10
В этой статье расссказывается о метода, позволящем упрощать сложные задачи по расчету электрических цепей.
Что мы понимаем под «преобразование цепи»? Предположим, что у нас есть сложная схема из сопротивлений, имеющая множество выводов и подключения к источникам. Заменим эту схему другой, с тем же числом выводов, причем так, чтобы сопротивления между двумя любыми выводами у новой схемы были таким же, как у старой. Ясно, что источники «ничего не узнат» об этой замене, и точки, потребляемые схемой, останутся прежними. Но найти эти точки, возможно, оказется проще.
Следовательно, если мы хотим подсчитать токи в сложной схеме, ее можно заменить более простой эквивалентной схемой. При этом токи внутри заменяемой части меняются. Поэтому так поступать можно только с той частью схемы, которая нас непосредственно не интересует.
С подобными заменами вы уже встретались.
Пусть, например, в схеме два сопротивления и включены последовательно, их мы можем заменить одним, равным по величины сумме . Если же два сопротивления включены параллельно, то их также можно заменить одним, величины которой равна
Это простейшие примеры преобразования цепей. Мы же останавимся на более сложных схемах.
Постотрим, как преобразуется друг в друга схемы, имеющие по три вывода — «звезда» (рис. 1, а) и «треугольник» (рис. 1, б).
Немного непrivычные обозначения (рис. 1, б) очень удобны, индекс показывалот, между какими точками включено сопротивление. Например, сопротивление включено между точками 1 и 3 и т. д.
Если мы хотим заменить одну из этих схем другой, нужно получить такие соответствия между и , чтобы сопротивления между любыми точками были для обеих схем одинаковы.
В схеме «звезды» (рис. 1, а) сопро-
12
Рис. 4.
«треугольник» ACD «звездой», как показано на рис. 4.
Теперя ясно, что сопротивление между точками A и B будет равно
Мы заменяли «треугольник» ACD «звездой», но можно было решать задачу иначе — заменя «звезду» ADB «треугольником».
Пусть теперь к точкам A и B подключена батарея с пренебрежимом малым внутренним сопротивлением и с э.д. с. E=1 в. Нужно найти ток через участок CB.
Преобразовать схему надо так, чтобы не затронут интересующей нас сопротивление CB. Подойдет то преобразование, которое мы делали раньше (рис. 4).
Используя то, что , получим . После разветвления точки подляется в относении, обратном сопротивлениям ветвей:
При этом . (I — ток до разветвления, — ток в верхней ветви, — ток в нижней ветви).
Отсюда
Немного сложнее было бы найти ток, идущий через участок CD. Для этого пришлось бы еще найти ток,
13
Рис. 6.
тенциометра. Причем сумма сопротивления и остается постоянной. Посмотрим, какими они должны быть, чтобы полное сопротивление было максимальным. Обозначим через и через . Тогда общее сопротивление включенных параллельно частей схемы . Если учеть, что , то сопротивление выразится так: . Это выражение максимально, когда максимальное число слипель. Но — это уравнение параболы (рис. 7), ветви которой пересекают ось абсцисс в точках и . Поэтому численный дроби наибольший при . Так как , то это означает, что сопротивление между точками и максимально, если , то есть , или .
Ясно, что это возможно лишь в том случае, если сопротивление всего потенциометра не меньше чем . В противном случае максимум сопротивления между точками и достигается, когда движок потенциометра находится в крайнем положении.
Итак, ответ: .
Метод, о котором мы рассказыли, очень удобен для последовательного преобразования сложной схемы к простому виду. Он позволяет расчитать практические любую сложную цель, состоящую из сопротивлений.
Этот метод можно применять к цепям, содержащим не только сопротивления.
Обратите внимание на то, что мы вообще не говорили нигде о физических процесах в цепи, а пользовались только формальным выражением для закона Ома: . Из него следует, что при последовательном соединении их величины складываются, а при параллельном — складываются величины, обратные сопротивлением . Понятно, что если какие-нибудь другие физические величины связаны законом, аналогичным закону Ома, то все наши выводы справедливны и для них.
В качестве примера рассмотрим цепь с конденсатором (рис. 8). Мы знаем, что , или .
14
Рис. 9.
Сравним это с выражением для закона Ома .
Видно, что законы положки, только вместе тогда стоит заряд, а вместе сопротивления — величины, обратная емкость. Это означает, что для того, чтобы найти, скажем, заряды на конденсаторах, можно поступить так. Вместо цепи, содержащей конденсаторы, нарисовать цель, содержащую сопротивления, причем конденсатор емкостью фарад заменить сопротивлением . После того, как мы рассчитаем ток в цепи из сопротивлений, можно сразу написать, каковые заряды на конденсаторах: если по сопротивлению течет ток амер, то на соответствующем конденсаторе будет заряд кулонов.
Э. д. с. батарей при таком преобразования цепи остаются без изменения. Но, разумеется, в цепи с конденсаторами внутренние сопротивления батарей не влияют на результат. Поэтому, преобразуется цель, нам придетя лишить батарей их внутренних сопротивлений.
Пусть, например, нужно найти заряд на конденсаторе емкостью (рис. 9). Конденсатору