串联电路中的电压 – 定义、公式、计算和应用

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在一个电路中，当两个或多个电路元件以只允许电流单向流动的方式连接在一起时，这种电路元件的连接方式被称为串联电路。因此，在串联电路中，流过所有电路元件的电流相同，但每个元件上的电压不同。在本文中，我们将讨论串联电路中的电压以及如何计算它。

什么是串联电路中的电压？

在串联电路中，每个元件上的电压不同，并且取决于元件的参数（例如，电阻器的电阻）。为了理解串联电压，请考虑图 1 所示的电阻串联电路。

在这个电路中，流过所有元件的电流相同，但每个元件上的电压不同。此处，电池为电荷提供能量，使其流过电路。电池上的电压称为电动势 (emf)。电阻器上的电压称为电压降。因此，当电荷通过电池时，它会获得能量，而当它通过电阻器时，它会损失能量。

因此，当一个电荷（考虑常规方向）从电池的正极开始它的旅程时，假设它具有 V 伏特的能量。当它通过电阻器 𝑅₁ 时，由于其电阻，部分电荷能量损失，假设为 𝑉₁ 伏特。类似地，当它通过电阻器 𝑅₂ 和 𝑅₃ 时，它分别损失 𝑉₂ 和 𝑉₃ 伏特。

根据能量守恒定律，已知对于电荷而言，其旅程中获得的能量和损失的能量必须相等。

$$\mathrm{\therefore V_{B}=V_{1}+V_{2}+V_{3}}$$

其中，𝑉₁、𝑉₂ 和 𝑉₃ 的值可由欧姆定律给出，如下所示：

$$\mathrm{V_{1}=IR_{1}}$$

$$\mathrm{V_{2}=IR_{2}}$$

$$\mathrm{V_{3}=IR_{3}}$$

从上述串联电路示例可以看出，串联电路中的电压只是电路中不同元件电压的代数和。

直流电压源的串联连接

我们可以将多个直流电压源串联起来以获得更高的直流电压。直流电压源的串联连接如图 2 所示。串联组合的总电压等于所有电压源电压之和。

在这种情况下，直流电压源串联组合的总电压由下式给出：

$$\mathrm{V = 12 + 5 + 9 = 26 V}$$

交流电压源的串联连接

我们还可以将交流电压源串联起来以获得更高的交流电压。在将交流电压源串联时，务必记住所有交流电压源的角频率 (ω) 必须相同。此外，我们可以将多个具有不同频率的交流电压源串联起来，但在这种情况下，流过所有电压源的电流必须相同。

在这种情况下，交流电压源串联组合的总电压由下式给出：

$$\mathrm{V= 22\: sin(24t)\: \cdot \cdot \cdot (a)}$$

$$\mathrm{V= 12 \: sin 24t + 10 \: sin 20t \: \cdot \cdot \cdot (b)}$$

直流和交流电压源的串联连接

我们还可以将直流电压源和交流电压源串联起来，前提是流过所有串联电源的电流必须保持不变。图 4 显示了直流电压源和交流电压源串联组合的一个示例。

直流电压源和交流电压源串联组合的总电压由下式给出：

$$\mathrm{V= 12 + 10\: sin 10t}$$

串联电压的应用

在实际应用中，串联电压用于许多电气和电子系统和设备中。其中一些列在下面：

• 电池在遥控器、玩具等中串联连接。

• 电池由串联连接的电池组成。

• 分压电路是串联电路电压的一个例子。

• 电池供电的手电筒电路也是串联电路电压的一个例子，其中灯泡通过电阻器连接到电池。

结论

从以上讨论可以看出，电源提供的总电压在所有串联连接的电路元件之间共享。所有串联电压之和等于总电源电压之和。当我们需要高电压时，只需将不同的电压源串联起来即可获得所需的电压。