Paralelní a sériové připojení

Proč se v girlandě na vánoční stromeček nemusí rozsvítit žárovky stejné barvy? Proč jsou všechny elektrospotřebiče v domě dimenzovány na 220 V? Spoiler: je to všechno o typech připojení vodičů – budeme o nich mluvit v tomto článku.

· Aktualizováno 23. června 2023

Jak po vyhoření jedné žárovky v girlandě můžete určit způsob připojení a opravit ji? Zkusme na to přijít.

Anfisa našla na balkóně starou girlandu. Po zapojení do zásuvky si dívka všimla, že všechna světla svítí kromě zelených. Po pečlivém prozkoumání vodičů Anfisa viděla, že všechny zelené žárovky jsou zapojeny do série jedna po druhé.

Sériové zapojení vodičů

Při sériovém zapojení je konec prvního vodiče připojen k začátku druhého, konec druhého k začátku třetího atd.

Sériové zapojení vodičů

Sériové zapojení se obvykle používá v případech, kdy je potřeba cíleně zapnout nebo vypnout konkrétní elektrický spotřebič. Například, aby školní elektrický zvonek fungoval, musí být zapojen do série se zdrojem proudu a klíčem.

Zde je několik příkladů použití řetězového obvodu:

  • osvětlení ve vozech vlaků nebo tramvají;
  • jednoduché girlandy na vánoční stromeček;
  • kapesní svítilna;
  • ampérmetr pro měření proudu v obvodu.

Zákony sériového zapojení vodičů

Schéma sériového zapojení vodičů

Při sériovém připojení je síla proudu v jakékoli části obvodu stejná:

Pokud v obvodu se sériovým zapojením jedna ze žárovek selže a neprotéká jí žádný elektrický proud, pak žádný proud neprotéká zbývajícími žárovkami. Vzpomeňme na Anfisu a její girlandu: když jedna ze zelených žárovek vyhořela, proud, který jí procházel, se stal nulovým. V důsledku toho se nerozsvítily ostatní zelené kontrolky zapojené do série. Chcete-li opravit girlandu, musíte identifikovat spálenou žárovku a vyměnit ji.

Při sériovém zapojení se celkový odpor obvodu rovná součtu odporů jednotlivých vodičů:

Při sériovém zapojení se celkové napětí obvodu rovná součtu napětí v jednotlivých sekcích:

Příklad řešení problému

Lampa je zapojena do obvodu s napětím 220 V a protéká jí proud 20 A. Když byl k lampě zapojen reostat do série, proud v obvodu klesl na 11 A. Jaký je odpor reostat?

Řešení.

Pomocí Ohmova zákona určíme odpor lampy:

Také pomocí Ohmova zákona určíme celkový odpor obvodu, když je reostat zapnutý:

ČTĚTE VÍCE
Je možné umístit lednici do nevytápěné místnosti?

R=U/I2 = 220 / 11 = 22 Ohm.

Při sériovém zapojení se odpory lampy a reostatu sčítají:

Když známe celkový odpor obvodu a odpor lampy, určíme požadovaný odpor reostatu:

R2 = R – R1 = 22 − 11 = 11 Ohm.

Odpověď: Odpor reostatu je 11 ohmů.

Sériové připojení bohužel není vždy vhodné. Například v nákupním centru Auchan je otevřeno od 9:00 do 23:00, kino – od 10:00 do 02:30 a obchody – od 10:00 do 22:00. Pokud je okruh zapojen do série, budou muset svítit světla v celém obchodním centru od 9:00 do 02:30. Souhlaste s tím, že tento způsob provozu je ekonomicky nerentabilní i při minimálním tarifu elektřiny. V tomto případě by bylo dobrým řešením použít paralelní připojení.

Zjistěte, které profese budoucnosti jsou pro vás ty pravé

Paralelní připojení vodičů

Při paralelním zapojení jsou začátky všech vodičů spojeny v jednom společném bodě elektrického obvodu a jejich konce v jiném.

Paralelní připojení vodičů

Paralelní zapojení se používá v případech, kdy je nutné připojit elektrické spotřebiče nezávisle na sobě. Pokud například vypnete varnou konvici, chladnička bude nadále fungovat. A když jedna žárovka v lustru dohoří, zbytek stále osvětluje místnost.

Zde je několik dalších příkladů použití metody paralelního připojení:

  • osvětlení ve velkých nákupních oblastech;
  • domácí elektrické spotřebiče v bytě;
  • počítače v učebně informatiky;
  • voltmetr pro měření napětí na části obvodu.

Paralelní zapojení vodičů: vzorce

Schéma paralelního zapojení vodičů

Napětí v paralelním zapojení je stejné v jakékoli části obvodu:

Jak si pamatujete, všechny domácí elektrické spotřebiče jsou navrženy pro stejné jmenovité napětí 220 V. A budete souhlasit, je mnohem snazší vytvořit všechny zásuvky stejné, než vypočítat napětí pro každé zařízení při jejich sériovém zapojení.

