Как найти пар в схемах

Как я и обещал в статье про переменные резисторы (ссылка), сегодня речь пойдет о возможных способах соединения, в частности о последовательном соединении резисторов и о параллельном.

Последовательное соединение резисторов.

Давайте начнем с рассмотрения цепей, элементы которой соединены последовательно. И хоть мы и будем рассматривать только резисторы в качестве элементов цепи в данной статье, но правила, касающиеся напряжений и токов при разных соединениях, будут справедливы и для других элементов. Итак, первая цепь, которую мы будем разбирать выглядит следующим образом:

Здесь у нас классический случай последовательного соединения — два последовательно включенных резистора. Но не будем забегать вперед и рассчитывать общее сопротивление цепи, а для начала рассмотрим все напряжения и токи. Итак, первое правило заключается в том, что протекающие по всем проводникам токи при последовательном соединении равны между собой:

А для определения общего напряжения при последовательном соединении, напряжения на отдельных элементах необходимо просуммировать:

В то же время, по закону Ома для напряжений, сопротивлений и токов в данной цепи справедливы следующие соотношения:

Тогда для вычисления общего напряжения можно использовать следующее выражение:

U = U_1 + U_2 = IR_2 + IR_2 = I(R_1 + R_2)

Но для общего напряжения также справедлив закон Ома:

Здесь R_0 — это общее сопротивление цепи, которое исходя из двух формул для общего напряжения равно:

Таким образом, при последовательном соединении резисторов общее сопротивление цепи будет равно сумме сопротивлений всех проводников.

Например, для следующей цепи:

Общее сопротивление будет равно:

R_0 = R_1 + R_2 + R_3 + R_4 + R_5 + R_6 + R_7 + R_8 + R_9 + R_{10}

Количество элементов значения не имеет, правило, по которому мы определяем общее сопротивление, будет работать в любом случае. А если при последовательном  соединении все сопротивления равны (R_1 = R_2 = … = R), то общее сопротивление цепи составит:

В данной формуле n равно количеству элементов. С последовательным соединением резисторов разобрались, логичным образом переходим к параллельному.

Параллельное соединение резисторов.

При параллельном соединении напряжения на проводниках равны:

А для токов справедливо следующее выражение:

То есть общий ток разветвляется на две составляющие, а его значение равно сумме всех составляющих. По закону Ома:

I_1 = frac{U_1}{R_1} = frac{U}{R_1}

I_2 = frac{U_2}{R_2} = frac{U}{R_2}

Подставим эти выражения в формулу общего тока:

I = frac{U}{R_1} + frac{U}{R_2} = Umedspace (frac{1}{R1} + frac{1}{R2})

А по закону Ома:

Приравниваем эти выражения и получаем формулу для общего сопротивления цепи:

frac{1}{R_0} = frac{1}{R_1} + frac{1}{R_2}

Данную формулу можно записать и несколько иначе:

R_0 = frac{R_1R_2}{R_1 + R_2}

Таким образом, при параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

Аналогичная ситуация будет наблюдаться и при большем количестве проводников, соединенных параллельно:

frac{1}{R_0} = frac{1}{R_1} + frac{1}{R_2} + frac{1}{R_3} + frac{1}{R_4} + frac{1}{R_5} + frac{1}{R_6}

Смешанное соединение резисторов.

Помимо параллельного и последовательного соединений резисторов существует еще смешанное соединение. Из названия уже понятно, что при таком соединении в цепи присутствуют резисторы, соединенные как параллельно, так и последовательно. Вот пример такой цепи:

Давайте рассчитаем общее сопротивление. Начнем с резисторов R_1 и R_2 — они соединены параллельно. Мы можем рассчитать общее сопротивление для этих резисторов и заменить их в схеме одним единственным резистором R_{1-2}:

R_{1-2} = frac{R1cdot R2}{R1 + R2} = 1

Теперь у нас образовались две группы последовательно соединенных резисторов:

• R_{1-2} и R_3
• R_4 и R_5

Заменим эти две группы двумя резисторами, сопротивление которых равно:

R_{1-2-3} = R_{1-2} + R_3 = 5

Как видите, схема стала уже совсем простой. Заменим группу параллельно соединенных резисторов R_{1-2-3} и R_{4-5}  одним резистором R_{1-2-3-4-5}:

R_{1-2-3-4-5}enspace = frac{R_{1-2-3}medspacecdot R_{4-5}}{R_{1-2-3} + R_{4-5}} = frac{5cdot24}{5 + 24} = 4.14

И в итоге у нас на схеме осталось только два резистора соединенных последовательно:

Общее сопротивление цепи получилось равным:

R_0 = R_{1-2-3-4-5}medspace +medspace R_6 = 4.14 + 10 = 14.14

Таким вот образом достаточно большая схема свелась к банальнейшему последовательному соединению двух резисторов. Тут стоит отметить, что некоторые схемы невозможно так просто преобразовать и определить общее сопротивление — для таких схем нужно использовать правила Кирхгофа, о которых мы обязательно поговорим в будущих статьях. А сегодняшняя статья на этом подошла к концу, до скорых встреч на нашем сайте 🤝

Структурные группы для плоских рычажных механизмов

Условие существования любой структурной
группы описывается формулой

Так как количество звеньев n
и количество кинематических пар P₅
– целые числа, то

–
кратно 2, то есть чётно,

– кратно 3.

Все структурные
группы принято разделять на классы –
со 2-го по 4-й.

Примеры структурных групп и начального
механизма приведены на рис. 2.8.

— Двухповодковая структурная группа
2-го кл.

— Структурная группа 2-го кл.

— Структурная группа 3-го кл.

— Структурная группа 4-го кл.

— Механизм 1-го кл. (начальный механизм)

Рис. 2.8. Примеры структурных групп

При добавлении к механизму 1-го класса
различных структурных групп можно
получить механизм, состоящий из одной
или нескольких структурных групп и
механизма 1-го класса.

Механизмам присваивается определённый
класс, соответствующий наивысшему
классу входящих в него структурных
групп. Примеры механизмов различных
классов приведены на рис. 2.9.

Не путать класс механизма и класс структурной группы.

2-й кл.
3-й кл.
4-й кл.

Рис. 2.9.
Механизмы различных классов

Порядок структурной группы
равен числу свободных кинематических
пар, которыми группа присоединяется к
более простому механизму. Свободные
пары показаны стрелками (рис. 2.10).

Структурная группа 2-го кл., 2-го порядка
(все структурные группы 2-го кл. имеют
2-й порядок)

Структурная группа 3-го кл., 3-го порядка

Структурная группа 4-го кл., 2-го порядка

Рис. 2.10. Примеры структурных групп
различных классов

Наиболее распространённые структурные
группы 2-го класса подразделяются на 5
видов (модификаций) (см.табл.).

Примечание. 1 – ведущее звено; 2
и 3 – звенья, образующие структурную
группу.

