Series- en parallelle weerstanden
Bron: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics & Astronomy, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Dit experiment demonstreert hoe…
1. Oefenen met genereren en meten van stroom, spanning en weerstand
- Verkrijg een stroombron, een spanningsbron en twee multimeters die spanning, stroom en weerstand kunnen meten.
- Verkrijg twee 100-Ω weerstanden en twee 10-Ω weerstanden.
- Verkrijg een breadboard, een handige platform om verschillende circuitonderdelen te verbinden en te organiseren. Het breadboard heeft veel groepen pinnen. De pinnen van elke groep zijn verbonden aan de achterkant van het bord, en draden die in dezelfde groep worden gestoken, worden kortgesloten. Een draad die in dezelfde groep pinnen wordt gestoken als een aansluiting van een circuitonderdeel, is verbonden met die aansluiting. Verschillende aansluitingen van een circuitonderdeel die niet kortgesloten mogen worden, moeten in verschillende pinnengroepen worden gestoken. In het volgende betekent het verbinden van twee aansluitingen ze in dezelfde pinnengroep steken (in de figuren vertegenwoordigen onderscheiden knooppunten met de labels "a", "b" en "c" onderscheiden pinnengroepen op het breadboard). Dit wordt gedaan, voor zover deze aansluitingen gemaakt zijn van draden die gemakkelijk in een pinnengat kunnen worden gestoken. Anders is het mogelijk om kabels, banaanstekkers en klemmen te gebruiken om elektrische verbindingen te maken (bijvoorbeeld van een aansluiting op het instrument naar een blootliggende penpoot op het breadboard).
- Verbind de uitgangsterminal van de stroombron met een terminal van de 100-Ω weerstand en verbind vervolgens de andere terminal van de weerstand terug met de andere terminal van de stroombron.
- Genereer 1 mA stroom door de weerstand.
- Selecteer de spanningsmeting of voltmetermodus van de multimeter en verbind de twee terminals van de multimeter met de twee terminals van de weerstand. Meet de spanningsval over de weerstand.
- Een positieve lezing betekent dat het potentiaal op de positieve terminal van de multimeter hoger is dan dat op de negatieve terminal. Gebruik de spanningswaarde om de relatie van Ohm's wet te verifiëren (Figuur 3).
- Verbind vervolgens een terminal van een spanningsbron met een terminal van de weerstand en verbind de andere terminal van de weerstand terug met de andere terminal van de spanningsbron. Produceer een 10 V spanning over de 100-Ω weerstand.
- Gebruik de multimeter in de stroommeting of ampèremetermodus en verbind de sondes in serie met de weerstand. Meet de stroom door de weerstand.
- Een positieve lezing betekent dat de elektrische stroom stroomt van de positieve terminal van de multimeter naar de negatieve terminal. Bevestig vervolgens Ohm's wet (Figuur 4).
- Merk op dat de multimeter in serie met een weerstand moet worden geplaatst om de stroom ervan te meten (ampèremeter), maar in parallel met een weerstand om de spanningsval ervan te meten (voltmeter). Neem bij deze metingen aan dat de "interne" weerstand van de ampèremeter erg klein is, maar die van de voltmeter erg groot is. Als dit niet strikt waar is, zou de door de meter gemeten stroom of spanning anders zijn dan de waarde vóór de aansluiting van de meter.
- Ten slotte meet u de weerstand direct met behulp van de multimeter (Figuur 5) door de weerstandsmeetmodus te selecteren. Verbind de twee terminals van de meter met de twee terminals van de weerstand en lees de weerstand af. Bevestig dat de weerstand logisch is op basis van de vorige stroom- en spanningsmetingen.
Figuur 3: Circuit diagram van het genereren van een stroom door weerstand R en het meten van de spanning.
Figuur 4: Circuit diagram van het genereren van een spanning over weerstand R en het meten van stroom.
Figuur 5: Verbinding van een multimeter om de weerstand van een weerstand te meten.
2. Weerstanden in serie
- Verbind twee 100-Ω weerstanden in serie (zie Figuur 1). Op het breadboard betekent dit dat de twee uiteinden van de eerste weerstand in twee verschillende pinnengroepen worden gestoken (niet kortgesloten), zeg groep a en b, en dat de twee uiteinden van de tweede weerstand in pinnengroepen b en c worden gestoken (c is nog een pinnengroep die niet kortgesloten is met a en b).
- Verbind een gemeenschappelijke stroom van 10 mA door beide weerstanden met behulp van een stroombron zoals beschreven in stap 1.4.
- Meet met een multimeter in voltmetermodus de spanningsval over elke weerstand. Bevestig vervolgens de weerstandswaarden van R1 en R2 met behulp van Ohm's wet.
