Mạch kết hợp là gì
Người ta đã đề cập rằng có hai cách khác nhau để kết nối hai hoặc nhiều thiết bị điện với nhau trong một mạch. Chúng có thể được kết nối bằng các kết nối nối tiếp hoặc bằng các kết nối song song. Khi tất cả các thiết bị trong một mạch được kết nối bằng các kết nối nối tiếp, thì mạch được gọi là mạch nối tiếp. Khi tất cả các thiết bị trong mạch được kết nối bằng các kết nối song song, thì mạch được gọi là mạch song song. Một loại mạch thứ ba liên quan đến việc sử dụng kép các kết nối nối tiếp và song song trong một mạch; các mạch như vậy được gọi là mạch hỗn hợp hoặc mạch kết hợp. Mạch được mô tả ở bên phải là một ví dụ về việc sử dụng cả kết nối nối tiếp và song song trong cùng một mạch. Trong trường hợp này, bóng đèn A và B được kết nối bằng các kết nối song song và bóng đèn C và D được kết nối bằng các kết nối nối tiếp. Đây là một ví dụ về mạch kết hợp .
Khi phân tích các mạch kết hợp, điều cực kỳ quan trọng là phải có sự hiểu biết vững chắc về các khái niệm liên quan đến cả mạch nối tiếp và mạch song song . Vì cả hai loại kết nối được sử dụng trong các mạch kết hợp, các khái niệm liên quan đến cả hai loại mạch áp dụng cho các phần tương ứng của mạch. Các khái niệm chính liên quan đến mạch nối tiếp và mạch song song được tổ chức trong bảng dưới đây.
|
|
Mỗi khái niệm trên có một biểu thức toán học. Kết hợp các biểu thức toán học của các khái niệm trên với phương trình định luật Ohm (ΔV = I • R) cho phép người ta tiến hành phân tích hoàn chỉnh một mạch kết hợp.
Phân tích mạch kết hợp
Chiến lược cơ bản để phân tích các mạch kết hợp liên quan đến việc sử dụng ý nghĩa của điện trở tương đương cho các nhánh song song để biến mạch kết hợp thành mạch nối tiếp. Sau khi chuyển thành mạch nối tiếp, việc phân tích có thể được tiến hành theo cách thông thường. Trước đây trong Bài 4 , phương pháp xác định điện trở tương đương song song là bằng nhau, khi đó tổng trở hoặc tương đương của các nhánh đó bằng với điện trở của một nhánh chia cho số nhánh.
Phương pháp này phù hợp với công thức
Bằng cách áp dụng sự hiểu biết của một người về điện trở tương đương của các nhánh song song vào mạch kết hợp, mạch kết hợp có thể được chuyển thành mạch nối tiếp. Sau đó, một sự hiểu biết về điện trở tương đương của một mạch nối tiếp có thể được sử dụng để xác định tổng trở của mạch.
Hãy xem xét các sơ đồ dưới đây. Sơ đồ A biểu diễn mạch kết hợp với điện trở R 2 và R 3đặt trong các nhánh song song. Hai điện trở 4 song song tương đương với điện trở 2. Do đó, hai nhánh có thể được thay thế bằng một điện trở duy nhất có điện trở 2. Điều này được thể hiện trong Sơ đồ B. Bây giờ tất cả các điện trở mắc nối tiếp, công thức tính tổng điện trở của loạt điện trở có thể được sử dụng để xác định tổng điện trở của mạch này: Công thức cho điện trở nối tiếp là
Ví dụ 1:
Ví dụ đầu tiên là trường hợp dễ nhất – các điện trở được đặt song song có cùng điện trở. Mục tiêu của phân tích là xác định dòng điện trong và điện áp rơi trên mỗi điện trở.
VV 1 = I 1 • R 1 = (4 Ampe) • (5)
VV 1 = 20 V
VV 2 = I 2 • R 2 = (2 Ampe) • (8)
VV 2 = 16 V
VV 3 = I 3 • R 3 = (2 Ampe) • (8)
ΔV 3 = 16 V
VV 4 = I 4 • R 4 = (4 Ampe) • (6)
VV 4 = 24 V
Phân tích hiện đã hoàn tất và kết quả được tóm tắt trong sơ đồ bên dưới.
Ví dụ 2:
Ví dụ thứ hai là trường hợp khó khăn hơn – các điện trở được đặt song song có giá trị điện trở khác nhau. Mục tiêu của phân tích là như nhau – để xác định dòng điện trong và điện áp rơi trên mỗi điện trở.