Для определения класса механизма его
расчленяют на структурные группы,
начиная с конца механизма. За начало
механизма принимают ведущее звено
(начальный механизм).

От конца механизма отделяются поочерёдно
простейшие структурные группы до тех
пор, пока не останется лишь механизм
1-го класса (начальный механизм, их может
быть несколько).

По классу структурных групп определяют
класс механизма. Количество начальных
механизмов равно величине W.

Пример расчленения плоского рычажного
механизма на структурные группы показан
на рис. 2.11. Предварительно вычисляют
степень подвижности механизма W
по формуле

В данном случае W =1, а
это значит, что в механизме должны быть
одно ведущее звено и соответственно
один начальный механизм.

а
б
в г

Рис. 2.11. Расчленение механизма на
структурные группы: а – исходный
механизм; б – начальный механизм;

в – 2-й класс, 1-й вид; г – 2-й класс, 2-й вид

Избыточные
связи

В некоторых случаях при проектировании
механизмов для повышения жёсткости
конструкции, улучшения условий передачи
сил вводятся так называемые избыточные
(пассивные) связи (дополнительные
звенья), (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Механизм с избыточной связью

В этом случае степень свободы вычисляется
по формуле

где q – число избыточных
(пассивных) связей.

Лишние
степени свободы

Лишние степени свободы используются
для упрощения кинематической схемы
механизма, сокращения потерь при передаче
мощности, повышения механического
коэффициента полезного действия
механизма. Например, между кулачком 1 и
толкателем 2 кулачкового механизма
устанавливается ролик 3 для устранения
трения (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Кулачковый механизм

с роликовым толкателем

В этом случае степень подвижности
механизма, вычисленная по формуле П.Л.
Чебышева, будет равна 2:

Здесь явно присутствует лишняя степень
свободы, а именно вращение ролика под
действием силы трения качения. Её следует
учитывать при проведении структурного
анализа данного механизма. Ведь очевидно,
что данный механизм может функционировать
и без ролика 3. Но при этом трение качения
будет заменено трением скольжения между
кулачком и толкателем (высшей кинематической
парой), что увеличивает потери мощности
в механизме на преодоление сил трения.

Тогда степень свободы такого механизма
вычисляется по формуле

где q – количество
лишних степеней свободы.

Структурная формула
плоского механизма

В плоском механизме для соединения
звеньев можно использовать только
плоские кинематические пары четвертого
и пятого классов (рис.2.14 и рис.2.15).

Рис.2.14. Пара IV
класса

а)
б)

Рис.2.15. Пары V класса:
а – вращательная, б –
поступательная

Пусть плоский механизм состоит из n
подвижных звеньев; для соединения их
между собой и для их присоединения к
стойке использовано

пар четвертого и

пар пятого классов.

Если на движение звена в плоскости не
наложено никаких условий связи, то оно
обладает тремя степенями свободы;
следовательно, все подвижные звенья
имеют (до их соединения кинематическими
парами) 3n степеней
свободы; каждая пара четвертого класса
является двухподвижной, т.е. из трех
возможных относительных движений
изымает одно; аналогично, каждая пара
пятого класса является одноподвижной
и из трех возможных движений изымает
два. Тогда степень подвижности плоского
механизма (или его число степеней свободы
относительно стойки)

(1)

Таким образом, нами получена структурная
формула П. Л. Чебышева.

При расчете степени подвижности механизма
по формуле (1) необходимо учитывать
следующие, нередко встречающиеся
ситуации:

1) наличие кратных шарниров; так,
соединение звеньев, показанное на рис.
2.16, необходимо считать как два шарнира,
иначе расчет по (1) даст завышенное
значение W;

Рис.2.16. Двойной шарнир

2) наличие местных подвижностей,
т.е. таких, устранение которых не повлияет
на кинематику механизма; у механизма
по рис. 1.3 при любом положении кулачка
1 коромысло 3 может занимать только одно
(единственно возможное) положение;
следовательно, у этого механизма заведомо
W=1, однако расчет по
формуле (1) приводит к явно завышенному
значению

для получения достоверного результата
нужно ролик 2 мысленно объединить с
коромыслом 3 в одно звено (рис. 2.17, б),
тогда фактическая подвижность механизма

.

а)
б)

Рис.2.17. Устранение местной
подвижности

Отметим, что эти действия корректны
только при круглом ролике, у которого
геометрический центр совпадает с центром
шарнира;

3) наличие пассивных (или избыточных)
связей.

На рис. 2.18, а – г показаны четыре
варианта исполнения механизма эллипсографа
(длины звеньев
).

Анализ кинематических свойств этих
схем показывает следующее:

— у механизма по рис. 2.18, а подвижность
W=1, траектория точки
B – горизонтальная
прямая; следовательно, без ущерба для
подвижности и кинематики механизма
допускается включение в его схему
ползуна 3 (как в схеме по рис. 2.18, г);

— аналогично у механизма по рис. 2.18, б
также W=1, а траектория
точки C – вертикальная
прямая и его схему можно заменить той
же схемой 2.18, г постановкой ползуна
4;

— у механизма по рис. 2.18, в степень
подвижности W=1 и
траектория точки A –
окружность радиуса OA;
следовательно, без ущерба для подвижности
и кинематики механизма в его схему можно
включить кривошип 1 длиной
,
как в схеме по рис. 2.18, г.

Подытоживая, заключаем, что механизм
по рис. 2.18, г кинематически эквивалентен
любому из трех остальных механизмов;
однако расчет по формуле (1) приводит к
заведомо заниженному результату

т.е. формально – это не механизм, а ферма,
что противоречит фактам. В таких случаях
говорят, что механизм имеет избыточные
или пассивные связи, которые, хотя и
присутствуют в механизме, не влияют на
его кинематику.

а)

б)

в)
г)

Рис.2.18

От пассивных связей при структурном
анализе механизмов следует избавляться:
в данном случае, в зависимости от смысла
решаемой задачи, цель достигается
удалением одного из звеньев – 1, 3 или 4
(вместе с соответствующим кинематическими
парами). Тогда

что соответствует истине.

Замена высших
кинематических пар низшими

Для любого плоского механизма, содержащего
высшие кинематические пары, можно
построить так называемый заменяющий
механизм, который не содержит высших
пар, но эквивалентен заменяемому
механизму по следующим показателям:

1) в структурном отношении (имеет ту же
подвижность);

2) в отношении кинематики (при тех же
законах движения входных звеньев
остаются прежними законы движения
выходных, сохраняются также траектории
и законы движения всех точек);

3) в силовом отношении.

Если высшая пара образована профилями
переменной кривизны, то вместо термина
«заменяющий» используют «мгновенно-заменяющий».

