13-4 Sériové zapojenie

13-4 Sériové zapojenie

Na obrázku 13.3 vidíme trošku zložitejší elektrický obvod, zložitejšie zapojenie. Namiesto jediného galvanického článku je teraz zdrojom päť batérií zapojených do série. Sériové zapojenie batérií, odporov (rezistorov⁸), alebo iných komponentov elektrického obvodu znamená, že ich zapojíme za sebou a preto nimi musí pretiecť vždy celý prúd – teda rovnaký prúd. Na obrázku vidíme sériovo zapojené nie len galvanické články ale tiež odpory. Ak každý z galvanických článkov má elektromotorickú silu 2 volty, potom to znamená, že každý náboj veľkosti 1›coulombu získa prechodom cez baterku potenciálnu energiu 2 joule. To znamená, ak náboj veľkosti 1 coulomb musí prejsť cez päť sériovo zapojených rovnakých článkov, získa od každého článku 2 jouly, teda celkom 10 joulov energie. Preto elektromotorická sila celej batérie je 10 joule/coulomb = 10 volt.

Prúd musí prejsť odpormi 2 ohm, 10 ohm, 8 ohm, zapojenými do série, teda celkom odporom 20 ohm. Jednotka ohm sa značí veľkým gréckym omega: Ω. O odpore sériovo zapojených rezistorov môžeme povedať to isté, ako o článkoch zapojených do série, tj.

Na obrázku sú póly, svorky batérie označené ako a a b. Odpor medzi svorkami je označený ako R3, a jedná sa o tzv. vnútorný odpor batérie (alebo článku). Tento odpor 2 ohm je výslednicou celkového odporu elektrolytu všetkých článkov batérie, ale je účelnejšie uvádzať len súhrnný odpor, akoby na jednom mieste. V celom elektrickom obvode je celková elektromotorická sila 10 volt, kým celkový, alebo výsledný odpor je zase 20 ohm. Výsledný prúd je potom 10 volt∕20 ohm = 0,5 ampér.

Na obrázku označuje A ampérmeter a V označuje voltmeter. O tom, že ako pracujú, budeme môcť hovoriť až neskôr, ale spôsob ich používania môžeme spomenúť aj bez týchto znalostí. Voltmeter pripájame k tej dvojici bodov (c a d), medzi ktorými chceme merať rozdiel potenciálu. Tu nás nezaujíma, že aký veľký prúd tečie v obvode. Odpor voltmetra je veľmi veľký. Tak veľký, že cez prístroj pripojený k bodom c a d tečie len nepatrný prúd, ktorý pôvodný, alebo iným menom hlavný prúd nezmení. Na chvíľu neberme do úvahy ostatnú časť elektrického obvodu. Voltmeter meria rozdiel potenciálu medzi dvomi koncami odporu, cez ktorý tečie prúd veľkosti 0,5 ampér. Podľa Ohmovho zákona je rozdiel potenciálu

Podľa toho, ako sme to vypočítali, mohli by sme povedať aj to, že na odpore R – medzi koncami ktorého sme merali rozdiel potenciálu, a cez ktorý tečie prúd I – je „spád napätia IR“.

Podobne, spád napätia IR na odpore R1 je (0,5 A)(10 Ω) = 5,0 V, a na odpore R3 je (0,5 A)(2 Ω) = 1,0 V. Súčet troch spádov napätia je 4,0 + 5,0 + 1,0 = 10,0 V, čo tak nutne musí byť, lebo to je presne elektromotorická sila batérie. Energia prúdiacich nábojov sa rovná presne tej energii, ktorá sa objaví pri zohrievaní odporov, cez ktoré tečie prúd.

Keby sme voltmeter pripojili k bodom a a b, teda ku svorkám batérie, prístroj by neukazoval elektromotorickú silu batérie, ale hodnotu o niečo menšiu. Časť energie nábojov spotrebuje sama batéria: náboje sa dajú cez vnútorný odpor batérie preniesť tiež len za cenu určitej práce. Táto práca, ako každá práca potrebná na prekonanie odporu, sa premení na teplo a stratí sa. Ako sme videli, spád napätia na vnútornom odpore batérie je (0,5 A)(2 Ω) = 1,0 V, preto na svorkách batérie nameriame svorkové napätie 10,0 − 1,0 = 9,0 V.

Ampérmeter do elektrického obvodu môžeme sériovo zapojiť kdekoľvek, lebo prúd v tomto elektrickom obvode je všade rovnaký. Rôzne hodnoty pri zapojení na rôzne miesta ukazuje len voltmeter. Spôsob zapojenia ampérmetra je úplne iný, ako voltmetra: musíme ho zapojiť do hlavného obvodu, sériovo, aby cez neho tiekol celý prúd. Práve z týchto dôvodov musí byť vnútorný odpor ampérmetra veľmi malý, aby elektrický obvod ovplyvnil len v nepatrnej miere.