1.10 Основные определения, относящиеся к электрической схеме

Электрическая схема представляет собой графическое изображение электрической цепи. Она показывает, как осуществляется соединение элементов рассматриваемой электрической цепи.

«Электрическими» элементами схемы служат активные и пассивные элементы цепи. «Геометрическими» элементами схемы являются, ветви и узлы.

Ветвь образуется одним или несколькими последовательно соединенными элементами цепи (рисунок 1.15). При этом под последовательным соединением элементов цепи понимается такое их соединение, при котором через все эти элементы проходит один и тот же ток.

В общем случае, если состав ветви не известен, последняя изображается прямоугольником.

Узел  место соединения трех или большего числа ветвей (рисунок 1.16). Место соединения двух ветвей рассматривается как «устранимый узел». Линии, связывающие ветви в схеме, представляют соединения без сопротивлений. Поэтому, например, схемы рисунка 1.16, а и б в электрическом смысле одинаковы: они содержат один узел.

Ветви, присоединенные к одной паре узлов (рисунок 1.17), называются параллельными.

Рисунок 1.18 в виде примера иллюстрирует электрическую схему, содержащую пять ветвей и три узла.

Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром. На рисунке 1.18 указано стрелкой направление обхода одного из контуров, образованных в данной электрической схеме.

В зависимости от числа контуров, имеющихся в схеме, различают одноконтурные и многоконтурные схемы. Одноконтурная схема является простейшей. Если пользоваться правилами преобразования схем, в ряде случаев удобно заменить многоконтурную схему одноконтурной, что упрощает расчеты.

Если ток в электрической цепи постоянен, т.е. его значение не изменяется во времени, то отсутствует явление самоиндукции: производная потокосцепления по времени равна нулю и напряжение, например, на индуктивной катушке определяется только величиной падения напряжения от тока в сопротивлении катушки. Схема замещения индуктивной катушки для этого случая приводилась на рисунке 1.10, а.

В свою очередь если не учитывать проводимости диэлектрика конденсатора, т.е. рассматривать конденсатор как идеальную емкость, то ветвь с такой емкостью представится в электрической схеме цепи постоянного тока разомкнутой: постоянный ток через емкость не проходит.

Таким образом, при рассмотрении электрической цепи постоянного тока в установившемся режиме, при котором напряжения и токи в цепи являются постоянными, пассивными элементами схемы являются сопротивления, а активными  источники постоянной ЭДС или постоянного тока.

Индуктивности и емкости учитываются в схемах цепей переменного тока и при переходных (неустановившихся) процессах, возникающих в электрических цепях при переходе от одного режима к другому.

1.11 Вольт-амперная характеристика участка цепи с источником

Закон Ома может быть применен к участку цепи с источниками, и для такого участка может быть построена вольт-амперная характеристика.

На рисунке 1.19, а показана ветвь с последовательно соединенными источником постоянной ЭДС Е и сопротивлением R. Через ветвь проходит ток i, величина и направление которого в общем случае зависят не только от данного источника ЭДС, но и от источников остальной части электрической цепи, присоединенной к зажимам 1 и 2.

При указанных на рисунке 1.19, a направлениях ЭДС и тока потенциал зажима 1 ниже потенциала зажима 2 на величину ЭДС за вычетом падения напряжения от тока I в сопротивлении R.

Следовательно, напряжение на зажимах ветви составляет:

и = u₁₂ = -E + RI. (1.9)

Вольт-амперная характеристика для этого случая показана на рисунке 1.19, б.

Разность потенциалов, взятая в направлении от зажима 2 к зажиму 1 (рисунок 1.19, б), обратна по знаку выражению (1.9), т.е. равна ЭДС источника за вычетом падения напряжения от тока i в сопротивлении R:

u₂₁ = -u₁₂ = E  Ri.

Следовательно, напряжение на зажимах ветви равно

u = -u₂₁ = E  RI. (1.10)

Характеристика, построенная по этому уравнению, называемая внешней характеристикой, приведена на рисунке 1.19, в.

Тангенс угла  пропорционален сопротивлению R. При отрицательном знаке тока i напряжение на сопротивлении R складывается с ЭДС Е, и в этом случае u >Е.

На рисунке 1.20, а показан участок цепи, состоящий из источника постоянного тока I с параллельным сопротивлением R. Так же как и в предыдущем случае, направление и величина тока i, проходящего через зажимы 1 и 2, зависит не только от данного источника, но и от источников остальной части цепи, присоединенной к зажимам 1 и 2.

При указанных на рисунке 1.20, а направлениях токов через сопротивление R от зажима 2 к зажиму 1 проходит ток I  i, создающий напряжение u₁₂ = Ri – RI.

По этому уравнению строится вольт-амперная характеристика (рисунок 1.20, б).

Разность потенциалов, взятая в направлении от зажима 2 к зажиму 1, составляет u₂₁ = Ri – Ri.

Соответствующая вольт-амперная характеристика показана на рисунке 1.20, в.

Таким образом, вольт-амперные характеристики участков цепи, состоящих из линейного сопротивления, соединенного последовательно с источником ЭДС или параллельно с источником тока, прямолинейны.

Из сопоставления вольт-амперных характеристик (рисунки 1.19, б, в и 1.20, б), видно, что источник напряжения эквивалентен источнику тока при условии Е = RI, и потому они могут быть взаимно заменяемы.