При выполнении процедуры замены каждой
высшей пары вводится так называемое
фиктивное звено (на рис. 2.19 обозначено
буквой Ф), участвующее в двух парах
пятого класса: либо в поступательной и
вращательной (если один из профилей –
прямая), либо в двух вращательных парах.

Центры шарниров фиктивных звеньев
всегда совпадают с центрами кривизны
контактирующих профилей.

а)
б)

Рис.2.19. Принцип построения
заменяющих схем

Классификация
плоских механизмов по Л. В. Ассуру

Замечено, что к любому плоскому механизму
можно присоединить такую кинематическую
цепь, что степень его подвижности не
изменится. Если эта цепь является
кратчайшей (т.е. не распадается на более
короткие и обладающие тем же свойством),
и если при ее формировании использованы
только низшие пары пятого класса, то
такую цепь называют структурной
группой или группой Ассура
(в дальнейшем – просто группой). При
наличии в механизме высших пар от них
всегда можно избавиться с помощью
описанной выше процедуры замены.

Из сказанного следует, что группа,
присоединенная к стойке, имеет нулевую
подвижность, но тогда она является и
кинематически и статически определимой
системой.

Пусть группа состоит из n
звеньев; для соединения этих звеньев
между собой и для присоединения группы
к стойке или к подвижным звеньям механизма
использовано

пар пятого класса; тогда для группы,
согласно (1), можно записать

(2)

или

(3)

Из (3) заключаем, что группа может состоять
только из четного числа звеньев, число
пар пятого класса в группе всегда в
полтора раза больше числа звеньев. Те
пары, с помощью которых группа
присоединяется к механизму, называют
внешними, их количество определяет
порядок группы; остальные пары,
посредством которых звенья группы
соединяются между собой, называют
внутренними.

После отсоединения от механизма всех
структурных групп останется стойка и
начальные звенья в количестве W
(речь идет о фактической степени
подвижности механизма, рассчитанной
после исключения пассивных связей и
местных подвижностей). Каждое начальное
звено со стойкой называют начальным
механизмом; таким образом, механизм
состоит из W начальных
механизмов и некоторого количества
структурных групп, присоединенных в
строго определенном порядке, который
отражают в специальной записи, называемой
формулой строения. Например, механизм
с двумя степенями свободы, содержащий
шесть структурных групп, может иметь
такое строение

(4)

В зависимости от количества звеньев в
группе и способа их соединения между
собой группы делят на классы.

Все двузвенные группы (n=2;
P₅=3) являются
группами II класса второго
порядка; дополнительно эти группы, в
зависимости от количества поступательных
пар, использованных при их формировании,
делятся на виды (рис. 2.20).

1 вид 2 вид
3 вид 4 вид
5 вид

Рис. 2.20.
Группы II класса

Класс групп, состоящих более чем из двух
звеньев, определяется числом вершин
(или сторон) многоугольника, образуемого
внутренними кинематическими парами на
структурной схеме группы, которая
строится по следующим правилам:

— все вращательные и поступательные
пары пятого класса изображают на этой
схеме как вращательные;

— звенья, участвующие в нескольких
кинематических парах, изображаются в
виде соответствующих многоугольников.

На рис. 2.21 и 2.22 для удобства сопоставления
помещены рядом друг с другом кинематические
и структурные схемы двух групп различных
классов.

а)
б)

Рис. 2.21. Группа III
класса 3 порядка: а – кинематическая
схема, б – структурная схема

Рис. 2.22. Группа IV класса
2 порядка: а – кинематическая схема, б
– структурная схема

На структурной схеме для большей
наглядности можно те шарниры, которым
на кинематической схеме соответствуют
поступательные пары, помечать буквой
«п».

В структурных схемах групп III
класса внутренние шарниры образуют
один или несколько треугольников жесткой
(неизменяемой) конфигурации; в схемах
групп более высоких классов встречаются
многоугольники (изменяемой конфигурации)
с четырьмя и большим числом сторон,
которое и определяет класс группы.

Отметим, что классификации Л.В.Ассура
подчиняются только те плоские механизмы,
у которых начальные звенья образуют
кинематические пары со стойкой.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #



В учебных и олимпиадных задачах, связанных с расчетом параметров электрических цепей постоянного тока, зачастую требуется рассчитать общее сопротивление цепи. Для решения подобных задач электрические цепи

преобразовывают

, то есть исходную схему заменяют другой с тем же числом выводов. Причём замена должна осуществляться так, чтобы сопротивления между любыми двумя выводами новой схемы были такими же, как у старой. Токи, потребляемые новой схемой от источника, должны оставаться прежними. Общее сопротивление схемы, рассчитанное для подключения к источнику для каждой пары выводов, также не изменяется. Такие преобразования называются

эквивалентными

. Расчёт потребления тока и общего сопротивления при этом обычно упрощается.

Универсального метода преобразования электрических цепей нет. Некоторые методы изложены методических пособиях и задачниках, например [1–4]. Однако изложение не носит систематического характера — обычно суть метода излагается прямо по ходу решения той или иной задачи.

В настоящей статье мы попытались собрать и кратко изложить (в виде конспекта) методы преобразования электрических цепей с сопротивлениями, которые могут быть полезны при решении широкого круга задач. Конспект будет полезен школьникам 8–11 классов, преподавателям физики, тем, кто интересуется проблемами углубленного изучения физики и подготовки школьников к олимпиадам (в частности, к Всероссийской олимпиаде и вузовским олимпиадам).

Метод простейших эквивалентных преобразований.

Простейшие примеры преобразования цепи — это 1) замена двух последовательно соединённых сопротивлений

r


₁

и

r


₂

одним сопротивлением

r


₁



+

r


₂

; 2) замена двух параллельно соединённых сопротивлений

r


₁



и

r


₂

одним сопротивлением

r


₁

·

r


₂

/(

r


₁



+

r


₂

). Эти две замены лежат в основе данного метода.

При решении задач в первую очередь необходимо установить, какие проводники соединены между собой последовательно, какие параллельно. Отдельные участки схемы с параллельно или последовательно соединенными резисторами заменяются одним эквивалентным резистором. Постепенным преобразованием участков схему упрощают и приводят к простейшей схеме, состоящей из одного резистора. При этом используются свойства последовательно и параллельно соединенных проводников.

Задача 1.

Найти общее сопротивление цепи.

R


₁

=

R


₂

= 4 Ом,

R


₃

=

R


₄

=

R


₅

=

R


₆

= 8 Ом.

Решение


: В этой задаче часто неправильно определяют, какие сопротивления включены последовательно, а какие параллельно. Эквивалентная схема представлена на рисунке. Расчет по формулам дает ответ 4 Ом.

Ответ


: 4 Ом.

Для отработки метода можно использовать следующие задачи.

– Задачи 6,11–12 с разобранными решениями, а также 10.13–10.14, 10.21–10.28 для самостоятельного решения из главы 10 [1];

– 2.22–2.24 из [2];

– 19.2–19.6 из [3].

