Разветвлённая цепь
Программы: KS3, GCSE (Resistance), cycle 4, 2de, Sek I, AP2, IB B.5
Цель¶
Проверить, что общий ток равен сумме токов в ветвях, и найти общее сопротивление ветвей.
Установка¶
Источник 6 В и амперметр общего тока. В узлах (шинах) цепь разветвляется на две ветви: сверху — амперметр и резистор 100 Ом, снизу — амперметр и резистор 220 Ом.
Ход работы¶
- Запишите показания трёх амперметров.
- Сравните общий ток с суммой токов в ветвях.
- Для каждой ветви вычислите напряжение \(U = I \cdot R\).
- Вычислите общее сопротивление \(R = U / I\) по напряжению из шага 3 и общему току. Сравните его с \(R_1 \cdot R_2 / (R_1 + R_2)\).
- В карточке параметров нижнего резистора замените 220 Ом на 470 Ом и снова снимите показания.
Ожидаемый результат
Общий ток около 86,3 мА; в ветви 100 Ом — около 59,3 мА, в ветви 220 Ом — около 27,0 мА; 59,3 + 27,0 = 86,3 мА. Напряжение на обеих ветвях одинаково: около 5,93 В. Общее сопротивление 5,93 В / 86,3 мА ≈ 68,7 Ом; по формуле 100 · 220 / 320 = 68,75 Ом — меньше меньшего из резисторов. С резистором 470 Ом ток в его ветви падает примерно до 12,6 мА; ток в ветви 100 Ом почти не меняется.
Вопросы¶
- Почему ток в ветви 100 Ом почти не изменился, когда заменили другой резистор?
- Как изменится общий ток, если добавить третью ветвь?
- Почему общее сопротивление параллельных ветвей меньше сопротивления каждой из них?
- Чему равно общее сопротивление двух резисторов по 100 Ом, соединённых параллельно?
Ответы
- Каждая ветвь подключена к одним и тем же двум шинам, поэтому ток в ней зависит только от напряжения между шинами и от её собственного сопротивления: \(I = U / R\) ≈ 5,93 В / 100 Ом ≈ 59,3 мА. С резистором 470 Ом общий ток уменьшается примерно на 14 мА, напряжение, теряемое внутри источника и на амперметре, уменьшается всего примерно на 0,01 В, и напряжение на шинах остаётся почти прежним.
- Общий ток увеличивается на ток новой ветви: \(I = I_1 + I_2 + I_3\). Токи в остальных ветвях остаются почти прежними, потому что напряжение на них почти не меняется.
- Каждая ветвь — дополнительный путь для тока, поэтому при том же напряжении общий ток больше тока в любой отдельной ветви, а \(R = U / I\) меньше сопротивления любой ветви. Если говорить о проводимостях, то \(1 / R = 1 / R_1 + 1 / R_2\) больше каждого из своих слагаемых.
- \(R = R_1 \cdot R_2 / (R_1 + R_2)\) = 100 · 100 / 200 = 50 Ом, вдвое меньше сопротивления одного резистора.