίσετε τα αθροίσματα του ρεύματος που εισέρχονται σε αυτό το σημείο ίσο με το άθροισμα του τρέχοντος που αφήνει αυτό το σημείο.

Στα κυκλώματα σειράς, το ρεύμα είναι σταθερό σε όλο τον βρόχο, ώστε να μπορείτε να μετρήσετε το ρεύμα ενός στοιχείου σε ένα κύκλωμα σειράς για να προσδιορίσετε το ρεύμα όλων των στοιχείων του κυκλώματος. Σε παράλληλα κυκλώματα, η τάση που πέφτει σε κάθε κλάδο είναι σταθερή.

Και στις δύο περιπτώσεις, χρησιμοποιείτεΟ νόμος του Ωμ​ ​V = IRγια τάσηΒ(σε βολτ), ρεύμαΕγώ(σε ενισχυτές ή αμπέρ) και αντίστασηΡ(σε ohms) για κάθε εξάρτημα ή για ολόκληρο το ίδιο το κύκλωμα. Εάν γνωρίζετε, για παράδειγμα, το ρεύμα σε ένα κύκλωμα σειράς, θα μπορούσατε να υπολογίσετε την τάση αθροίζοντας τις αντιστάσεις και πολλαπλασιάζοντας το ρεύμα με τη συνολική αντίσταση.

​Συνοψίζοντας αντιστάσειςδιαφέρει μεταξύ παραδειγμάτων κυκλώματος παράλληλου και σειρών. Εάν έχετε ένα κύκλωμα σειράς με διαφορετικές αντιστάσεις, μπορείτε να αθροίσετε τις αντιστάσεις προσθέτοντας κάθε τιμή αντίστασης για να λάβετε τοσυνολική αντίσταση, δίνεται από την εξίσωση

για κάθε αντίσταση.

Σε παράλληλα κυκλώματα, η αντίσταση σε κάθε κλάδο συνοψίζει τοαντίστροφο της συνολικής αντίστασηςπροσθέτοντας τα αντίστροφα. Με άλλα λόγια, η αντίσταση για ένα παράλληλο κύκλωμα δίνεται από

για κάθε αντίσταση παράλληλα να αντιπροσωπεύει τη διαφορά μεταξύ σειράς και παράλληλου συνδυασμού αντιστάσεων.

Αυτές οι διαφορές στο άθροισμα της αντίστασης εξαρτώνται από τις εγγενείς ιδιότητες της αντίστασης. Η αντίσταση αντιπροσωπεύει την αντίθεση του στοιχείου κυκλώματος στη ροή φόρτισης. Εάν η φόρτιση ρέει σε κλειστό βρόχο ενός κυκλώματος σειράς, υπάρχει μόνο μία κατεύθυνση για ροή ρεύματος και αυτή η ροή δεν διαιρείται ή αθροίζεται από αλλαγές στις διαδρομές για τη ροή του ρεύματος.

Αυτό σημαίνει ότι, σε κάθε αντίσταση, η ροή του φορτίου παραμένει σταθερή και η τάση, πόση πιθανότητα η φόρτιση είναι διαθέσιμη σε κάθε σημείο, διαφέρει επειδή κάθε αντίσταση προσθέτει όλο και περισσότερη αντίσταση σε αυτό το μονοπάτι του ρεύμα.

Από την άλλη πλευρά, εάν το ρεύμα από μια πηγή τάσης, όπως μια μπαταρία, είχε πολλές διαδρομές, θα χωριζόταν όπως συμβαίνει σε ένα παράλληλο κύκλωμα. Όμως, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το ποσό του ρεύματος που εισέρχεται σε ένα δεδομένο σημείο πρέπει να είναι ίσο με το πόσο ρεύμα απομένει.

Ακολουθώντας αυτόν τον κανόνα, εάν το ρεύμα διακλαδίζεται σε διαφορετικές διαδρομές από ένα σταθερό σημείο, θα πρέπει να είναι ίσο με το ρεύμα που επανέρχεται σε ένα μόνο σημείο στο τέλος κάθε κλάδου. Εάν οι αντιστάσεις σε κάθε κλάδο διαφέρουν, τότε η αντίθεση σε κάθε ποσότητα ρεύματος διαφέρει και αυτό θα οδηγούσε σε διαφορές πτώσης τάσης στους κλάδους των παράλληλων κυκλωμάτων.

Τέλος, ορισμένα κυκλώματα έχουν στοιχεία που είναι παράλληλα και σε σειρά. Κατά την ανάλυση αυτώνσειρά-παράλληλα υβρίδια, θα πρέπει να αντιμετωπίζετε το κύκλωμα είτε σε σειρά είτε παράλληλα ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται. Αυτό σας επιτρέπει να σχεδιάσετε ξανά το συνολικό κύκλωμα χρησιμοποιώντας ισοδύναμα κυκλώματα, ένα από τα εξαρτήματα σε σειρά και το άλλο από αυτά παράλληλα. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε τους κανόνες του Kirchhoff τόσο στη σειρά όσο και στο παράλληλο κύκλωμα.