Использование правил Кирхгофа.

Правила Кирхгофа позволяют упростить расчеты параметров разветвленных электрических цепей. Этих правил два.

Первое правило Кирхгофа

: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.

.

Второе правило Кирхгофа

: для любого замкнутого контура разветвленной электрической цепи алгебраическая сумма напряжений на сопротивлениях равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом контуре.

Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда, второе — следствием закона Ома для неоднородного участка цепи.

Правила Кирхгофа в каждом конкретном случае позволяют написать полную систему алгебраических уравнений, из которых могут быть найдены неизвестные токи и напряжения. При расчете разветвленной цепи данным методом следует применять следующий порядок:

1. произвольно выбрать направления токов во всех участках разветвленной цепи, отметив их стрелками на чертеже;
2. при составлении уравнений для узлов токи считать положительными, если они втекают к узлу, и отрицательными, если они вытекают от узла;
3. следует помнить, что число независимых уравнений, составленных по первому правилу Кирхгофа, всегда на одно меньше числа узлов, имеющихся в данной цепи;
4. выбрать направление обхода контуров цепи;
5. написать уравнения, соответствующие второму правилу Кирхгофа, соблюдая правило знаков: токи, совпадающие с направлением обхода, записывать со знаками «+», обратные направлению обхода − со знаками «−». ЭДС считать положительными, если они повышают потенциал в направлении обхода (при обходе по контуру сначала встречается отрицательный полюс источника, затем положительный);
6. следует помнить, что число независимых уравнений, составленных по второму правилу Кирхгофа, равно наименьшему числу разрывов, которые следует сделать в цепи, чтобы нарушить все контуры. Если удается изобразить схему на плоскости без пересечений, то это число равно числу областей, ограниченных проводниками (числу «дырок» в графе схемы);
7. если в полученном ответе какой-либо ток будет иметь отрицательный знак, то это указывает на ошибочность первоначального выбора направления данного тока.

Для отработки метода можно использовать, например, задачи 4.4.29–4.4.32 из [5].

Важнейшим примером задачи на применение правил Кирхгофа является задача о согласованном мосте Уитстона.

Задача 2.

Определить, при каких условиях в мостовой схеме через перемычку моста не течет ток.

Решение


: Схема моста представлена на рисунке, в качестве перемычки выступает гальванометр G. Если мостик подключить к источнику току, то мы получим разветвленную электрическую цепь, содержащую 4 узла и 3 дырки. Значит, для расчета токов и напряжений можно составить систему 6 независимых уравнений: 3 уравнения для узлов и три уравнения для контуров. Мы ограничимся выводом условия, при котором ток через гальванометр G идти не будет. Такой мостик называется

согласованным

. В этом случае токи через сопротивления

R


₁

и



R


₃

будут одинаковы. На схеме эти токи обозначены

I


₁

. Одинаковыми будут токи и через сопротивления

R


₂

и



R


₄

. На схеме токи через

R


₂

и



R


₄

обозначены

I


₂

.

Из второго правила Кирхгофа получаем:

Преобразовав систему, получим искомое условие:

. Это соотношение очень полезно для решения задач. Из него, в частности, следует, что мост, собранный из одинаковых сопротивлений, всегда будет согласованным.

Ответ:

.

Если бы вместо гальванометра в схеме было бы сопротивление

R

, то удаление этого сопротивления не привело бы к изменению токов и потенциалов в цепи. Поэтому в тех частях электрических схем, где будут согласованные мосты, перемычку можно будет удалять.

Пример с мостом Уитстона вплотную подвёл нас к следующему методу расчёта сопротивления разветвлённой электрической цепи — к методу удаления сопротивления.

Метод удаления сопротивления.

Идея этого метода состоит в том, чтобы исключить участок цепи, через который не течет ток. Полученная схема будет эквивалентна исходной.

Задача 3.

Найти сопротивление участка цепи между точками А и В, изображенного на рисунке.

Решение:


Узлы С и D симметричны относительно прямой АВ. Если повернуть схему на 180° вокруг прямой АВ, то схема на изменяется. Можно представить себе такую ситуацию: независимый наблюдатель следит за ходом измерений для данной схемы. Его попросили выйти из лаборатории. После этого отсоединили источник тока, несколько раз повернули схему вокруг АВ, затем подсоединили источник и пригласили наблюдателя. Из-за симметрии никакими экспериментами он не сможет определить, сколько раз повернули схему и где теперь находится точка С. Значит, между симметричными точками C и D ток течь не может — иначе бы наблюдатель измерил его направление и определил местонахождение точки C. Следовательно, перемычку CD можно удалить.

Удаление сопротивления CD можно обосновать и с использованием моста Уитстона. Заметим, что часть цепи A-C-B-D-A представляет из себя согласованный мост с перемычкой CD, которую, как мы ранее доказали, можно убрать.

После исключения участка CD получим эквивалентную цепь, сопротивление которой равно

R

/2.

Для отработки метода удаления сопротивления можно использовать следующие задачи:

– Каркасный тетраэдр: задача 8 из главы 10 [1], 19.15(3) из [3].

– N-полюсник: 19.18 из [3].

Метод эквипотенциальных узлов

. Эквипотенциальными называются узлы с равными потенциалами. Если в цепи, содержащей сопротивления, имеются эквипотенциальные узлы, то их можно рассматривать как один узел, проводя операцию склейки узлов.Поэтому данный метод еще называют

методом склейки узлов

.

Почему операция сведения в один узел правомочна? В электрических схемах соединительные провода, не имеющие сопротивления (их изображают на схемах тонкой линией), можно удлинять или укорачивать. Общее сопротивление цепи при этом не изменяется. Если узлы соединены накоротко (соединительный провод имеет сопротивление равное нулю), то соединительный провод можно укорачивать до тех пор, пока узлы не «склеятся», образуя один узел. Если узлы имеют одинаковые потенциалы и не соединены проводом, то электрические условия в этих точках не изменяются (а значит и сопротивление всей цепи) при соединении их проводником, не имеющим сопротивления. После чего можно провести операцию склейки.

Но есть ещё один случай, когда эквипотенциальные узлы соединены проводником с не равным нулю сопротивлением. Если при подключении цепи к источнику тока, по этому проводнику не идёт ток, то по закону Ома для однородного участка цепи разность потенциалов на концах этого проводника равна нулю. А, значит, узлы на концах проводника являются эквипотенциальными. В этом случае проводник с сопротивлением можно заменить на соединительный провод без сопротивления, после чего узлы также склеиваются.

Как найти эквипотенциальные точки в разветвленной электрической цепи? Общих правил нет. Нахождению эквипотенциальных точек часто помогает симметрия включения участков цепи. При этом граф схемы должен иметь ось симметрии или плоскость симметрии, проходящую через точки подключения. Можно мысленно повернуть или трансформировать граф таким образом, чтобы «кандидаты» в эквипотенциальные узлы поменялись местами. Если после обмена наименований точек получается исходная схема, значит, выбранные узлы эквипотенциальны.

