В.3. Условные графические обозначения элементов электрических схем

Под электрической цепью понимают совокупность связанных друг с другом источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток. Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой. Изображения различных элементов в электрических схемах приведены в таблице.

Название	Обозначение	Название	Обозначение
Резистор		Переменный резистор
Катушка индуктивности		Конденсатор
Источник ЭДС		Источник тока
Амперметр		Вольтметр
Ваттметр		Фазометр

Если число выводов, с помощью которых элемент присоединяется к электрической цепи, равно двум, то такой элемент называется двухполюсником. Если таких выводов четыре, то - четырехполюсником. В данном лабораторном практикуме рассматриваются двухполюсники.

Теоретические сведения, необходимые для выполнения лабораторного практикума, изложены в соответствующих разделах настоящего пособия. Более подробные теоретические сведения изложены в [1-4].

Раздел 1. Линейные цепи постоянного тока

1.1. Краткие теоретические сведения

1.1.1. Основные понятия и определения

Постоянным током называют ток, неизменный во времени. Источник электрической энергии характеризуется величиной и направлением электродвижущей силы (ЭДС) и величиной внутреннего сопротивления.

Напомним, что при расчете и анализе электрических цепей источник электрической энергии может быть представлен одной из моделей (рис.1.1):

- в виде идеального источника ЭДС E с последовательно включенным сопротивлением, равным внутреннему сопротивлению R_E реального источника,

- в виде идеального источника тока J с параллельно включенным с ним сопротивлением, равным внутреннему сопротивлению R_J реального источника.

Рис.1.1. Источники: а – ЭДС, б – тока.

Известно правило эквивалентной замены одного источника другим:

E = JR_J и R_J =R_E ,

где E - ЭДС источника напряжения, J - ток источника тока, R_E и R_J - их внутренние сопротивления. Для электрической цепи не принципиально, какая модель принята, поскольку возможна эквивалентная замена одного источника другим. Поэтому в дальнейшем мы будем пользоваться источником ЭДС E с последовательно включенным внутренним сопротивлением R_E .

В условном изображении источника ЭДС стрелка указывает на направление возрастания потенциала внутри источника, т.е. на положительное направление ЭДС. Из курса физики известно, что потенциал, являясь энергетической характеристикой электрического поля, связан с работой по перемещению единичного заряда. Поэтому физически стрелка в обозначении ЭДС означает направление разделения зарядов внутри источника в результате работы по преодолению кулоновских сил и указывает на положительный полюс. То же самое можно сказать и об источнике тока.

Под напряжением U_ab на некотором участке электрической цепи понимают разность потенциалов между крайними точками этого участка:

U_ab= φ_a− φ_b.

На схемах напряжение изображают стрелкой. За положительное направление принимают направление понижения потенциала, поэтому напряжение на зажимах источника U_E направлено встречно направлению ЭДС E, например, как на рис.1.1. При этом численно U_E = E.

Напряжение на активном сопротивлении направлено так же, как и протекающий по нему ток, поскольку ток течет в направлении понижения потенциала. Напряжение на активном сопротивлении называют падением напряжения.

Для иллюстрации сказанного рассмотрим рис.1.2 с участком цепи, содержащим активное сопротивление R и ЭДС E .

Рис.1.2. Участок цепи, содержащий ЭДС.

Напряжение между точками a и c равно разности потенциалов в соответствующих точках: U_aс= φ_a− φ_с . Падение напряжения на активном сопротивлении согласно закону Ома

U_R = φ_a− φ_b = IR. (1.1)

Напряжение на источнике ЭДС

U_E = φ_с− φ_b = E. (1.2)

Тогда очевидно равенство:

U_aс= U_R − U_E = IR − E = φ_a− φ_с. (1.3)

Следует обратить внимание на то, что в (1.3) падение напряжения на сопротивлении R и ЭДС E имеют разные знаки, хотя направлены одинаково, поскольку стрелка ЭДС указывает на повышение потенциала.

Если в данной цепи ЭДС E направлена в противоположную сторону, то последнее уравнение примет вид:

U_aс= U_R + U_E = IR + E = φ_a− φ_с. (1.4)

С использованием полученных выражений находим формулу для расчета тока в цепи при известных величинах U_aс , E и R:

(1.5)

Если направления тока и ЭДС совпадают, то в числителе дроби (1.5) ставится знак "плюс", если не совпадают, то "минус". Выражение (1.5) может использоваться для расчета токов в ветвях методом узловых напряжений.