Circuiti in serie

Due lampadine da 12 Ω in serie su una batteria da 6 V ricevono ciascuna 3 V e 0.25 A e dissipano ciascuna un quarto della potenza che avrebbe una sola lampadina.

Un solo percorso per la corrente

In un circuito in serie i componenti sono collegati uno dopo l'altro: esiste un solo percorso chiuso. Ogni coulomb che lascia la batteria deve attraversare tutti i componenti in successione. Da qui la prima regola dei circuiti in serie: la corrente è uguale in ogni punto. Metti un amperometro prima della prima lampadina, tra le lampadine o dopo l'ultima: leggerà sempre lo stesso valore. La carica non può accumularsi in nessun punto, quindi tutta quella che entra in un componente deve anche uscirne.

Le resistenze si sommano

Su ogni componente cade una parte della tensione della batteria. Percorrendo il circuito, la somma delle cadute di tensione deve uguagliare la tensione della batteria, perché ogni coulomb cede tutta l'energia ricevuta. Poiché la corrente I è uguale in ogni componente, le cadute sono I R₁, I R₂ e così via, e la somma è I (R₁ + R₂ + ...). L'intera catena si comporta quindi come un solo resistore di resistenza R = R₁ + R₂ + R₃ + ... . Ecco perché aggiungere componenti in serie aumenta sempre la resistenza totale e riduce la corrente.

Facciamo i calcoli

Considera il circuito iniziale del laboratorio: una batteria da 6 V e due lampadine da 12 Ω in serie. La resistenza totale è 12 + 12 = 24 Ω, quindi la corrente è 6 ÷ 24 = 0.25 A. Ai capi di ogni lampadina ci sono V = 0.25 × 12 = 3 V: le due cadute sommate danno 6 V, come previsto. Una sola lampadina sulla stessa batteria sarebbe percorsa da 0.5 A e avrebbe tutti i 6 V ai capi. OpenStax presenta un esempio con resistenze diverse: 1.00 Ω, 6.00 Ω e 13.0 Ω in serie su 12.0 V. Il totale è 20.0 Ω e la corrente è 0.600 A; le cadute sono 0.600 V, 3.60 V e 7.80 V, la cui somma è 12.0 V. Nota che al resistore maggiore spetta la quota maggiore di tensione.

Vantaggi e limiti del collegamento in serie

Poiché il percorso è uno solo, un interruttore in qualunque punto controlla tutto il circuito. È proprio così che funziona l'interruttore della luce: è in serie con la lampada che controlla. Anche fusibili e interruttori automatici sono in serie, in modo che tutta la corrente li attraversi. Questa stessa proprietà è il punto debole del collegamento in serie. Se una lampadina si brucia, il filamento si spezza, il circuito si apre e anche tutte le altre lampadine della catena si spengono. Prova nel laboratorio rimuovendo una lampadina.

Aggiungere lampadine in serie le rende anche meno luminose. Con tre lampadine da 12 Ω su 6 V il totale è 36 Ω e la corrente è 6 ÷ 36 ≈ 0.167 A: ogni lampadina riceve appena 2 V. La tensione della batteria si divide tra sempre più componenti e a ciascuno ne spetta una parte minore. Anche le pile si possono collegare in serie per sommarne le tensioni: due pile da 1.5 V una dopo l'altra danno 3 V, quattro danno 6 V. Se ne inverti una, la sua tensione si sottrae anziché sommarsi.