Операция склейки приводит к уменьшению количества узлов. После этой операции схема обычно упрощается и к ней можно применить метод эквивалентных преобразований.

Задача 4.

Найти сопротивление участка цепи между точками А и В. Считать сопротивление каждого проводника равным

R.

Решение



:

Докажем, что точки С и D эквипотенциальны. Точки С и D симметричны относительно прямой, проходящей через точки А и В. Если повернуть четырёхугольник вокруг прямой АВ на 180°, точка С перейдёт в точку D и наоборот. Если после поворота на 180° заменить наименование точек С на D, а D на С, мы получим исходную схему. Следовательно, потенциалы ϕ

_С

и ϕ

_D

равны.

Соединив точки С и D в один узел, получим эквивалентную схему, которую можно разложить на элементы последовательного и параллельного соединений. Сопротивление между точками А и В рассчитываем, используя преобразования схемы.

Ответ



:


R

_АВ


=7

R

/8.

Метод эквипотенциальных узлов помогает решать задачи, которые предлагаются на некоторых олимпиадах. К таким задачам, в частности, относятся следующие.

– Каркасный куб: задача 7 и задачи 10.15–10.16 из главы 10 [1], 2.28 из [2], 19.15(5) из [3];

– Каркасный многоугольник: 2.27а из [2];

– Склейка узлов, к которым подсоединен идеальный амперметр: 19.20–19.21 из [3].

Метод разрезания узлов

.Чуть более сложный метод, который заключается в замене одного узла несколькими эквипотенциальными. Главное условие — чтобы при разрезании не нарушилось распределение токов в цепи.

Задача 5.

Определить сопротивление участка цепи между точками А и В. Сопротивления отдельных участков одинаковы и равны

R



.

Решение


: Здесь нет ни одной пары проводников, соединенных между собой последовательно или параллельно. Поэтому необходимо обратить внимание на возможную симметрию цепи. Для применения метода разрезания узлов сначала надо провести анализ распределения токов в цепи.

Из симметрии схемы относительно прямой АВ следует, что токи в проводниках А-1 и А-3 будут равны между собой. А значит, в узлах 1 и 3 токи делятся в одинаковых пропорциях. Поэтому токи между узлами 1-О и 3-О также будут одинаковыми друг другу. Токи

I


_AO

=

I


_OB

=

I


₁

,

I


_1O

=

I


_O2

=

i


₁

,

I


_3O

=

I


_O4

=

i


₂

.

Следовательно, узел O можно разрезать так, чтобы не нарушалось протекание токов

I


₁

,

i


₁

и

i


₂

. После преобразований получаем окончательный ответ 4

R

/5.

Для отработки метода можно использовать следующие задачи: задачи 9 и 10.17 из главы 10 [1], 2.27в из [2], 19.15(1,2,4) и 19.16 из [3].

Метод замены «треугольника» на «звезду»

. Данный метод позволяет быстро рассчитать сопротивления участков цепи в том случае, когда не удается установить симметричного распределения токов. Метод замечательно изложен в статье А. Р. Зильбермана [6].

В основе этого метода лежит задача 19.13 из [3], разобрать которую мы предлагаем читателям самостоятельно. Выпишем только полученный результат.

Если в схеме к некоторым узлам подключены сопротивления

R


₁

,

R


₂

,

R


₃

в виде «треугольника», то его можно заменить на элемент «звезда» с сопротивлениями

r


₁

,

r


₂

,

r


₃

, которые рассчитываются по формулам

Результат легко запомнить, если заметить, что в знаменателе всегда стоит сумма сопротивлений «треугольника», в числителе — произведение сопротивлений с дополняющими номерами, причем индексы у

r


₁

,

R


₂

,

R


₃

в первой формуле можно менять по циклу 1–2–3–1 и таким образом получить остальные две формулы.

Задача 6.

В схеме, изображенной на рисунке, определить сопротивление между точками A и B.

Решение:


Данный мост не является согласованным, что легко проверить. Симметрия в схеме отсутствует. Однако левую половину моста (с сопротивлениями по 1 Ом) можно рассматривать как «треугольник». После замены на «звезду» получается схема с последовательным и параллельным соединениями, сопротивление которой предлагаем читателям подсчитать самостоятельно.

Ответ:


13/11 Ом.

Замена «треугольника» на «звезду» уменьшает на один количество контуров в схеме и увеличивает на один количество узлов. Если мы, напротив, хотим уменьшить число узлов в схеме, то можно провести обратную замену — «звезды» на «треугольник» по формулам [6]:

При удалении большего числа узлов можно использовать обобщенный метод, изложенный в статье Е. Соколова [7].

Расчет бесконечных цепей.

В олимпиадных задачах иногда встречаются электрические цепи, в которых повторяется одно и то же звено цепи до бесконечности. С практической точки зрения это означает, что число повторяющихся звеньев

N

очень велико и добавление очередного звена не приводит к сколько-нибудь значительному изменению общего сопротивления. С математической точки зрения

сопротивлением бесконечной цепиR

называется предельное значение сопротивления при

N

→ ∞.

Идея решения заключается в том, что при удалении первого звена сопротивление оставшейся части также будет равно

R

(ведь число элементов останется бесконечным. Значит, бесконечную цепь (без первого звена) можно заменить эквивалентным сопротивлением

R

, причем общее сопротивление также равно

R

. После этого составляется уравнение и находится его решение относительно

R

. Рисунок иллюстрирует сказанное применительно к задаче 19.19 из [3], которую мы предлагаем сделать читателям самостоятельно, как и задачу 2.26 из [2].

Повторяющиеся звенья цепи могут быть не в точности одинаковы, а быть подобны друг другу (т. е. все сопротивления в звеньях отличается в какое-то фиксированное количество раз). Такая схема, в частности, может быть реализована в виде

фрактала

, как это было в задаче № 6 для 8–11 кл. в Турнире Ломоносова 2015 г.

Задача 7.

Из однородной проволоки изготовлен равносторонний треугольник

ABC

, сторона которого равна

a

. К точкам

A


₁

и

C


₁

, делящим сторону

AC

на три равные части, прикреплены еще два куска проволоки — вместе с отрезком

A


₁

и

C


₁

они образуют равносторонний треугольник со стороной

a

/3. Внутри этого треугольника сделан еще один (в три раза меньший) и т. д. Найдите сопротивление всей конструкции, если число треугольников очень велико. Сопротивление куска проволоки длины

a

равно

r

.

Решение:


Обозначим искомое сопротивление за

R

.


Если разорвать куски проволоки

AA


₁

и

C


₁


C

, то оставшийся треугольник, как подобный исходному с коэффициентом 1/3, будет иметь сопротивление

R

/3, поскольку все сопротивления в нем (по сравнению с исходным) меньше в 3 раза. Эквивалентная схема показана на рисунке.