Proudová síla v paralelním zapojení (v nerozvětvené části obvodu) je rovna součtu proudových sil v jednotlivých paralelně zapojených vodičích:

Elektrický proud protéká větvemi nepřímo úměrně jejich odporu. Pokud jsou odpory ve větvích stejné, pak se proud v paralelním zapojení rozdělí mezi ně rovnoměrně.

Celkový odpor obvodu je určen vzorcem:

Pro dva paralelně zapojené vodiče lze vzorec napsat jinak:

Jestliže n identické vodiče, z nichž každý má odpor R1, jsou zapojeny paralelně, pak celkový odpor části obvodu lze zjistit vydělením odporu jednoho z vodičů jejich počtem:

ČTĚTE VÍCE
Je možné prát voděodolnou podložku na matraci v pračce?

Vraťme se k Anfise a její girlandě. Už jsme přišli na to, proč přestala svítit všechna zelená světla. Je čas zjistit, proč všichni ostatní dál hořeli. Moderní girlandy používají paralelní a sériové připojení současně. Například žárovky stejné barvy jsou zapojeny do série a s jinými barvami – paralelně. Vypnutí větve se zelenými žárovkami tedy neovlivnilo chod zbytku obvodu.

Příklad řešení problému

Dva rezistory s odpory 10 Ohm, respektive 11 Ohm, jsou zapojeny paralelně a připojeny na napětí 220 V. Jaký je proud v nerozvětvené části obvodu?

Řešení.

Pojďme určit celkový odpor při paralelním připojení vodičů:

R = (R1 R2) / (R1 + R2) = (10 11) / (10 + 11) = 110 / 21 Ohm ≈ 5,24 Ohm.

Pomocí Ohmova zákona určíme sílu proudu v obvodu:

I = U/R = 220 / (110/21) = 42 A.

Odpověď: Proud v nerozvětvené části obvodu je 42 A.

Najděte perfektního učitele fyziky

Smíšené připojení vodičů

Často jsou skutečné elektrické obvody složitější, proto se používají různé kombinace způsobů sériového a paralelního zapojení. Tento způsob připojení se nazývá smíšený. Smíšené připojení vodičů zahrnuje použití metod sériového a paralelního připojení v jednom obvodu.

Algoritmus pro řešení problémů se smíšeným připojením vodičů:

Přečtěte si podmínky problému, nakreslete schéma elektrického obvodu a v případě potřeby očíslujte vodiče.

Analyzujte obvod, tj. najděte oblasti, kde se používá pouze sériové nebo pouze paralelní připojení vodičů. Určete odpor v těchto oblastech.

Zjistěte typ spojení mezi sekcemi. Najděte celkový odpor celého obvodu.

Pomocí Ohmova zákona a zákonů sériového a paralelního zapojení vodičů najděte rozložení proudů a napětí v obvodu.

Příklad řešení problému

Řešení problému smíšeného zapojení vodičů

Obrázek ukazuje schéma elektrického obvodu. Odpory rezistorů jsou stejné a rovnají se 12 Ohmům. Napětí zdroje je 100 V. Jaký proud protéká rezistorem R4?

Řešení.

Pojďme analyzovat tento diagram. Rezistory R2 a R.3 zapojené do série a s odporem R4 – paralelně. Celá tato sekce je zapojena do série se zdrojem proudu a rezistorem R1.

Určíme odpor sériově zapojených rezistorů R2 a R.3:

Zjistíme celkový odpor rezistoru R4 a sekce 2–3, zapojené paralelně:

Stanovme celkový odpor celého obvodu jako součet odporu R zapojeného do série1 a oddíl 2–3–4:

Pomocí Ohmova zákona najdeme sílu proudu v nerozvětvené části obvodu:

ČTĚTE VÍCE
Jaký je rozdíl mezi inženýrským tachometrem a technickým?

I = U/Rekv = 200 / 20 = 5 A.

Pomocí Ohmova zákona určíme napětí v sekci složené z rezistorů R2, R3, R4:

Protože je napětí v paralelním zapojení stejné, napětí na rezistoru R4 se také rovná 40 V. Pomocí Ohmova zákona zjistíme proud protékající rezistorem R4:

Odpověď: přes rezistor R4 protéká proud přibližně 3,3 A.

Analyzovali jsme poměrně hodně vzorců pro sériové a paralelní připojení vodičů. A můžete si je zapamatovat pomocí následujících schémat:

Sériové zapojení vodičů: cheat sheet

Paralelní připojení vodičů: cheat sheet

Online kurzy fyziky na Skysmart nejsou o nic méně vzrušující než naše články. Během lekcí se naučíte vytvářet širokou škálu elektrických obvodů a řešit s nimi problémy a také se dozvíte o jejich aplikaci v životě. Čekám na tebe!