Элементы цепи. Правила Кирхгофа. Симметрия

Элементы цепи

Мы уже познакомились с резисторами, представляющими самый простой элемент цепи (и, единственный, подчиняющийся закону Ома). Пришло время поговорить ещё о нескольких элементах.

1) Источник напряжения. Это элемент также известный Вам как батарейка, аккумулятор или же электростанция. Источник напряжения, поддерживает на своих клеммах постоянную разницу потенциалов, равную ЭДС (обозначается \varepsilon ). ЭДС расшифровывается как электродвижущая сила и, это, конечно, пример просто ужасного наименования. Во-первых, по размерности это разница потенциалов, а не сила, во-вторых, слово <<электродвижущая>> вообще не имеет особого смысла. На схеме источник напряжения обозначается так:

i1 Более длинная черта обозначает провод, потенциал в котором больше. То есть, на нашем рисунке, потенциал справа от источника напряжения больше чем слева на \varepsilon.

Физический смысл источника напряжения прост. Это некоторый механизм, который способен переводить механическую, тепловую, химическую и тд. энергию в потенциальную энергию электрического взаимодействия. Это может быть электростанция, на которой сгорает уголь/нефть, это может быть ГЭС, на которой сбрасывают воду или маленькая батарейка, в которой запасена энергия готовых начаться химических реакций.

Вообще говоря, ЭДС необязательно постоянна, однако, мы будем считать, что это почти всегда так, для облегчения расчётов.

2) Вольтметр, амперметр, омметр. Перечисленные элементы цепи это различные измерительные приборы. Вольтметр измеряет напряжение, амперметр – силу тока, омметр – сопротивление. Важно понимать, что все эти приборы измеряют параметры на самих себе. То есть вольтметр показывает напряжение, падающее на вольтметре, амперметр – силу тока, текущего через амперметр, омметр – сопротивление между клеммами омметра.

Обычно, для измерения параметров какого-то элемента, вольтметр подключают к нему параллельно (так как при параллельном соединении напряжения вольтметра и элемента будут одинаковы). Однако, подключая вольтметр, мы меняем схему: какая-то часть тока, шедшего через элемент, теперь идёт через вольтметр, то есть, мы изменили напряжение на элементе. Чтобы этого не происходило (или минимально мешало) вольтметры стараются делать с как можно большим сопротивлением. О моделях измерительных приборов, приближенных к реальности, мы ещё будем говорить. Сейчас же скажем, что идеальным вольтметром называют вольтметр с бесконечным сопротивлением (то есть тот, через который ток не пойдёт в принципе).

В свою очередь, для измерения силы тока, текущего через какой-то элемент, амперметр подключают к нему последовательно (так как при последовательном соединении сила тока будет одинакова и на амперметре и на элементе). Однако, подключая амперметр, мы тоже меняем схему: какая-то часть напряжения, падавшего на элементе, теперь падает на амперметре, то есть, мы изменили силу тока, шедшего через элемент. Чтобы этого не происходило (или минимально мешало) амперметры наоборот стараются делать с как можно меньшим сопротивлением. Идеальным же амперметром называют амперметр с нулевым сопротивлением (то есть тот, на котором напряжение не будет падать в принципе).

Вольтметр, амперметр и омметр, соответственно, на схеме изображаются так:

i2 В случае, если необходимо измерить одновременно силу тока, текущего через некоторый элемент, и напряжение на этом же элементе, можно использовать две концептуально разные схемы:

i3 Измерения с помощью любой из этих схем обладают некоторой погрешностью. В схеме слева напряжение, измеряемое вольтметром, равно сумме напряжений на интересующем нас элементе и на амперметре.

В схеме справа сила тока, текущего через амперметр, равна сумме сил токов, текущих через вольтметр и интересующий нас элемент.

В случае реального измерения важно выбрать схему с меньшей погрешностью. Если у элемента отношение U/I довольно велико, тогда напряжение, падающее на амперметре в левой схеме, пренебрежимо мало. И наоборот, если U/I довольно мало, тогда сила тока, текущего через вольтметр в правой схеме, пренебрежимо мала. Если мы заранее представляем хотя бы порядок этого отношения для конкретного элемента, подобрать схему не составит труда.