電阻,在電路中最早被認(rèn)識(shí)的元件,也是最簡(jiǎn)單的元件。除了具有具體阻值的電阻器(如色環(huán)電阻、貼片電阻等)外,我們?nèi)粘I钪谐S玫碾姞t、電熱棒等家用電器,其電路模型也是電阻。另外,輸電導(dǎo)線有時(shí)候也會(huì)等效為電阻。
電阻在電路中的連接方式有很多,最簡(jiǎn)單、最常用的就是串聯(lián)與并聯(lián)。而在講電阻串并聯(lián)之前,我們有必要先了解電阻元件的特性,即在電壓和電流方向一致時(shí),在任何時(shí)刻,電阻兩端的電壓和電流遵循歐姆定律:u = iR 。
其中R是電阻元件的參數(shù),稱為元件的電阻,是一個(gè)大于零的常數(shù),單位為歐姆[Ω],簡(jiǎn)稱“歐”。所以,我們?nèi)粘V兴f(shuō)的“電阻”,有時(shí)候表示的是電阻元件,有時(shí)候又表示電阻元件的阻值。
電阻除了可以用電壓除以電流求解外,還可以根據(jù)其他參數(shù)求解,如下圖1-1所示。
電阻R與長(zhǎng)度l(L的小寫)成正比,與橫截面積S成反比,式中ρ為比例系數(shù),由導(dǎo)體的材料和周圍溫度所決定,稱為電阻率。當(dāng)然,圖1-1所示的公式,僅適用于由某種材料制成的柱形均勻?qū)w,如導(dǎo)線、大部分金屬。
在了解了電阻的一般性質(zhì)后,我們開(kāi)始這次的內(nèi)容講解吧。
一、電阻的串聯(lián)
所謂電阻串聯(lián),是指流過(guò)每個(gè)電阻的電流為同一電流。換言之,各個(gè)串聯(lián)電阻之間沒(méi)有(支路)分支電流。其總電阻直接等于各個(gè)分電阻直接相加,如下圖1-2所示。顯然,總電阻大于任一串聯(lián)電阻。
根據(jù)圖1-1,電阻的阻值正比于其長(zhǎng)度,所以電阻串聯(lián),就好比增大了長(zhǎng)度,串得越多,長(zhǎng)度越長(zhǎng),阻值也就越大。
另外,根據(jù)歐姆定律,可以得出兩個(gè)串聯(lián)電阻的分壓公式,如下圖1-3所示。這說(shuō)明,各串聯(lián)電阻的電壓與其阻值成正比,阻值越大的電阻,分得的電壓就越大。
例如兩個(gè)阻值分別為20Ω和80Ω的電阻串聯(lián),如圖1-4所示,接入10V電壓,可以馬上得出各個(gè)電阻的電壓。
依次類推,有多個(gè)電阻串聯(lián)時(shí),它們的電壓也是與其阻值成正比,就跟圓餅圖一樣,總電壓和總電阻是整個(gè)圓餅,各個(gè)電阻所得電壓,就看各個(gè)電阻占總電阻的比例。
二、電阻并聯(lián)
所謂電阻并聯(lián),是指各電阻的電壓為同一電壓。換言之,所有并聯(lián)電阻共用2個(gè)結(jié)點(diǎn),首首相連,尾尾相連,如下圖1-5所示。
顯然,等效電阻小于任一個(gè)并聯(lián)的電阻。這是因?yàn)椴⒙?lián)電阻中,總電阻的倒數(shù)等于各個(gè)并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和,也就是說(shuō),總電阻的倒數(shù)肯定大于任一并聯(lián)電阻的倒數(shù)。又因?yàn)樵诜謹(jǐn)?shù)中,分子相同時(shí),分母越大的分?jǐn)?shù)就越小,例如1/5和1/6兩個(gè)分?jǐn)?shù),分子同為1,分母6比5大,所以分?jǐn)?shù)1/6小于1/5。
同理,由于總電阻的倒數(shù)大于任一并聯(lián)電阻的倒數(shù),所以作為分母的總電阻肯定小于任一并聯(lián)電阻(各個(gè)并聯(lián)電阻倒數(shù)的分母)。
這讓我想起我曾經(jīng)做過(guò)的一道選擇題,其內(nèi)容大概如圖1-6所示,然后有ABCD4個(gè)選項(xiàng),但只有一個(gè)選項(xiàng)的阻值是小于12Ω的,其他三個(gè)選項(xiàng)都是大于12Ω,所以根據(jù)電阻并聯(lián)的特性,答案不用我說(shuō),大家也知道了吧。
圖1-6
類似兩個(gè)電阻串聯(lián)的分壓公式,兩個(gè)電阻并聯(lián)也有分流公式,如下圖1-7所示。這表明,各并聯(lián)電阻的電流與其阻值成反相關(guān),即該電阻越大,其電流就越小。另外,大家可以發(fā)現(xiàn),分流公式中,各支路電流公式的分子為另一支路電阻。
圖1-7
可能有的讀者就有疑問(wèn)了,明明是我的支路電流公式,為什么分子卻是另一個(gè)電阻的阻值呢?這其實(shí)就是一個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算的過(guò)程,如圖1-8所示。
圖1-8給出的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程,其實(shí)就是簡(jiǎn)單的分?jǐn)?shù)計(jì)算。不過(guò)這個(gè)僅適用于兩個(gè)電阻的并聯(lián),如果的三個(gè)或三個(gè)以上電阻并聯(lián),圖1-7的公式就不能用了,不過(guò)大家可以按照?qǐng)D1-8的計(jì)算過(guò)程自行推理。
以上,就是電阻串并聯(lián)的相關(guān)內(nèi)容,此外,電阻的連接方式還有由串并聯(lián)組成的混聯(lián)以及星形連接和三角形連接,特別是星形連接和三角形連接,其內(nèi)容比較復(fù)雜,在此就不再展開(kāi)講解,大家感興趣的可以去我們技成官網(wǎng)觀看相關(guān)課程喲!