- Gebruik nu de voltmeter om de spanning V over de hele seriecombinatie te meten (tussen punten a en c in Figuur 1) en verkrijg de totale serieweerstand.
- Voer de gemeten weerstandswaarden in, zoals getoond in Tabel 1.
- Schakeel de stroombronnen en meters uit en gebruik vervolgens een spanningsbron om een totaal van 10 V over beide weerstanden te leveren (tussen punten a en c).
- Gebruik een multimeter in ampèremetermodus om de stroom (I
Eenvoudige schakelingen zoals weerstandselementen die in serie of parallel zijn aangesloten, zijn belangrijke componenten van complexe elektrische schakelingen.
Het aansluiten van weerstanden in serie resulteert in een verdeling van de spanning, terwijl dezelfde stroom erdoorheen stroomt.
Omgekeerd, wanneer weerstanden parallel zijn aangesloten, resulteert dit in een verdeling van de stroom en is de spanning over de weerstanden hetzelfde. Om de werking van elke elektrische schakeling, eenvoudig of complex, te begrijpen, wordt de wet van Ohm gebruikt.
Deze video behandelt de basisprincipes van het aansluiten van elektrische weerstandscomponenten in serie en parallel, en legt de principes uit voor het berekenen van spanning en stroom voor deze schakelingen op basis van de wet van Ohm.
Volgens de wet van Ohm is de stroom 'I' door een weerstand van weerstand 'R', direct evenredig met de spanningsval 'V' over de weerstand of de spanningsval is het product van de weerstand 'R' en de stroom 'I'.
Als twee weerstanden, R1 en R2, in serie zijn aangesloten, dat wil zeggen de een na de ander, dan stroomt dezelfde stroom door beide weerstanden.
In dit geval is de totale spanningsval 'V' gelijk aan de som van de spanningsval over elke weerstand. Bij het toepassen van de wet van Ohm voor spanningen V1 en V2, en aangezien de stromen gelijk zijn, bereiken we de totale spanningsval als gelijk aan de som van de weerstanden R1 en R2 keer de stroom 'I'.
Door I naar de andere kant van de vergelijking te verplaatsen, krijgen we V/I, wat volgens de wet van Ohm de totale effectieve weerstand van het circuit 'R' is. Dus 'R' is gewoon de som van de individuele weerstanden.
Deze regel is van toepassing op elk aantal weerstanden die in serie zijn aangesloten.
Omgekeerd, als de twee weerstanden parallel zijn aangesloten, wat betekent dat ze beide tussen twee gedeelde aansluitingen zijn geplaatst, dan delen beide weerstanden dezelfde spanningsval.
Echter, de totale stroom 'I', wordt verdeeld tussen de weerstanden en is dus gelijk aan de som van de individuele stromen van de schakeling. Als we nu deze stroomvergelijking nemen, de wet van Ohm toepassen, de spanningen aan beide kanten wegnemen omdat ze gelijk zijn voor parallelle weerstanden, en de vergelijking voor effectieve weerstand 'R' herschikken, zien we dat R gelijk is aan het 'product-over-som' van de twee individuele weerstanden
Laten we teruggaan naar de vergelijking voor de herschikking. De inverse van weerstand is geleiding, 'G'. Daarom is voor twee parallelle weerstanden de effectieve geleiding gelijk aan de som van de twee geleidingswaarden.
Deze regel kan ook worden uitgebreid naar meerdere weerstanden die parallel zijn aangesloten.
Het volgende experiment demonstreert de stapsgewijze methode om weerstanden in beide configuraties aan te sluiten en de schakelingen te analyseren met behulp van de wet van Ohm.
Om te beginnen, verzamel de benodigde materialen en instrumenten, namelijk een stroombron, een spanningsbron, twee multimeters, twee 100-ohm weerstanden, twee 10-ohm weerstanden en een breadboard.
Gebruik het breadboard om een uiteinde van een 100-ohm weerstand aan te sluiten op de uitgangsterminal van de stroombron. Verbind vervolgens het andere uiteinde van de 100-ohm weerstand met de tegenovergestelde terminal van de bron.
Vervolgens genereren we een stroom van 10 milliampere door de weerstand en stellen we de multimeter in spanningsmeetmodus. Verbind nu de twee terminals van de multimeter met de twee terminals van de weerstand en meet de spanningsval over de weerstand.
Een positieve aflezing betekent dat de potentiaal op de positieve terminal van de multimeter hoger is dan die op de negatieve terminal. Met behulp van deze spanningswaarde kan de wet van Ohm worden geverifieerd.
Vervolgens brengen we een spanning van 1 volt aan over de 100-ohm weerstand. Stel nu de multimeter in stroommeetmodus. Verbind de terminals van de multimeter in serie met de weerstand en meet de stroom erdoorheen.
