12. Распределение потенциалов и тока в электрической цепи

Для того чтобы разобраться в прохождении тока по электриче­ским цепям, надо представить, как распределяются в ней электриче­ские потенциалы. Электрический ток проходит всегда от точек цепи, находящихся под большим потенциалом, к точкам, находящимся под меньшим потенциалом. Если какая-либо точка цепи соединена с зем­лей, то потенциал ее принимается равным нулю; в этом случае потенциалы других точек цепи будут равны напряжениям, действующим между этими точками и землей.

Р ассмотрим этот вопрос на нескольких конкретных примерах. На рис. 27, а показано распределение потенциалов в последовательной электрической цепи, находящейся под напряжением, при условии, что r₁ = r₂ = r₃. Точка А имеет наибольший положительный потенциал φ_А, так как она соединена с положительным полюсом источника (сам источник на схеме отсутствует — показаны лишь провода сети, соединяющей его с точками А и Г). Потенциал φ_Б в точке Б будет меньше, чем в точке А, следовательно, на участке А Б ток идет от точки А к точке Б. Разность потенциалов между точками А и Б рав­на падению напряжения U₁ = Ir₁ в резисторе с сопротивлением r₁. Это падение напряжения возрастает постепенно по мере перехода от точки А к точке Б, поэтому вдоль резистора с сопротивлением r₁ потенциал также уменьшается постепенно. В точке В потенциал равен нулю. Разность потенциалов между точками Б и В равна падению на­пряжения U₂ = Ir₂ в резисторе с сопротивлением r₂. Точка Г будет иметь отрицательный потенциал по отношению к точке В (она соеди­нена с отрицательным полюсом источника), поэтому ток I идет от точ­ки В к точке Г. Следует отметить, что при заземлении одной точки элек­трической цепи распределение токов в ней не изменяется, так как при этом не образуется никаких новых ветвей, по которым могли бы проте­кать токи. Если заземлить две или большее число точек цепи, имеющих разные потенциалы, то через землю образуются дополнительные токопроводящие ветви и распределение тока в цепи меняется.

На рис. 27, б показано распределение потенциалов вдоль последо­вательной цепи при заземлении точки Г у одного из полюсов источ­ника питания. Как видно из графика, потенциал различных точек цепи по мере приближения к заземленной точке падает, т. е. умень­шается напряжение, действующее между этими точками и землей. По этой причине обмотки возбуждения тяговых двигателей и вспомога­тельных машин, в которых при резких изменениях тока могут возни­кать большие перенапряжения, стараются включать в силовую цепь электроподвижного состава ближе к «земле» (за обмоткой якоря). В этом случае на изоляцию этих обмоток будет действовать меньшее на­пряжение, чем если бы они были включены под более высоким потенциалом (ближе к контактной сети в электровозах постоянного тока или к незаземленному полюсу выпрямительной установки в электро­возах переменного тока). Точно так же точки электрической цепи, находящиеся под более высоким потенциалом, являются более опас­ными для человека, соприкасающегося с токоведущими частями элек­трических установок. При этом он попадает под более высокое напря­жение по отношению к «земле».

На рис. 28, а показано распределение потенциалов в последова­тельной цепи при ее обрыве у точки В. Все точки цепи от точки А до места обрыва будут иметь потенциал точки А (по цепи не идет ток и на резисторах r₁, r₂ и r₃ нет падения напряжения), а от места обрыва до точки Г — нулевой потенциал. Следовательно, соприкосновение че­ловека с точкой В будет в этом случае также опасно, как и с точкой А; точка же Д не будет находиться под напряжением. Рассмотренный пример наглядно показывает, что некоторые точки электрических це­пей, которые при нормальных условиях заземлены, могут при обры­ве цепи оказаться под высоким напряжением.

На рис. 28, б показано распределение токов в последовательной цепи с двумя источниками, имеющими э. д. с. Е₁ и E₂ параллельно которым включены резисторы с одинаковыми сопротивлениями r₁ = r₂. При равенстве э. д. с. Е₁ и Е₂ разности потенциалов между точками Б—В и В—Г (т. е. напряжения U_БВ и U_ВГ) будут равны, поэтому по резисторам будут, протекать одинаковые токи: I₁ = I₂. Однако, если э. д. с. Е₁ по какой-либо причине увеличится, то увеличится потенциал φ_Б точки Б и напряжение U_БB станет больше напряжения U_BГ. Ток I₁ возрастет и станет больше, чем I₂. Если увеличится э. д. с. Е₂, то возрастет разность потенциалов между точками В и Г, при этом напряжение U_ВГ станет больше U_БВ, а ток I₂ больше I₁.

Н а рис. 29 показано распределение токов в цепи с двумя параллель­но соединенными источниками. При Е₁ = Е₂ и r₁ = r₂ по обеим парал­лельным ветвям протекают одинаковые токи I₁ и I₂; потенциалы точек Б и В одинаковы (напряжение между точками Б и В равно нулю) и через резистор r ток протекать не будет. Если э. д. с. Е₁ станет боль­ше Е₂, потенциал точки Б увеличится. При этом уменьшится разность потенциалов между точками А и Б, а следовательно, и ток I₁. Одно­временно между точками Б и В появится разность потенциалов и по резистору r начнет протекать ток I от точки Б к точке В. При возра­стании э. д. с. Е₂ до значения, большего э. д. с. Е₁ потенциал точки В станет больше потенциала точки Б, и ток I будет проходить по рези­стору r от точки В к точке Б (см. штриховую стрелку). Если точки Б и В замкнуть не через резистор, а накоротко, то потенциалы точек Б и В станут равными. Такое соединение называется уравнительным. Рассмотрим прохождение тока по всей цепи, когда Е₁ > Е₂. Наи­больший положительный потенциал имеет точка А; поэтому от этой точки к точкам Б и В текут токи I₁ и I₂. Точки Г и В имеют меньший потенциал, чем точка Б, следовательно, от точки Б к точкам В и Г текут токи I и I₃. От точки В ток не может идти к точке А, так как она находится под более высоким потенциалом, поэтому от точки В ток I₄ идет к точке Г.

Таким способом по распределению потенциалов между отдель­ными точками электрической цепи определяют прохождение тока по сложным электрическим цепям.