Вычисляя ее сопротивление, получим уравнение:

решения которого

. Один из корней отрицателен, другой положителен. Он и является ответом в задаче.

Ответ:

.

Напоследок предлагаем читателям еще одну задачу 3.52 из [4] с бесконечными цепями, содержащими подобные друг другу звенья.

Принцип суперпозиции

. Уравнения закона Ома и правил Кирхгофа линейны относительно токов. Это значит, что если в цепи есть несколько источников тока, то можно рассчитать, какой ток создаст в данном проводнике каждый источник в отдельности. А реальный ток через выбранный проводник будет равен сумме токов, создаваемых каждым источником в отдельности.

Задача 8

(задача 10 из главы 10 [1])

.

В каждое ребро бесконечной сетки с квадратными ячейками включено сопротивление

r =

20 Ом. Чему равно сопротивление сетки при подключении её соседними узлами?

Решение:


К узлам А и В подключается внешний источник тока. Он создаёт ток

I

, входящий через узел А, и такой же ток, выходящий через узел В. Будем измерять напряжение

U

между точками А и В идеальным вольтметром и ток

I

в измерительной цепи, содержащей источник тока и идеальный вольтметр. Во время измерений напряжение и ток в очень далёких от А и В узлах равны нулю. Поэтому, если соединить далёкие точки хорошо проводящим проводом, то ничего не изменится. Назовём этот провод «бесконечность». Его можно представить как провод, идущий по окружности очень большого радиуса.

Теперь возьмём два одинаковых источника тока. Первый подключим к точке А и «бесконечности» так, чтобы ток

I

, шёл по сетке от точки А к «бесконечности». При этом распределение тока по разным направлениям (по четырём проводникам, подключённым к узлу А) равномерно. Поэтому по каждому такому проводнику пойдёт ток

I

/4 от узла А.

Второй источник подключим к узлу В и «бесконечности» так, чтобы ток

I

, шёл по сетке от «бесконечности» к точки В (см. рис. 25 в). По каждому проводнику, подключённому к узлу В пойдёт ток

I

/4 в направлении к узлу В. В силу указанной выше линейности уравнений закона Ома на каждом участке бесконечной сетки ток в любом ребре сетки будет суммой токов этих двух источников. Причём, для каждого источника распределение тока симметрично относительно узла, к которому источник подключён.

От первого источника по ребру АВ течёт ток

I

/4 в направлении от А к В. Такой же ток в том же направлении протекает по ребру АВ от второго источника. Значит, по ребру АВ течет ток

I

/2.

Тогда напряжение, измеренное на этом ребре, будет равно

U =

(

I

/2)

r

. Сопротивление сетки

R

=

U/I

=

r

/2.

Ответ:


10 Ом.

Для отработки метода предлагаем сформулировать и решить две аналогичные задачи с бесконечной сеткой из шестиугольников (должен получиться ответ 2

r

/3) и треугольников (

r

/3), а также разобрать еще более сложную задачу 3.53 с треугольной сеткой из [4].

Работа выполнена на базе ГБОУ Школа № 1557 имени Петра Леонидовича Капицы в рамках проекта «Курчатовский проект в московской школе». Авторы благодарят администрацию ГБОУ Школа № 1557 за помощь и поддержку.

Литература:

1. Черноуцан А. И. Физика. Задачи с ответами и решениями: учебное пособие. 9-е изд. М.: КДУ, 2017. 352 с.

2. Сборник задач по физике с решениями и ответами. Часть III. Электричество и оптика / Под ред. А. Н. Долгова. М.: МИФИ, 2001. 188 с.

3. Гольдфарб Н. И. Сборник вопросов и задач по физике. 9-е изд. М.: Дрофа, 2005. 351 с.

4. Варламов С. Д. и др. Задачи Московских городских олимпиад по физике. 1986–2005 / Под ред. М. В. Семенова, А. А. Якуты. 2-е изд., исправл. М.: МЦНМО, 2007. 624 с.

5. Павленко Ю. Г. Физика. Избранные задачи. Кн. I. М.: Экзамен, 2008. 544 c.

6. Зильберман А. Р. Преобразование электрических цепей // Квант, 1971. № 3. С. 10–14.

7. Соколов Е. О простом и сложном // Квант, 2002. № 2. С. 7–12.

Смешанное соединение проводников. Расчёт электрических цепей

Повторение. Факты про последовательное и параллельное соединение проводников.

1. При по­сле­до­ва­тель­ном со­еди­не­нии про­вод­ни­ков общее со­про­тив­ле­ние участ­ка равно сумме со­про­тив­ле­ний про­вод­ни­ков:

2. При по­сле­до­ва­тель­ном со­еди­не­нии про­вод­ни­ков силы тока в каж­дом из про­вод­ни­ков равны и равны общей силе тока на участ­ке цепи:

3. При по­сле­до­ва­тель­ном со­еди­не­нии про­вод­ни­ков сумма на­пря­же­ний равна об­ще­му на­пря­же­нию на участ­ке цепи:

4. При па­рал­лель­ном со­еди­не­нии про­вод­ни­ков общая про­во­ди­мость участ­ка равна сумме про­во­ди­мо­стей про­вод­ни­ков:

5. При па­рал­лель­ном со­еди­не­нии про­вод­ни­ков сумма сил токов равна общей силе тока на участ­ке цепи:

6. При па­рал­лель­ном со­еди­не­нии про­вод­ни­ков на­пря­же­ния в каж­дом из про­вод­ни­ков равны и равны об­ще­му на­пря­же­нию на участ­ке цепи:

Задача 1

Че­ты­ре оди­на­ко­вые лампы под­клю­че­ны к ис­точ­ни­ку по­сто­ян­но­го на­пря­же­ния (см. Рис. 1). Опре­де­ли­те силу тока в каж­дой лампе, если на­пря­же­ние на ис­точ­ни­ке со­став­ля­ет 30 В.

Дано: ;

Найти: , , ,

Ре­ше­ние

Рис. 1. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

На ри­сун­ке 1 изоб­ра­же­на элек­три­че­ская цепь со сме­шан­ным со­еди­не­ни­ем про­вод­ни­ков: лампы 2 и 3 со­еди­не­ны па­рал­лель­но, а лампы 2 и 4 со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но с участ­ком цепи, со­сто­я­щим из ламп 2 и 3.

