Два резистора с сопротивлением R1=20 Ом и R2=30 Ом соединены в электрическую цепь: а) последовательно, б) параллельно. В каком из этих случаев и во сколько раз будет выделяться больше тепла в резисторах за одинаковый промежуток времени?
Физика10 классЭлектрические цепирезисторысопротивлениеэлектрическая цепьтеплопоследовательнопараллельновыделение теплафизиказаконы Омарасчет сопротивления
Чтобы ответить на ваш вопрос, давайте сначала вспомним, как рассчитывается выделение тепла в резисторах. Выделение тепла в резисторе можно описать формулой:
Q = I^2 * R * t
где:
Теперь рассмотрим оба случая: последовательное и параллельное соединение резисторов.
При последовательном соединении резисторов общий ток в цепи одинаков и равен:
I = U / R_total
Где R_total - общее сопротивление цепи, которое для последовательного соединения рассчитывается как:
R_total = R1 + R2 = 20 Ом + 30 Ом = 50 Ом
Таким образом, ток в цепи будет:
I = U / 50
Теперь можем найти выделение тепла в каждом резисторе:
Q1 = I^2 * R1 * t = (U / 50)^2 * 20 * t
Q2 = I^2 * R2 * t = (U / 50)^2 * 30 * t
Теперь подставим значения:
При параллельном соединении общее сопротивление рассчитывается по формуле:
1/R_total = 1/R1 + 1/R2
1/R_total = 1/20 + 1/30
1/R_total = 3/60 + 2/60 = 5/60
R_total = 60/5 = 12 Ом
Теперь находим общий ток:
I_total = U / R_total = U / 12
Ток через каждый резистор будет разным:
Теперь можем найти выделение тепла в каждом резисторе:
Q1 = I1^2 * R1 * t = (U / 20)^2 * 20 * t = (U^2 * t) / 20
Q2 = I2^2 * R2 * t = (U / 30)^2 * 30 * t = (U^2 * t) / 30
Теперь сравним, где выделяется больше тепла:
В последовательном соединении:
В параллельном соединении:
Теперь можно заметить, что в параллельном соединении резисторы выделяют больше тепла, так как токи через них больше, чем в последовательном соединении. Чтобы понять, во сколько раз больше, нужно сравнить:
Для резистора R1:
Q1 (параллельно) / Q1 (последовательно) = (U^2 * t / 20) / ((U^2 * 20 * t) / 2500) = 2500 / 20 = 125
Для резистора R2:
Q2 (параллельно) / Q2 (последовательно) = (U^2 * t / 30) / ((U^2 * 30 * t) / 2500) = 2500 / 30 = 83.33
Таким образом, в параллельном соединении резисторы выделяют больше тепла, причем в 125 раз для R1 и в 83.33 раза для R2 по сравнению с последовательным соединением.
Вывод: В параллельном соединении резисторы выделяют больше тепла, чем в последовательном.