R eq = 1 / (0,333 Ω -1 )
R eq = 3,00
Dựa trên tính toán này, có thể nói rằng hai điện trở nhánh (R 2 và R 3 ) có thể được thay thế bằng một điện trở duy nhất có điện trở 3. Điện trở 3 is này nối tiếp với R 1 và R 4 . Như vậy, tổng điện trở là
Trong ví dụ trước, hai điện trở song song có điện trở giống nhau; do đó, dòng điện đã được phân phối đều giữa hai chi nhánh.
Trong ví dụ này, dòng điện không đều trong hai điện trở làm phức tạp việc phân tích. Nhánh có điện trở nhỏ nhất sẽ có dòng điện lớn nhất.
Xác định lượng dòng điện sẽ yêu cầu chúng ta sử dụng phương trình định luật Ohm. Nhưng để sử dụng nó, trước tiên phải biết sự sụt giảm điện áp trên các nhánh.
Vì vậy, hướng mà giải pháp thực hiện trong ví dụ này sẽ hơi khác so với trường hợp đơn giản hơn được minh họa trong ví dụ trước.
Để xác định sự sụt giảm điện áp trên các nhánh song song, trước tiên phải xác định mức giảm điện áp trên hai điện trở được nối tiếp (R 1 và R 4 ).
Phương trình định luật Ohm (ΔV = I • R) có thể được sử dụng để xác định độ sụt điện áp trên mỗi điện trở. Những tính toán được hiển thị dưới đây.
VV 1 = I 1 • R 1 = (1,5 Ampe) • (5)
ΔV 1 = 7,5 V
VV 4 = I 4 • R 4 = (1,5 Ampe) • (8)
VV 4 = 12 V
Mạch này được cung cấp bởi một nguồn 24 volt. Do đó, điện áp tích lũy giảm của một điện tích truyền qua một vòng lặp về mạch là 24 volt. Sẽ có sự sụt giảm 19,5 V (7,5 V + 12 V) do truyền qua hai điện trở được nối tiếp (R 1 và R 4 ).
Độ giảm điện áp trên các nhánh phải là 4,5 volt để tạo ra sự khác biệt giữa tổng 24 volt và mức giảm 19,5 volt trên R 1 và R 4 . Do vậy,
I 2 = ΔV 2 / R 2 = (4,5 V) / (4)
Tôi 2 = 1,125 A
I 3 = VV 3 / R 3 = (4,5 V) / (12)
Tôi 3 = 0,375 A
Phân tích hiện đã hoàn tất và kết quả được tóm tắt trong sơ đồ bên dưới.
Xây dựng chiến lược
Hai ví dụ trên minh họa một chiến lược tập trung vào khái niệm hiệu quả để phân tích các mạch kết hợp. Cách tiếp cận đòi hỏi phải nắm vững các loạt và các khái niệm song song được thảo luận trước đó. Các phân tích như vậy thường được tiến hành để giải quyết vấn đề vật lý cho một ẩn số xác định.
Trong những tình huống như vậy, ẩn số thường thay đổi từ vấn đề này sang vấn đề khác. Trong một vấn đề, các giá trị điện trở có thể được cung cấp và dòng điện trong tất cả các nhánh là không xác định.
Trong một vấn đề khác, dòng điện trong pin và một vài giá trị điện trở có thể được nêu và đại lượng chưa biết trở thành điện trở của một trong các điện trở.
Các tình huống vấn đề khác nhau rõ ràng sẽ yêu cầu thay đổi nhỏ trong cách tiếp cận. Tuy nhiên, mọi phương pháp giải quyết vấn đề sẽ sử dụng các nguyên tắc giống nhau được sử dụng trong việc tiếp cận hai vấn đề mẫu ở trên.
Các đề xuất sau đây để tiếp cận các vấn đề mạch kết hợp được cung cấp cho học sinh đầu tiên:
- Nếu sơ đồ không được cung cấp, hãy dành thời gian để xây dựng một sơ đồ. Sử dụng các ký hiệu sơ đồ như những biểu tượng trong ví dụ trên.
- Khi tiếp cận một vấn đề liên quan đến mạch kết hợp, hãy dành thời gian để tự tổ chức, viết ra các giá trị đã biết và đánh đồng chúng với một ký hiệu như I tot , I 1 , R 3 , ΔV 2 , v.v. Sơ đồ tổ chức được sử dụng trong hai ví dụ ở trên là một điểm khởi đầu hiệu quả.
- Biết và sử dụng các công thức thích hợp cho điện trở tương đương của điện trở nối tiếp và song song. Sử dụng các công thức sai sẽ đảm bảo thất bại.
