Последовательное соединение

Две лампы по 12 Ω, соединённые последовательно с батареей 6 V, получают по 3 V при токе 0.25 A. Мощность каждой составляет четверть мощности одной лампы, подключённой отдельно.

Один путь для тока

При последовательном соединении элементы подключены друг за другом, поэтому у тока только один путь по цепи. Каждый кулон, вышедший из батареи, должен пройти через все элементы по очереди. Отсюда первое правило: сила тока одинакова на всех участках последовательной цепи. Подключи амперметр перед первой лампой, между лампами или после последней: показания совпадут. Заряд нигде не накапливается, поэтому сколько входит в элемент, столько и выходит.

Сопротивления складываются

На каждый элемент приходится часть напряжения батареи. Сумма падений напряжения при обходе цепи должна равняться напряжению батареи: каждый кулон отдаёт всю полученную энергию. При одинаковом токе I падения равны I R₁, I R₂ и так далее, а их сумма равна I (R₁ + R₂ + ...). Значит, вся цепочка действует как один резистор с сопротивлением R = R₁ + R₂ + R₃ + ... . Поэтому добавление элементов последовательно всегда увеличивает общее сопротивление и уменьшает ток.

Посчитаем на примерах

Возьмём начальную схему лаборатории: батарея 6 V и две лампы по 12 Ω последовательно. Общее сопротивление равно 12 + 12 = 24 Ω, значит, ток равен 6 ÷ 24 = 0.25 A. На каждой лампе напряжение V = 0.25 × 12 = 3 V, а сумма падений, как и должна, равна 6 V. Через одну лампу на той же батарее шёл бы ток 0.5 A при полном напряжении 6 V. В OpenStax разобран пример с разными сопротивлениями: 1.00 Ω, 6.00 Ω и 13.0 Ω последовательно при 12.0 V. Их сумма 20.0 Ω, ток 0.600 A, падения напряжения 0.600 V, 3.60 V и 7.80 V. В сумме получаем 12.0 V. Заметь: на наибольший резистор приходится наибольшая доля напряжения.

Плюсы и минусы последовательного соединения

Путь только один, поэтому один выключатель в любом месте управляет всей цепью. Именно так работает выключатель света: он соединён последовательно с лампой. Предохранители и автоматические выключатели тоже подключают последовательно, чтобы через них проходил весь ток. Но это же свойство становится недостатком. Если одна лампа перегорит, её нить оборвётся, цепь разомкнётся и остальные лампы тоже погаснут. Проверь в лаборатории, удалив одну лампу.

При добавлении ламп последовательно они светят тусклее. У трёх ламп по 12 Ω при 6 V общее сопротивление равно 36 Ω, ток 6 ÷ 36 ≈ 0.167 A, а на каждую приходится всего 2 V. Напряжение батареи делится между всё большим числом элементов, и каждому достаётся меньше. Источники тоже можно соединять последовательно, складывая их напряжения: два элемента по 1.5 V дают 3 V, четыре дают 6 V. Если один развернуть, его напряжение будет вычитаться.