Про­во­ди­мость участ­ка цепи, со­сто­я­ще­го из ламп 2 и 3, равна:

Сле­до­ва­тель­но, со­про­тив­ле­ние этого участ­ка равно:

Так как лампы 1 и 4 со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но с участ­ком цепи, со­сто­я­щим из ламп 2 и 3, то общее со­про­тив­ле­ние ламп будет равно:

Со­глас­но за­ко­ну Ома, сила тока всей цепи равна:

Так как при по­сле­до­ва­тель­ном со­еди­не­нии про­вод­ни­ков силы тока в каж­дом из про­вод­ни­ков равны и равны общей силе тока на участ­ке цепи, то:

Необ­хо­ди­мо найти силу тока на лам­пах 2 и 3. Для этого вы­чис­лим на­пря­же­ние на участ­ке цепи, ко­то­рый со­сто­ит из ламп 2 и 3:

Так как лампы 2 и 3 со­еди­не­ны па­рал­лель­но, то на­пря­же­ния на этих лам­пах равны:

От­сю­да сила тока в каж­дой лампе равна:

Ответ:  ;  

Задача 2

Уча­сток цепи, ко­то­рый со­сто­ит из че­ты­рёх ре­зи­сто­ров, под­клю­чён к ис­точ­ни­ку с на­пря­же­ни­ем 40 В (см. Рис. 2). Вы­чис­ли­те силу тока в ре­зи­сто­рах 1 и 2, на­пря­же­ние на ре­зи­сто­ре 3. Со­про­тив­ле­ние пер­во­го ре­зи­сто­ра равно 2,5 Ом, вто­ро­го и тре­тье­го – по 10 Ом, чет­вёр­то­го – 20 Ом.

Дано: ; ; ;

Найти: , ,

Ре­ше­ние

Рис. 2. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

Через ре­зи­стор  течёт такой же ток, как и через весь уча­сток (), сле­до­ва­тель­но, со­глас­но за­ко­ну Ома:

То есть для на­хож­де­ния  нужно вы­чис­лить со­про­тив­ле­ние (R) всего участ­ка цепи, ко­то­рый со­сто­ит из двух по­сле­до­ва­тель­но под­клю­чён­ных ча­стей, одна часть с ре­зи­сто­ром , дру­гая часть с ре­зи­сто­ра­ми :

Ре­зи­стор  со­еди­нён па­рал­лель­но ре­зи­сто­рам  и , сле­до­ва­тель­но:

Ре­зи­сто­ры  и  со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но, по­это­му:

Сле­до­ва­тель­но, со­про­тив­ле­ние всей цепи равно:

Под­ста­вим дан­ное зна­че­ние в фор­му­лу для на­хож­де­ния тока в ре­зи­сто­ре :

Так как при па­рал­лель­ном со­еди­не­нии про­вод­ни­ков на­пря­же­ния в каж­дом из про­вод­ни­ков равны и равны об­ще­му на­пря­же­нию на участ­ке цепи, то:

От­сю­да:

При по­сле­до­ва­тель­ном со­еди­не­нии силы тока оди­на­ко­вы, по­это­му:

По­лу­чи­ли си­сте­му урав­не­ний:

Решив эту си­сте­му по­лу­чим, что:

Так как  и  со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но:

На­пря­же­ние на ре­зи­сто­ре  равно:

Ответ: ;  ;  

Задача 3

Най­ди­те пол­ное со­про­тив­ле­ние цепи (см. Рис. 3), если со­про­тив­ле­ние ре­зи­сто­ров , , . Най­ди­те силу тока, иду­ще­го через каж­дый ре­зи­стор, если к цепи при­ло­же­но на­пря­же­ние 36 В.

Дано: ; ; ;

Найти: , , , , , , ;

Ре­ше­ние

Рис. 3. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

Ре­зи­сто­ры , ,  со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но, по­это­му со­про­тив­ле­ние на этом участ­ке равно:

Ре­зи­стор  под­клю­чён па­рал­лель­но участ­ку с ре­зи­сто­ра­ми , , , по­это­му со­про­тив­ле­ние на участ­ке с ре­зи­сто­ра­ми ,, ,  равно:

Ре­зи­сто­ры  и  со­еди­не­ны с участ­ком цепи с ре­зи­сто­ра­ми ,, ,  по­сле­до­ва­тель­но, то есть общее со­про­тив­ле­ние цепи равно:

Через ре­зи­стор  и   () нераз­ветв­лён­ной цепи течёт весь ток цепи, по­это­му:

По за­ко­ну Ома этот ток равен:

Общее на­пря­же­ние цепи будет со­сто­ять из на­пря­же­ний , так как ,,  со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но (, по­то­му что  и  па­рал­лель­ны):

Со­глас­но за­ко­ну Ома:

Ре­зи­сто­ры , ,  со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но, сле­до­ва­тель­но:

Ответ: ; ; ;   

Разветвление: Задача на бесконечную электрическую цепь

Най­ди­те со­про­тив­ле­ние R бес­ко­неч­ной цепи, по­ка­зан­ной на ри­сун­ке 4.

Рис. 4. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

Ре­ше­ние

По­сколь­ку рас­смат­ри­ва­е­мая в за­да­че цепь бес­ко­неч­на, уда­ле­ние одной «ячей­ки», со­сто­я­щей из ре­зи­сто­ров  и , не вли­я­ет на её со­про­тив­ле­ние. Сле­до­ва­тель­но, вся цепь, на­хо­дя­ща­я­ся пра­вее звена , тоже имеет со­про­тив­ле­ние R. Это поз­во­ля­ет на­ри­со­вать эк­ви­ва­лент­ную схему цепи (см. Рис. 5) и за­пи­сать для неё урав­не­ние.

Рис. 5. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

По­лу­чи­ли квад­рат­ное урав­не­ние от­но­си­тель­но R. Решая это урав­не­ние и от­бра­сы­вая от­ри­ца­тель­ный ко­рень (от­ри­ца­тель­но­го со­про­тив­ле­ния не су­ще­ству­ет), по­лу­ча­ем фор­му­лу для об­ще­го со­про­тив­ле­ния цепи:

Про­ана­ли­зи­ро­вав дан­ную фор­му­лу, можно за­ме­тить, что если , то общее со­про­тив­ле­ние цепи . То есть ре­зи­стор с малым со­про­тив­ле­ние  прак­ти­че­ски за­ко­ро­тит всю по­сле­ду­ю­щую бес­ко­неч­ную цепь.

Ответ:

Итоги

Мы рас­смот­ре­ли раз­лич­ные за­да­чи на сме­шан­ное со­про­тив­ле­ние про­вод­ни­ков, а также на рас­чёт элек­три­че­ских цепей.

Разветвление: Задача из ЕГЭ

Со­про­тив­ле­ние каж­до­го ре­зи­сто­ра в цепи (см. Рис. 6) равно 100 Ом. Уча­сток под­клю­чён к ис­точ­ни­ку по­сто­ян­но­го на­пря­же­ния вы­во­да­ми AиB. На­пря­же­ние на ре­зи­сто­ре  равно 12 В. Найти на­пря­же­ние между вы­во­да­ми схемы на участ­ке A–B(ва­ри­ан­ты от­ве­та: а) 12 В; б) 18 В; в) 24 В; г) 36 В.

