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11.4串联电路和并联电路

如果把两个电阻 R1、R2 串联或并联后看成一个电阻,你认为这个电阻跟 R1、R2应该是怎样的关系?
在初中,我们曾研究过串、并联电路中电流的规律和电压的规律,现在用高中物理知识作进一步分析。在此基础上,讨论串、并联电路中各部分电阻的关系。
串、并联电路中的电流
我们知道,恒定电流电路中各处电荷的分布是稳定的,任何位置的电荷都不可能越来越多或越来越少。
 11.4-1 串联电路
在图11.4-1 的串联电路中,既然电路中各处的电荷分布保持不变,相同时间内通过 0、1、2、3 各点的电荷量必然相等。因此,串联电路中的电流处处相等
图 11.4-2 并联电路
在图 11.4-2 的并联电路中,只有在相同时间内流过干路 0 点的电荷量等于进入各支路 1、2、3 各点的电荷量之和,才能保证电路各处的电荷量的分布保持不变。因此,并联电路的总电流等于各支路电流之和
串、并联电路中的电压
 11.4-1 串联电路
在 图 11.4-1 的串联电路中,如果以 φ0、φ1、φ2、φ3分别表示电路中 0、1、2、3 各点的电势,以 U01、U12、U23、U03 分别表示 0 与 1、1 与 2、2 与 3、0 与 3 之间的电势差(电压),那么,由电势差跟电势的关系可知
 U01= φ0 - φ1,U12= φ1- φ2,U23 = φ2- φ3
因此
 U01+ U12+U23= φ0 - φ3 = U03
即,串联电路两端的总电压等于各部分电路两端电压之和
图 11.4-2 并联电路
 
在图 11.4-2 的并联电路中,不考虑导线的电阻,0、1、2、3 各点之间没有电势差,它们具有相同的电势。同样,几个电阻右边的电势也相同。因此,并联电路的总电压与各支路电压相等
串、并联电路中的电阻
两个电阻 R1、R2 串联起来接到电路里,作为一个整体,它相当于一个电阻 R(图 11.4-3)。
 11.4-3 电阻的串联
这个电阻的大小与原来两个电阻的大小有什么关系?
由于 R1 与 R2 是串联的,它们两端的总电压 U 等于两个电阻两端电压 U1、U2 之和,即
U = U1 + U2
,通过这两个电阻的电流 I 是一样的,上式两边都除以电流 I,即
可得(1)

不难证明,如果 n 个电阻串联,那么
R = R1 + R2 +…+ Rn
即,串联电路的总电阻等于各部分电路电阻之和
如图 11.4-4,两个电阻 R1 、R2 并联接到电路里,作为一个整体,它相当于一个电阻 R,通过它们的总电流 I 等于通过两个电阻的电流 I1、I2 之和,即
I = I1 + I2
,两个电阻上的电压U 是相同的,把上式两边都除以U,得
 
可得(2)

不难证明,如果 n 个电阻并联,那么
电压表和电流表的电路结构 
常用的电压表和电流表都是由小量程的电流表(表头)改装而成的。表头的工作原理涉及磁场对通电导线的作用。从电路的角度看,表头就是一个电阻,同样遵从欧姆定律。表头与其他电阻的不同在于,通过表头的电流是可以从刻度盘上读出来的。
表头的电阻 Rg 叫作电流表的内阻。指针偏转到最大刻度时的电流 Ig 叫作满偏电流。表头通过满偏电流时,加在它两端的电压 Ug 叫作满偏电压。由欧姆定律可知
Ug = IgRg
表头的满偏电压 Ug 和满偏电流 Ig 一般都比较小。
测量较大的电压时,要串联一个电阻 R,把表头改装成电压表(图 11.4-5)。
 11.4-5 把表头改装成电 压表
换句话说,电压表可以看作一个电压可读的“大电阻”。串联电阻 R 的作用是分担一部分电压,起这种作用的电阻常常被叫作分压电阻。
测量较大的电流时,则要并联一个电阻 R,把小量程的表头改装成大量程的电流表(图 11.4-6)。
 11.4-6 把表头改装成大量 程电流表
电流表可以看作一个电流可读的“小电阻”。并联电阻 R 的作用是分去一部分电流,起这种作用的电阻常常被叫作分流电阻。
例题

一个表头的内阻 Rg为 30 Ω,满偏电流 Ig 为 1 mA。要把它改装为量程 0 〜 0.6 A的电流表,需要并联多大的电阻?改装后电流表的内阻是多少?
分析  电流表由表头和电阻 R 并联组成,如图 11.4-6 的虚线框所示。电流表量程为 0 〜 0.6 A,是指通过电流表的电流为 0.6 A 时,表头的指针指在最大刻度,即通过表头的电流等于 Ig。
  通过电阻 R 的电流
IR = I - Ig =(0.6 - 0.001)A = 0.599 A
由欧姆定律可以求出分流电阻
电流表内阻 RA 等于 Rg 与 R 的并联值,有
练习与应用
1. 在图 11.4-7 的电路中,A、B 之间的电压为 U,定值电阻的阻值为 R,滑动变阻器的最大阻值为 R1。在滑动变阻器的滑动端移动过程中,R 两端电压 UR的变化范围是多少?
 
2.(1)如图 11.4-8,电压之比与电阻R1、R2 的值有什么关系?请推导出这个关系式。
(2)图 11.4-9 的电路常被叫作分压电路,当 A、B 之间的电压为 U 时,利用它可以在 C、D 端获得 0 和 U 之间的任意电压。试说明其中的道理。
3. 图 11.4-10 画出了用电压表、电流表测量导体电阻的两种电路图。图中电压表的内阻为 1 kΩ,电流表的内阻为 0.1 Ω,被测导体 R的真实电阻为 87.4 Ω。测量时,把电压表示数和电流表示数之比作为电阻的测量值。
如果不考虑实验操作中的偶然误差,按甲、乙两种电路进行实验,得到的电阻测量值各是多少?你能从中得出什么结论?
4. 图 11.4-11 是有两个量程的电压表,当使用 A、B 两个端点时,量程为 0 〜 10 V ;当使用 A、C 两个端点时,量程为 0 〜 100 V。
已知表头的内阻 Rg为 500 Ω,满偏电流 Ig 为1 mA,求电阻 R1、R2 的值。
5. 图 11.4-12 是有两个量程的电流表,当使用 A、B 两个端点时,量程为 0 〜 1 A,当使 用 A、C 两 个 端 点 时, 量 程 为 0 〜 0.1 A。已知表头的内阻 Rg 为 200 Ω,满偏电流 Ig 为2 mA,求电阻 R1、R2 的值。

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