- Chuyển đổi một mạch kết hợp thành một chuỗi nghiêm ngặt bằng cách thay thế (trong tâm trí của bạn) phần song song bằng một điện trở duy nhất có giá trị điện trở bằng với điện trở tương đương của phần song song.
- Sử dụng phương trình định luật Ohm (ΔV = I • R) thường xuyên và phù hợp. Hầu hết các câu trả lời sẽ được xác định bằng phương trình này. Khi sử dụng nó, điều quan trọng là thay thế các giá trị thích hợp vào phương trình. Chẳng hạn, nếu tính I 2 , điều quan trọng là thay thế các giá trị ΔV 2 và R 2 vào phương trình.
Để thực hành thêm phân tích các mạch kết hợp, hãy xem xét phân tích các vấn đề trong phần Kiểm tra hiểu biết của bạn bên dưới.
Chúng tôi muốn đề xuất …
Tại sao chỉ cần đọc về nó và khi bạn có thể tương tác với nó? Tương tác – đó chính xác là những gì bạn làm khi bạn sử dụng một trong các Tương tác của Lớp học Vật lý. Chúng tôi muốn đề nghị bạn kết hợp việc đọc trang này với việc sử dụng DC Circuit Builder Interactive của chúng tôi.
Bạn có thể tìm thấy nó trong phần Tương tác Vật lý trên trang web của chúng tôi. Bộ tạo mạch DC cung cấp cho người học một bộ xây dựng mạch ảo.
Bạn có thể dễ dàng kéo các nguồn điện áp, điện trở và dây dẫn vào không gian làm việc và sắp xếp và kết nối chúng theo bất cứ cách nào bạn muốn. Vôn kế và ampe kế cho phép bạn đo dòng điện và điện áp rơi.
Khai thác một điện trở hoặc nguồn điện áp cho phép bạn thay đổi điện trở hoặc điện áp đầu vào. Dễ thôi. Nó vui. Và nó an toàn (trừ khi bạn đang sử dụng nó trong bồn tắm).
Kiểm tra việc hiểu của bạn
1. Một mạch kết hợp được hiển thị trong sơ đồ bên phải. Sử dụng sơ đồ để trả lời các câu hỏi sau đây.
a. Dòng điện tại vị trí A là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) dòng điện tại vị trí B.
b. Dòng điện tại vị trí B là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) dòng điện tại vị trí E.
c. Dòng điện tại vị trí G là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) dòng điện tại vị trí F.
Cười mở miệng. Dòng điện tại vị trí E là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) dòng điện tại vị trí G.
e. Dòng điện tại vị trí B là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) dòng điện tại vị trí F.
đụ. Dòng điện tại vị trí A là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) dòng điện tại vị trí L
g. Dòng điện tại vị trí H là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) dòng điện tại vị trí I.
2. Xét mạch kết hợp trong sơ đồ bên phải. Sử dụng sơ đồ để trả lời các câu hỏi sau đây. (Giả sử rằng điện áp rơi trong dây dẫn nhỏ đến mức không đáng kể.)
a. Chênh lệch điện thế (sụt điện áp) giữa các điểm B và C là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) chênh lệch điện thế (giảm điện áp) giữa các điểm J và K.
b. Chênh lệch điện thế (sụt điện áp) giữa các điểm B và K là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) chênh lệch điện thế (giảm điện áp) giữa các điểm D và I.
c. Chênh lệch điện thế (sụt điện áp) giữa các điểm E và F là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) chênh lệch điện thế (giảm điện áp) giữa các điểm G và H.
Cười mở miệng. Chênh lệch điện thế (sụt điện áp) giữa các điểm E và F là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) chênh lệch điện thế (giảm điện áp) giữa các điểm D và I.
e. Chênh lệch điện thế (sụt điện áp) giữa các điểm J và K là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) chênh lệch điện thế (giảm điện áp) giữa các điểm D và I.
đụ. Chênh lệch điện thế giữa các điểm L và A là _____ (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) chênh lệch điện thế (sụt điện áp) giữa các điểm B và K.
3. Sử dụng khái niệm điện trở tương đương để xác định điện trở chưa biết của điện trở đã xác định sẽ làm cho các mạch tương đương.
4. Phân tích mạch sau và xác định các giá trị của tổng trở, tổng dòng và dòng tại và điện áp giảm trên mỗi điện trở riêng lẻ.
a. … định mức công suất của điện trở 4.b. … tốc độ mà năng lượng được tiêu thụ bởi điện trở 3.