Moduł 08 — Szeregowe łączenie odbiorników — kurs Prąd elektryczny stały (kurs podstawowy)

Co dziś robimy

1. 6 minIstota połączenia szeregowego Zrozumiesz istotę połączenia szeregowego jako jednej nierozgałęzionej drogi dla prądu.
2. 9 minRysunek: schemat połączenia szeregowego dwóch żarówek z pomiarem napięć Chemia: ogniwa w baterii także łączy się szeregowo — napięcia poszczególnych ogniw sumują…
3. 7 minPodstawowa wada i zastosowania połączenia szeregowego Wyłączniki: wyłącznik montuje się zawsze szeregowo ze sterowanym urządzeniem, aby jego…
4. 11 minAnimacja: interaktywny obwód szeregowy z symulacją awarii Dom w odległej dolinie jest zasilany z sieci przez długą linię.
5. 7 minPrzykłady obliczeniowe z pełnym rozwiązaniem Obliczamy opór zastępczy $R_z$: \[ R_z = R_1 + R_2 = 4\ \Omega + 8\ \Omega = 12\ \Omega \]
6. 5 minPodsumowanie bilet wyjściowy i zadanie domowe

Istota połączenia szeregowego

Dlaczego w starych lampkach choinkowych przepalenie jednej żarówki gasiło całą choinkę? Jak obliczyć opór zastępczy elementów połączonych jeden za drugim i jak rozkładają się na nich napięcia?

• Zrozumiesz istotę połączenia szeregowego jako jednej nierozgałęzionej drogi dla prądu.
• Poznasz trzy podstawowe prawa obwodu szeregowego: dla natężenia ($I = \text{const}$), napięcia ($U = U_1 + U_2$) oraz oporu zastępczego ($R_z = R_1 + R_2$).
• Nauczysz się wyznaczać spadki napięć na poszczególnych odbiornikach.
• Dowiesz się, dlaczego bezpiecznik i wyłącznik montuje się zawsze szeregowo ze sprzętem.

Rysunek: schemat połączenia szeregowego dwóch żarówek z pomiarem napięć

W poprzedniej sekcji sformułowaliśmy trzy prawa obwodu szeregowego: wspólne natężenie, sumę napięć i sumę oporów. Schemat pokazuje je razem — amperomierz widzi ten sam prąd w każdym punkcie, a woltomierze dzielą napięcie źródła między…

• Chemia: ogniwa w baterii także łączy się szeregowo — napięcia poszczególnych ogniw sumują się, dlatego trzy ogniwa po $1{,}5\text{ V}$ dają baterię $4{,}5\text{ V}$.
• Pojemność takiego zestawu nie rośnie, bo przez każde ogniwo przepływa ten sam ładunek — to bezpośrednia analogia do wspólnego prądu w obwodzie szeregowym.
• W module 07 sprawdzisz, od czego zależy opór każdej żarówki.
• W module 09 czeka sprawdzian z prawa Ohma i łączenia odbiorników, a w module 17 zobaczysz, dlaczego bezpiecznik włącza się właśnie szeregowo.

Podstawowa wada i zastosowania połączenia szeregowego

W obwodzie szeregowym istnieje tylko jedna ścieżka prądu. Jeśli jakikolwiek odbiornik ulegnie uszkodzeniu (np. przepali się włókno żarówki) lub zostanie odłączony, obwód zostaje natychmiast przerwany i wszystkie pozostałe urządzenia gasną .

• Wyłączniki: wyłącznik montuje się zawsze szeregowo ze sterowanym urządzeniem, aby jego rozwarcie bezpiecznie odcięło dopływ prądu.
• Bezpieczniki topikowe i automatyczne: bezpiecznik włącza się w szereg, aby w razie zwarcia natychmiast przerwać obwód i ochronić instalację.
• Dzielniki napięcia: dwa połączone szeregowo oporniki pozwalają uzyskać mniejsze, pożądane napięcie z większego napięcia zasilania.
• Łańcuchy lampek: wiele małych żarówek o niskim napięciu znamionowym (np. 50 żarówek po 4,6 V) połączonych w szereg można zasilać bezpośrednio z sieci 230 V.

Animacja: interaktywny obwód szeregowy z symulacją awarii

Reguluj opory odbiorników $R_1$ i $R_2$ oraz napięcie zasilania. Kliknij przycisk „Przepal żarówkę 1”, aby zobaczyć, jak przerwanie ciągłości obwodu natychmiast wygasza wszystkie odbiorniki w szeregu:

• Dom w odległej dolinie jest zasilany z sieci przez długą linię.

Przykłady obliczeniowe z pełnym rozwiązaniem

Treść zadania: Dwa oporniki o wartościach $R_1 = 4\ \Omega$ i $R_2 = 8\ \Omega$ połączono szeregowo i podłączono do akumulatora o napięciu $U = 24\text{ V}$.

• Obliczamy opór zastępczy $R_z$: \[ R_z = R_1 + R_2 = 4\ \Omega + 8\ \Omega = 12\ \Omega \]
• Obliczamy natężenie prądu ze wzoru prawa Ohma: \[ I = \frac{U}{R_z} = \frac{24\text{ V}}{12\ \Omega} = 2\text{ A} \] Prąd o natężeniu $2\text{ A}$ płynie zarówno przez…
• Obliczamy spadek napięcia na oporniku $R_1$: \[ U_1 = I \cdot R_1 = 2\text{ A} \times 4\ \Omega = 8\text{ V} \]
• Obliczamy spadek napięcia na oporniku $R_2$: \[ U_2 = I \cdot R_2 = 2\text{ A} \times 8\ \Omega = 16\text{ V} \]

Co zabrać z lekcji

• Ponieważ ładunki w przewodzie nie gromadzą się ani nie znikają (zasada zachowania ładunku), przez każdy kolejny przekrój przewodu i przez każdy odbiornik w…
• Chemia: ogniwa w baterii także łączy się szeregowo — napięcia poszczególnych ogniw sumują się, dlatego trzy ogniwa po $1{,}5\text{ V}$ dają baterię…
• W obwodzie szeregowym istnieje tylko jedna ścieżka prądu.
• Przykład z geografii.