Χρησιμοποιώντας τους κανόνες του Kirchhoff και τη φύση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, μπορείτε να βρείτε μια γενική μέθοδο για να προσεγγίσετε όλα τα κυκλώματα ανεξάρτητα από το αν είναι σε σειρά ή παράλληλα. Αρχικά, επισημάνετε κάθε σημείο στο διάγραμμα κυκλώματος με τα γράμματα A, B, C,... για να διευκολύνουμε την ένδειξη κάθε σημείου.

Εντοπίστε τους κόμβους, όπου συνδέονται τρία ή περισσότερα καλώδια και επισημάνετε τα χρησιμοποιώντας τα ρεύματα που ρέουν μέσα και έξω από αυτά. Προσδιορίστε τους βρόχους στα κυκλώματα και γράψτε εξισώσεις που περιγράφουν πώς οι τάσεις αθροίζονται στο μηδέν σε κάθε κλειστό βρόχο.

Παράλληλα και παραδείγματα κυκλωμάτων σειράς διαφέρουν και σε άλλα ηλεκτρικά στοιχεία. Εκτός από το ρεύμα, την τάση και την αντίσταση, υπάρχουν πυκνωτές, επαγωγείς και άλλα στοιχεία που διαφέρουν ανάλογα με το αν είναι παράλληλα ή σε σειρά. Οι διαφορές μεταξύ των τύπων κυκλώματος εξαρτώνται επίσης από το εάν η πηγή τάσης χρησιμοποιεί συνεχές ρεύμα (DC) ή εναλλασσόμενο ρεύμα (AC).

Τα κυκλώματα DC αφήνουν το ρεύμα να ρέει σε μία μόνο κατεύθυνση, ενώ τα κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος εναλλάσσουν το ρεύμα μεταξύ εμπρός και αντίστροφης κατεύθυνσης σε κανονικά διαστήματα και παίρνει τη μορφή ημιτονοειδούς κύματος. Τα παραδείγματα μέχρι στιγμής ήταν κυκλώματα DC, αλλά αυτή η ενότητα επικεντρώνεται σε αυτά AC.

Στα κυκλώματα AC, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί αναφέρονται στην μεταβαλλόμενη αντίσταση ωςαντίσταση, και αυτό μπορεί να αντισταθμίσειπυκνωτές, στοιχεία κυκλώματος που αποθηκεύουν φόρτιση με την πάροδο του χρόνου καιεπαγωγείς, στοιχεία κυκλώματος που παράγουν μαγνητικό πεδίο σε απόκριση του ρεύματος στο κύκλωμα. Στα κυκλώματα AC, η σύνθετη αντίσταση κυμαίνεται με την πάροδο του χρόνου σύμφωνα με την είσοδο ισχύος AC, ενώ η συνολική αντίσταση είναι το σύνολο των στοιχείων αντίστασης, το οποίο παραμένει σταθερό με την πάροδο του χρόνου. Αυτό κάνει αντίσταση και αντίσταση διαφορετικές ποσότητες.

Τα κυκλώματα AC περιγράφουν επίσης εάν η κατεύθυνση του ρεύματος βρίσκεται σε φάση μεταξύ των στοιχείων κυκλώματος. Εάν είναι δύο στοιχείασε φάση, τότε το κύμα των ρευμάτων των στοιχείων είναι συγχρονισμένο μεταξύ τους. Αυτές οι κυματομορφές σας επιτρέπουν να υπολογίσετεμήκος κύματος, η απόσταση ενός κύκλου πλήρους κύματος,συχνότητα, ο αριθμός των κυμάτων που περνούν πάνω από ένα δεδομένο σημείο κάθε δευτερόλεπτο, καιεύρος, το ύψος ενός κύματος, για κυκλώματα AC.

Μετράτε τη σύνθετη αντίσταση ενός κυκλώματος AC σειράς

για τοαντίσταση πυκνωτή​ ​Χ_ντοκαιεπαγωγική αντίσταση​ ​Χ​_μεγάλο επειδή οι σύνθετες αντιστάσεις, αντιμετωπίζονται σαν αντιστάσεις, αθροίζονται γραμμικά όπως συμβαίνει με τα κυκλώματα DC.

Ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιείτε τη διαφορά μεταξύ των αντιστάσεων του επαγωγέα και του πυκνωτή αντί του αθροίσματος τους είναι επειδή αυτές δύο στοιχεία κυκλώματος κυμαίνονται στο πόσο ρεύμα και τάση έχουν με την πάροδο του χρόνου λόγω των διακυμάνσεων της τάσης AC πηγή.

