Serijska i paralelna mreža

Serijski spoj sa izvorom napona i tri jedinice otpora

Električne mreže mogu biti povezane serijski ili paralelno. Rezultirajuća električna mreža će imati dva terminala (tačke spoja), a sama može sudjelovati u serijskoj ili paralelnoj topologiji. Da li je "objekat" sa dva terminala električna elementa (npr. otpornik) ili električna mreža (npr. otpornici u seriji) stvar je perspektive. Ovaj članak će koristiti "element" za upućivanje na "objekat" sa dva terminala koji učestvuje u serijskim/paralelnim mrežama.

Elemente povezane u seriju povezane su duž jedne "električne putanje", a svaki elemnt ima istu električnu struju kroz sebe, jednaku struji kroz mrežu. Napon u mreži jednak je zbiru napona na svakom elementu.

Elementi povezani paralelno su povezane duž više putanja, a svaki element ima isti napon na sebi, jednak naponu u mreži. Struja kroz mrežu jednaka je zbiru struja kroz svaki element.

Kolo koje se sastoji isključivo od elemenata povezanih u seriju poznato je kao serijsko kolo; isto tako, jedno potpuno paralelno spojeno kolo poznato je kao paralelno kolo. Mnoga kola mogu se analizirati kao kombinacija serijskih i paralelnih kola, zajedno sa drugim konfiguracijama.

U serijskom spoju, struja koja teče kroz svaki element je ista, a napon u krugu je zbir pojedinačnih padova napona na svakom elementu. U paralelnom kolu, napon na svakom elementu je isti, a ukupna struja je zbir struja koje teku kroz svaki element.

Zamislite vrlo jednostavan strujni krug koji se sastoji od četiri sijalice i 12-voltne automobilske baterije. Ako žica spoji bateriju na jednu sijalicu, na sljedeću sijalicu, na sljedeću sijalicu, na sljedeću sijalicu, a zatim nazad na bateriju u jednoj kontinuiranoj petlji, kaže se da su sijalice u seriji. Ako je svaka sijalica spojena na bateriju u zasebnoj petlji, kaže se da su sijalice paralelne. Ako su četiri sijalice spojene u seriju, kroz sve teče ista struja i pad napona je 3 volta na svakoj sijalici, što možda neće biti dovoljno da svijetle. Ako su sijalice spojene paralelno, struje kroz sijalice se kombinuju i formiraju struju u bateriji, dok je pad napona 12 volti na svakoj sijalici i sve svetle.

U serijskom kolu, svaki uređaj mora funkcionirati da bi krug bio kompletan. Ako jedna sijalica pregori u serijskom krugu, cijeli krug je prekinut. U paralelnim strujnim krugovima, svaka sijalica ima svoje kolo, tako da sve osim jednog svjetla mogu pregorjeti, a posljednje će i dalje raditi.

Serijska kola

Struja

Serijska kola se ponekad nazivaju strujno-spregnuta ili spojena u nizu. Struja u serijskom kolu prolazi kroz svaki element u kolu. Dakle, svi elementi u serijskoj vezi nose istu struju. $I=I_{1}=I_{2}=\cdots =I_{n}$ U serijskom kolu, struja je ista za sve elemente.

Napon

U serijskom kolu, napon je zbir padova napona pojedinih elemenata (otpornih jedinica).

$V=V_{1}+V_{2}+\dots +V_{n}=I\left(R_{1}+R_{2}+\dots +R_{n}\right)$

Jedinice otpora

Ukupni otpor dva ili više serijski spojenih otpornika jednak je zbroju njihovih pojedinačnih vrijednosti:

$R_{\text{ukupno}}=R_{\text{s}}=R_{1}+R_{2}+\cdots +R_{n}.$ Ovdje indeks s u $R s$ označava "seriju", a $R s$ označava otpor u seriji.

Konduktivnost

Električna provodljivost predstavlja recipročnu veličinu otpora. Ukupna provodljivost serijskih kola čistih otpora, dakle, može se izračunati iz sljedećeg izraza:

${\frac {1}{G_{\text{ukupnо}}}}={\frac {1}{G_{1}}}+{\frac {1}{G_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{G_{n}}}.$

Za poseban slučaj dvije provodljivosti u nizu, ukupna provodljivost je jednaka:

$G_{\text{ukupno}}={\frac {G_{1}G_{2}}{G_{1}+G_{2}}}.$

Induktori

Induktori slijede isti zakon, tako da je ukupna induktivnost nespregnutih induktora u seriji jednaka zbroju njihovih pojedinačnih induktiviteta (vrijednosti):

$L_{\mathrm {ukupno} }=L_{1}+L_{2}+\cdots +L_{n}$ Međutim, u nekim je situacijama teško spriječiti da susjedni induktori utječu jedni na druge jer se magnetsko polje jednog uređaja spaja s namotajima njegovih susjednih. Ovaj utjecaj je definiran međusobnom induktivnošću M. Na primjer, ako su dvije induktivnosti u seriji, postoje dvije moguće ekvivalentne induktivnosti ovisno o tome kako magnetska polja oba induktora utječu jedno na drugo.

Kada postoji više od dva induktora, međusobna induktivnost između svakog od njih i način na koji zavojnice utiču jedni na druge otežavaju proračun. Za veći broj zavojnica ukupna kombinovana induktivnost je data sumom svih međusobnih induktivnosti između različitih zavojnica uključujući međusobnu induktivnost svakog datog zavojnice sa sobom, što se naziva samoinduktivnost ili jednostavno induktivnost. Za tri zavojnice postoji šest međusobne induktivnosti $M_{12}$ , $M_{13}$ , $M_{23}$ i $M_{21}$ , $M_{31}$ i $M_{32}$ . Postoje i tri samoinduktivnosti tri zavojnice: $M_{11}$ , $M_{22}$ i $M_{33}$ .

Stoga:

$L_{\text{ukupno}}=\left(M_{11}+M_{22}+M_{33}\right)+\left(M_{12}+M_{13}+M_{23}\right)+\left(M_{21}+M_{31}+M_{32}\right)$

Reciprocitetom, $M_{ij}$ = $M_{ji}$ tako da se posljednje dvije grupe mogu kombinovati. Prva tri člana predstavljaju zbir samoinduktivnosti različitih zavojnica. Formula se lako proširuje na bilo koji broj serijskih zavojnica. Metoda se može koristiti za pronalaženje samoinduktivnosti velikih zavojnica žice bilo kojeg oblika poprečnog presjeka izračunavanjem sume međusobne induktivnosti svakog zavoja žice u zavojnici sa svakim drugim zavojem.

Kondenzatori

Kondenzatori slijede isti zakon koristeći recipročne vrijednosti. Ukupni kapacitet kondenzatora u seriji jednak je recipročnom zbiru recipročnih vrijednosti njihovih pojedinačnih kapacitivnosti:

${\frac {1}{C_{\text{ukupnо}}}}={\frac {1}{C_{1}}}+{\frac {1}{C_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{C_{n}}}.$ Ekvivalentno koristeći recipročnu vrijednost kapacitivnosti, ukupna serijska vrijednost jednaka je zbroju svake recipročne vrijednosti.

Paralelna kola

Ako su dva ili više elemnta spojeni paralelno, oni imaju istu razliku potencijala (napona) na svojim krajevima. Razlike potencijala između elemenata su isti po veličini, a imaju i identične polaritete. Isti napon se primjenjuje na sve elemente kola spojene paralelno. Ukupna struja je zbir struja kroz pojedinačne elemente, u skladu sa Kirchhoffovim trenutnim zakonom.