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串聯、並聯與真實電池

把電阻組合成網路,學會串聯與並聯的兩條黃金規則,並揭開真實電池標示電壓背後藏著什麼。

串聯:唯一的一條路徑

當元件在單一迴路上一個接一個排列時,它們就是串聯。只有一條路徑,所以相同的電流流過每一個元件——電荷無處可去。每個電阻分得自己那一份電壓,而這些份加起來等於供應的總電壓。

R_{\text{eq}} = R_{1} + R_{2} + R_{3} + \cdots

串聯的電阻直接相加——總電阻永遠比其中最大的單一電阻還大。

這就是為什麼舊式聖誕燈只要一顆燈泡燒掉全部就熄滅:那些燈泡是串聯的,斷了一環就斷開整個迴路,唯一共用的電流也就停止了。

並聯:同時有好幾條路徑

當元件各自跨接在相同的兩個點之間時,它們就是並聯。現在有好幾條路徑,電流會在它們之間分流——但每一條分支承受相同的電壓,因為它們連接的是同樣的兩個節點。各分支電流加起來等於總電流。

\frac{1}{R_{\text{eq}}} = \frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}} + \frac{1}{R_{3}} + \cdots

並聯電阻的倒數相加;等效電阻永遠比最小的那條分支還小。

在串聯與並聯之間切換,觀察等效電阻、各分支電流與總電流的變化。親自驗證:串聯相加,並聯則低於最小的那條分支。

電動勢:電池真正供應的是什麼

電池的工作是讓電位這座「坡」不被抹平——用儲存的化學能,把電荷從低電位端一次又一次地抬回高電位端。它每單位電荷給出的能量,就是它的電動勢(EMF),符號 \varepsilon,以伏特為單位。

\varepsilon = \frac{W}{q}

電動勢是每單位電荷所供應的能量。儘管名字裡有「力」,它並不是一種力——它是每電荷的能量,以伏特為單位。

內電阻與端電壓

沒有一顆真實電池是完美的。它自身的化學物質與電極提供了一些內電阻 r,串聯在電池內部。當電流流動時,一部分電動勢被「用掉」以推動電荷通過 r,因此你在端點實際量到的電壓——端電壓——會低於電動勢。

V_{\text{terminal}} = \varepsilon - I\,r

端電壓比電動勢低了內電阻上的壓降 Ir;抽取的電流越大,下降得越多。

這就是為什麼發動引擎時汽車大燈會瞬間變暗:起動馬達瞬間抽取數百安培,巨大的 Ir 壓降把端電壓大幅拉低,直到引擎發動。新電池的 r 小;老舊或寒冷的電池 r 大,一旦帶載就很吃力。

範例:真實電池驅動一個網路