Дано: ;

Найти:

Ре­ше­ние

Рис. 6. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

Ре­зи­сто­ры  рас­по­ло­же­ны по­сле­до­ва­тель­но, зна­чит, силы тока на этих ре­зи­сто­рах равны:

Так как, по усло­вию, , то и на­пря­же­ния на этих ре­зи­сто­рах будут равны:

Сле­до­ва­тель­но, общее на­пря­же­ния на участ­ке, со­сто­я­щем из ре­зи­сто­ров , будет равно:

Так как уча­сток с ре­зи­сто­ра­ми  со­еди­нён с участ­ком с ре­зи­сто­ра­ми  па­рал­лель­но, то на­пря­же­ния на этих участ­ках равны между собой и равны об­ще­му на­пря­же­нию на участ­ке A–B:

Ответ: г) 36 В

Дан­ную за­да­чу, как видим, можно ре­шить, не зная зна­че­ний со­про­тив­ле­ния, а зная толь­ко то, что они равны. Также эту за­да­чу можно ре­шить, зная зна­че­ние со­про­тив­ле­ний , даже если они не равны.

Вопросы к конспектам

Как нужно со­еди­нить че­ты­ре ре­зи­сто­ра, со­про­тив­ле­ния ко­то­рых 0,5 Ом, 2 ОМ, 3,5 Ом и 4 Ом, чтобы их общее со­про­тив­ле­ние было 1 Ом?

Параллельное соединение резисторов — онлайн калькулятор

Чтобы быстро вычислить общее сопротивление двух и более резисторов, соединенных параллельно, вы можете воспользоваться следующим онлайн калькулятором:

Параллельное соединение резисторов — одно из двух видов электрических соединений, когда оба вывода одного резистора соединены с соответствующими выводами другого резистора или резисторов. Зачастую резисторы соединяют последовательно или параллельно для того, чтобы создать более сложные электронные схемы.

Схема параллельного соединения резисторов показан на рисунке ниже. При параллельном соединении резисторов, напряжение на всех резисторах будет одинаковым, а протекающий через них ток будет пропорционален их сопротивлению:

Формула параллельного соединения резисторов

Общее сопротивление нескольких резисторов соединенных параллельно определяется по следующей формуле:

Ток, протекающий через отдельно взятый резистор, согласно закону Ома, можно найти по формуле:

Параллельное соединение резисторов — расчет

Пример  №1

При разработке устройства, возникла необходимость установить резистор с сопротивлением 8 Ом. Если мы просмотрим весь номинальный ряд стандартных значений резисторов, то мы увидим, что резистора с сопротивлением в 8 Ом в нем нет.

Выходом из данной ситуации будет использование двух параллельно соединенных резисторов. Эквивалентное значение сопротивления для двух резисторов соединенных параллельно рассчитывается следующим образом:

Данное уравнение показывает, что если R1 равен R2, то сопротивление R составляет половину сопротивления одного из двух резисторов. При R = 8 Ом, R1 и R2 должны, следовательно, иметь значение 2 × 8 = 16 Ом.
Теперь проведем проверку, рассчитав общее сопротивление двух резисторов:

Таким образом, мы получили необходимое сопротивление 8 Ом, соединив параллельно два резистора по 16 Ом.

Пример расчета №2

Найти общее сопротивление  R из трех параллельно соединенных резисторов:

Общее сопротивление R рассчитывается по формуле:

Этот метод расчета может быть использованы для расчета любого количества отдельных сопротивлений соединенных параллельно.

Один важный момент, который необходимо запомнить при расчете параллельно соединенных резисторов – это то, что общее сопротивление всегда будет меньше, чем значение наименьшего сопротивления в этой комбинации.

Как рассчитать сложные схемы соединения резисторов

Более сложные соединения резисторов могут быть рассчитаны путем систематической группировки резисторов. На рисунке ниже необходимо посчитать общее сопротивление цепи, состоящей из трех резисторов:

Для простоты расчета, сначала сгруппируем резисторы по параллельному и последовательному типу соединения.
Резисторы R2 и R3 соединены последовательно (группа 2). Они в свою очередь соединены параллельно с резистором R1 (группа 1).

Последовательное соединение резисторов группы 2 вычисляется как сумма сопротивлений R2 и R3:

В результате мы упрощаем схему в виде двух параллельных резисторов. Теперь общее сопротивление всей схемы можно посчитать следующим образом:

Расчет более сложных соединений резисторов можно выполнить используя законы Кирхгофа.

Ток, протекающий в цепи параллельно соединенных резисторах

Общий ток I протекающий в цепи параллельных резисторов равняется сумме отдельных токов, протекающих во всех параллельных ветвях, причем ток в отдельно взятой ветви не обязательно должен быть равен току в соседних ветвях.

Несмотря на параллельное соединение, к каждому резистору приложено одно и то же напряжение. А поскольку величина сопротивлений в параллельной цепи может быть разной, то и величина протекающего тока через каждый резистор тоже будет отличаться (закон Ома для участка цепи).

Рассмотрим это на примере двух параллельно соединенных резисторов. Ток, который течет через каждый из резисторов ( I1 и I2 ) будет отличаться друг от друга поскольку сопротивления резисторов R1 и R2 не равны.
Однако мы знаем, что ток, который поступает в цепь в точке «А» должен выйти из цепи в точке «B» .

Правило Кирхгофа гласит: «Общий ток, входящий в цепь равен току выходящему из цепи».

Таким образом, протекающий общий ток в цепи  можно определить как:

I = I1 + I2

Затем с помощью закона Ома можно вычислить ток, который протекает через каждый резистор:

Ток, протекающий в R1 = U ÷ R1 = 12 ÷ 22 кОм = 0,545 мА

Ток, протекающий в R 2 = U ÷ R2 = 12 ÷ 47 кОм = 0,255 мА

Таким образом, общий ток будет равен:

I = 0,545 мА + 0,255 мА = 0,8 мА

Это также можно проверить, используя закон Ома:

I = U ÷ R = 12 В ÷ 15 кОм = 0,8 мА (то же самое)

где 15кОм — это общее сопротивление двух параллельно соединенных резисторов (22 кОм и 47 кОм)

И в завершении хочется отметить, что большинство современных резисторов маркируются цветными полосками и назначение ее можно узнать здесь.

Подведем итог

Когда два или более резистора соединены так, что оба вывода одного резистора соединены с соответствующими выводами другого резистора или резисторов, то говорят, что они соединены между собой параллельно. Напряжение на каждом резисторе внутри параллельной комбинации одинаковое, но токи, протекающие через них, могут отличаться друг от друга, в зависимости от величины сопротивлений каждого резистора.

Эквивалентное или полное сопротивление параллельной комбинации всегда будет меньше минимального сопротивления резистора, входящего в параллельное соединение.