Для разных целей нужны разные степени абстракции.
Всякое изучение начинают с того, что сосредоточивают внимание на основных признаках явления. Менее существенным на первых стадиях пренебрегают.
Эквивалентные схемы, схемы замещения, как их еще называют, учитывают игру только главных сил, отбрасывая все второстепенное, отбрасывая детали.
Возьмем к примеру электродвигатель. У него обмотка на статоре, обмотка на роторе. В различных участках магнитной цепи двигателя может накапливаться электромагнитная энергия. В стальных сердечниках и обмотках часть энергии превращается в тепло. Часть энергии двигатель превращает в полезную механическую работу.
В двигателе одновременно идет множество сложных преобразований энергии. Но в общих чертах, по отношению к питающей его сети, двигатель ведет себя как комбинация всего двух последовательно или параллельно включенных сопротивлений: одного чисто активного, другого—реактивного. Эти два сопротивления и будут схемой замещения электродвигателя.
Сложная разветвленная электрическая сеть с десятками тысяч включенных в нее осветительных ламп, сотнями электродвигателей, промышленных печей, выпрямителей, бытовых нагревателей также может быть замещена всего лишь двумя сопротивлениями.
Если строго подойти к вопросу, то все схемы, которые рисуются на бумаге, суть только эквивалентные схемы, только схемы замещения.
Возьмем к примеру катушку, намотанную из медной проволоки. На рис. 1-26 даны некоторые ее схемы замещения. Среди прочих своих свойств катушка обладает способностью запасать энергию в своем магнитном поле.
Для некоторых случаев катушку можно обозначить на схеме значком L, т. е. приписать этой катушке только индуктивность, пренебрегая всеми ее остальными качествами.
Поместим в катушку стальной шар. Сталь имеет большую магнитную проводимость, нежели воздух. Индуктивность катушки увеличится. Но это будет иметь место лишь в том случае, когда к катушке подведен ток низкой частоты. Если же направить в катушку ток высокой частоты, то в стальном шаре возникнут вихревые токи. Они парализуют действие повышенной магнитной проводимости стали. При высокой частоте индуктивность катушки со стальным шаром внутри будет меньше, нежели индуктивность катушки без шара. Токи, наведенные в шаре, будут вызывать выделение в нем тепла. В более точной эквивалентной схеме катушки со стальным шаром должны быть учтены эти затраты энергии на нагревание стали. На эквивалентной схеме нагревание стали отображают в виде сопротивления R, которое включено либо последовательно, либо параллельно индуктивности L.
Сопротивление, которое включается параллельно какой-либо части схемы, называют иногда утечкой. Большей частью применяют этот термин к активной утечке, которая только поглощает энергию. Такую утечку обозначают буквой G. Но иногда говорят и о такой цепи утечки, которая частично или даже полностью запасает энергию, — это реактивная утечка.
Итак, в некоторой области частот можно представлять катушку со стальным шаром в виде комбинации L и R или L и G. Но повысим еще частоту тока. В катушке между отдельными ее витками начнут проходить емкостные токи. Эквивалентную схему надо рисовать, учитывая эти емкости. Тот, кто составляет схему, должен еще рассудить, как подключить их к L и R. Иногда лучше представить параллельное, а иногда и последовательное включение.
При еще более высокой частоте тока катушка ведет себя как длинная цепочечная линия. Эквивалентную схему катушки надо рисовать в виде очень большого количества элементов.
Новые особенности вносит повышение частоты тока в поведение изоляционных материалов. При низких частотах изоляторы часто считают эквивалентными конденсаторам, т. е. принимается во внимание только способность изолятора запасать в своем объеме электрическую энергию. Быстропеременное же электрическое поле, пронизывая изолятор, вызывает его нагревание, в изоляторе происходит поглощение мощности. Эквивалентная схема изолятора уже не просто конденсатор, а конденсатор со включенным параллельно или последовательно с ним активным сопротивлением.
Эквивалентная схема никогда не отображает истинного токопрохождения в приборе или аппарате. Эквивалентная схема — это такое простейшее сочетание L, R и С, которое дает соотношение токов и напряжений лишь в общих, основных чертах такое, как в изучаемом приборе. Каждая эквивалентная схема верна лишь в узкой области частот токов. Включим наш аппарат в цепь тока с другой частотой, бросим на него электромагнитную волну другой длины — и старая эквивалентная схема окажется негодной. Надо составлять новую эквивалентную схему.
Все, решительно все схемы электротехники суть только эквивалентные схемы. Но как определить область, в которой справедлива та или иная схема? Для инженерных расчетов нельзя довольствоваться такими расплывчатыми критериями, как «более высокая частота», «более низкая». Инженеру необходимы точные цифры.
