Схемы замещения реальных электрических элементов

Электромагнитные процессы в реальных элементах существенно сложнее, чем в их идеализированных моделях. Например, в резисторах кроме преобразования электрической энергии в тепловую энергию имеет место её частичное запасание и излучение в окружающее пространство, а в катушках индуктивности и конденсаторах кроме запасания энергии имеет место частичное преобразование энергии в тепловую энергию и излучение в окружающее пространство.

Поэтому схемы замещения реальных элементов, используемые при составлении эквивалентных схем реальных цепей, могут состоять из нескольких идеализированных элементов различного типа. На рис. 2.7 изображены наиболее часто используемые эквивалентные схемы реальных пассивных элементов: резистора (рис. 2.7, а), катушки индуктивности (рис. 2.7, б) и конденсатора (рис. 2.7, в).

а) б) в)

Рис. 2.7

Поскольку современные резисторы достаточно близки по своим параметрам к идеализированным сопротивлениям, то их эквивалентная схема (рис. 2.7, а) практически совпадает с сопротивлением. Эквивалентная схема катушки индуктивности (рис. 2.7, б), как правило, учитывает сопротивление провода , которым она намотана, а в эквивалентной схеме конденсатора (рис. 2.7, в) учитывается сопротивление утечки диэлектрика , расположенного между обкладками конденсатора.

Идеальный источник напряжения

Идеальный источник напряжения — это активный элемент с двумя выводами, напряжение между которыми не зависит от тока, протекающего через источник.

Условное графическое обозначение источника напряжения изображено на рис. 2.8, а. Стрелка внутри кружка указывает направление э.д.с. источника и совпадает с направлением перемещения положительных зарядов внутри источника, которое происходит под действием сторонних сил (сил неэлектрического происхождения, то есть химического, механического, теплового и т.п.), от вывода с меньшим потенциалом к выводу с большим потенциалом. Однако напряжение на выводах источника направлено от вывода с большим потенциалом к выводу с меньшим потенциалом, то есть противоположно направлению э.д.с. При этом направление напряжения совпадает с направление тока в цепи, внешней по отношению к источнику.

Вольтамперная характеристика идеального источника постоянного напряжения изображена на рис. 2.8, б.

Идеальный источник тока

Идеальный источник тока — это идеализированный активный элемент с двумя выводами, ток которого не зависит от напряжения между выводами. Условное графическое обозначение источника тока показано на рис. 2.9, а.

Стрелки в обозначении источника тока указывают направление тока внутри источника, которое совпадает с направлением перемещения положительных зарядов внутри источника под действием сторонних сил, от вывода с меньшим потенциалом к выводу с большим потенциалом. При этом напряжение на выводах источника тока направлено от вывода с большим потенциалом к выводу с меньшим потенциалом, то есть совпадает с направлением тока во внешней цепи, но противоположно направлению тока внутри источника. Вольтамперная характеристика идеального источника постоянного тока изображена на рис. 2.9, б.

Идеальные источники напряжения и тока представляют собой идеализированные источники энергии и используются при анализе цепей в качестве идеализированных активных элементов.

На рис. 2.10, а изображена схема, состоящая из идеального источника напряжения и подключенного к нему идеализированного сопротивления нагрузки . Поскольку напряжение на нагрузке , а её ток , то мощность, выделяемая в нагрузке

.

Отсюда следует, что при неограниченном уменьшении сопротивления , ток нагрузки, а, значит, и выделяемая в ней мощность будут увеличиваться до бесконечности. Аналогичный результат можно получить для схемы с идеальным источником тока (рис. 2.10, б). В данном случае при неограниченном увеличении сопротивления нагрузки напряжение на нагрузке и, следовательно, выделяемая в ней мощность будут стремиться к бесконечности. С этой точки зрения идеальные источники напряжения и тока являются источниками бесконечной мощности и поэтому они не реализуемы. Поэтому в технической литературе идеальные источники энергии часто называют вырожденными.