Een positieve stroomwaarde betekent dat de stroom van de positieve terminal naar de negatieve terminal van de multimeter stroomt. Met behulp van de gemeten stroom kan de wet van Ohm worden geverifieerd.
Vervolgens ontkoppelen we de spanningsbron van de weerstand. Stel de multimeter in weerstandsmeetmodus. Verbind de twee terminals van de multimeter met de twee terminals van de weerstand en meet direct de weerstand.
De gemeten weerstand moet de wet van Ohm en de eerder gemeten stroom- en spanningsmetingen opnieuw verifiëren.
Verbind eerst twee 100-ohm weerstanden in serie op het breadboard. Verbind ze vervolgens met de stroombron zoals beschreven in de vorige sectie en breng een stroom van 10 milliampere aan door beide weerstanden.
Gebruik de multimeter in voltmetermodus om de spanningsval over elke weerstand en over de hele seriecombinatie te meten.
Breng vervolgens een spanning van 10 volt aan over beide weerstanden. Stel vervolgens de multimeter in ampèremodus en meet de stroom door elke weerstand.
Verbind twee 100-ohm weerstanden parallel. Verbind ze vervolgens met een spanningsbron zoals eerder beschreven. Breng een spanning van 10 volt aan over de weerstanden.
Gebruik de multimeter in ampèremodus om de stroom door elke weerstand en door de hele parallelle combinatie van weerstanden te meten.
De helderheid van gloeilampen hangt niet alleen af van de toegepaste spanning, maar ook van of ze in serie en/of met andere componenten zijn verbonden
Verkrijg twee lichtgevende diodes of gloeilampen, elk met een weerstand van enkele ohm, die kunnen worden gebruikt in plaats van de weerstanden. Verbind een gloeilamp met de spanningsbron zoals eerder beschreven. Breng een spanning van één volt aan over de gloeilamp en observeer de helderheid.
Nu schakel je de spanningsbron uit en verbind je de tweede gloeilamp parallel met de eerste. Breng een spanning van één volt aan over de parallelle combinatie en observeer de helderheid van beide gloeilampen.
Ten slotte schakel je de spanningsbron uit en verbind je de gloeilampen opnieuw in serie. Breng een spanning van één volt aan over de seriecombinatie en observeer de helderheid van beide
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is Ohm's Law and how does it apply to resistor circuits?
Ohm's Law states that the voltage drop across a resistor is equal to the product of resistance and current: V = IR. This fundamental relationship allows you to calculate any one of these three variables if the other two are known. Ohm's Law is essential for analyzing both simple and complex electrical circuits, enabling you to predict how current and voltage behave in series and parallel resistor configurations.
Q2: How does current flow through resistors connected in series?
In a series circuit, the same current flows through all resistors because they are connected one after the other in a single path. The total voltage divides among the resistors proportionally to their individual resistances. The total effective resistance equals the sum of all individual resistances, so higher total resistance results in lower current flow through the entire circuit.
Q3: What happens to voltage and current when resistors are connected in parallel?
In a parallel circuit, all resistors share the same voltage across their terminals. However, the total current splits between the resistors, with each resistor carrying current inversely proportional to its resistance. The reciprocal of the total effective resistance equals the sum of the reciprocals of individual resistances, resulting in lower total resistance than any single resistor.
Q4: Why do lightbulbs have different brightness in series versus parallel configurations?
Lightbulb brightness depends on the voltage across each bulb. In parallel, each bulb receives the full applied voltage, so both shine as brightly as a single bulb at that voltage. In series, the voltage divides between bulbs, so each receives only half the voltage, resulting in dimmer light. This demonstrates how circuit configuration directly affects power distribution and device performance.
Q5: What is a voltage divider circuit and how does it work?
A voltage divider is a series circuit that converts a larger input voltage into a smaller output voltage. Two resistors are connected in series across the input voltage, and the output is taken from the connection point between them. The output voltage is proportional to the ratio of the second resistor to the total resistance, allowing precise voltage reduction for specific circuit applications.
Q6: How are parallel resistors used in household electrical wiring?
Household appliances are wired in parallel so each device receives the full 110-volt supply voltage independently. This parallel configuration allows multiple appliances to operate simultaneously without affecting each other's performance. Each appliance draws current according to its resistance, and the total household current is the sum of individual appliance currents, enabling safe and efficient power distribution.
Q7: How can you measure and verify circuit parameters using a multimeter?
A multimeter can measure voltage by connecting its terminals across a component, current by connecting in series with the circuit, and resistance by connecting across a disconnected component. By measuring these parameters and applying investigation ohm s law for ohmic and nonohmic conductors principles, you can verify theoretical predictions and validate circuit behavior experimentally.