Αυτά τα κυκλώματα είναιΚυκλώματα RLCεάν περιέχουν αντίσταση (R), επαγωγέα (L) και πυκνωτή (C). Τα παράλληλα κυκλώματα RLC συνοψίζουν τις αντιστάσεις ως

με τον ίδιο τρόπο οι αντιστάσεις παράλληλα αθροίζονται χρησιμοποιώντας τα αντίστροφα, και αυτή την τιμή1 / Ωείναι επίσης γνωστό ως τοείσοδοςενός κυκλώματος.

Και στις δύο περιπτώσεις, μπορείτε να μετρήσετε τις σύνθετες αντιστάσεις ωςΧ_ντο = 1 / ωCκαιΧ_μεγάλο = ωLγια γωνιακή συχνότητα "ωμέγα" ω, χωρητικότηταντο(στο Farads) και αυτεπαγωγήμεγάλο(στα Henries).

Χωρητικότηταντομπορεί να σχετίζεται με τάση ωςC = Q / VήV = Q / Cγια φόρτιση σε πυκνωτήΕρ(σε Coulombs) και τάση του πυκνωτήΒ(σε βολτ). Η επαγωγή σχετίζεται με την τάση ωςV = LdI / dtγια αλλαγή στο τρέχον με την πάροδο του χρόνουdI / dt, τάση επαγωγέαΒκαι αυτεπαγωγήμεγάλο. Χρησιμοποιήστε αυτές τις εξισώσεις για να επιλύσετε ρεύμα, τάση και άλλες ιδιότητες των κυκλωμάτων RLC.

Αν και μπορείτε να αθροίσετε τις τάσεις γύρω από έναν κλειστό βρόχο ίσο με το μηδέν σε ένα παράλληλο κύκλωμα, το άθροισμα των ρευμάτων είναι πιο περίπλοκο. Αντί να ορίσετε το ίδιο το άθροισμα των τρέχουσων τιμών που εισάγουν έναν κόμβο ίσο με το άθροισμα των τρεχουσών τιμών που εξέρχονται από τον κόμβο, πρέπει να χρησιμοποιήσετε τα τετράγωνα κάθε ρεύματος.

Για ένα κύκλωμα RLC παράλληλα, το ρεύμα απέναντι στον πυκνωτή και τον επαγωγέα ως

για ρεύμα τροφοδοσίαςΕγώ_μικρό, ρεύμα αντίστασηςΕγώ_Ρ, ρεύμα επαγωγέαΕγώ_μεγάλοκαι ρεύμα πυκνωτήΕγώ​_ντο χρησιμοποιώντας τις ίδιες αρχές για την άθροιση των τιμών σύνθετης αντίστασης.

Στα κυκλώματα RLC, μπορείτε να υπολογίσετε τη γωνία φάσης, πώς ένα στοιχείο κυκλώματος εκτός φάσης είναι από το άλλο, χρησιμοποιώντας την εξίσωση για τη γωνία φάσης "phi"Φόπως καιΦ = μαύρισμα^-1((Χ_μεγάλο -Χ_ντο) / R)στο οποίοηλιοκαμένος​​^-1 ()αντιπροσωπεύει την αντίστροφη εφαπτομενική συνάρτηση που παίρνει μια αναλογία ως είσοδο και επιστρέφει την αντίστοιχη γωνία.

Σε κυκλώματα σειράς, οι πυκνωτές συνοψίζονται χρησιμοποιώντας τα αντίθετά τους ως

ενώ οι επαγωγείς συνοψίζονται γραμμικά ως

για κάθε επαγωγέα. Παράλληλα, οι υπολογισμοί αντιστρέφονται. Για παράλληλο κύκλωμα, οι πυκνωτές αθροίζονται γραμμικά

και οι επαγωγείς συνοψίζονται χρησιμοποιώντας τα αντίστροφα

για κάθε επαγωγέα.

Οι πυκνωτές λειτουργούν μετρώντας τη διαφορά φορτίου μεταξύ δύο πλακών που διαχωρίζονται από ένα διηλεκτρικό υλικό μεταξύ τους που μειώνει την τάση ενώ αυξάνει την χωρητικότητα. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί μετρούν επίσης την χωρητικότηταντοόπως καιC = ε₀ε_ρΕνα δμε "epsilon naught" ε₀ ως η τιμή της διαπερατότητας για αέρα που είναι 8,84 x 10-12 F / m.ε_ρείναι η διαπερατότητα του διηλεκτρικού μέσου που χρησιμοποιείται μεταξύ των δύο πλακών του πυκνωτή. Η εξίσωση εξαρτάται επίσης από την περιοχή των πλακώνΕΝΑσε μ² και απόσταση μεταξύ των πλακώνρεσε μ.