Но не только требование малого волнового коэффициента
должно быть удовлетворено для каждого элемента эквивалентной схемы, чтобы обеспечить ее точность.
— условие необходимое, но недостаточное.
И при длинных волнах, при низких частотах схемы точечной электротехники могут стать неверными. Эти схемы требуют резкого разграничения материалов, из которых составлена электротехническая конструкция, на два класса: на изоляторы и на проводники. Токи в конструкции должны проходить лишь по тем линиям, которые соединяют отдельные элементы в схеме. Комбинация меди в качестве проводникового материала и воздуха, масел, фарфора, бумаги, эбонита и т. п. — в качестве изоляции вполне удовлетворяет этим требованиям. Но в электротехнике известно и множество других конструкций. Существуют системы, в которых нет резкой границы между проводниками и изоляторами, где токи не образуют резко очерченных рек, а расплываются по всему объему.
Примером служит железнодорожная автоблокировка. По рельсам пускают ток (могут быть применены как постоянный, так и переменный токи). Рельсовая линия делится на отдельные изолированные один от другого участки (блок-участки). С одного конца каждого участка включается источник тока, с другого — реле. Поезд, наезжая на участок, замыкает своими скатами рельсы накоротко и лишает реле питания. Загорается красный сигнал — участок занят. Уйдет состав — прекратится короткое замыкание, реле снова притянет свой якорь, и вспыхнет зеленый сигнал, путь свободен.
Рельсы лежат на шпалах, окруженных балластом. Это плохая изоляция, особенно в дождливую погоду. Между рельсами происходит утечка тока. Ток утечки рассредоточен по всему пространству. Но эквивалентную схему рельсового пути иногда представляют в виде цепочки последовательно и параллельно соединенных сопротивлений. Чем больше количество этих сопротивлений, тем ближе к действительности эквивалентная схема.
С расплывающимися по объему токами приходится иметь дело во всех заземлениях. Заземление — это хорошо проводящие электроды, погруженные в массу грунта. Множество методов расчета предложено для того, чтобы привести эти пространственные системы к одному единственному эквивалентному «сопротивлению заземления».
Существуют таблицы, в которых приведены цифры эквивалентных сопротивлений заземлений для цепочек и букетов из железных труб при разном числе их и разных удалениях одна от другой, в различных почвах, при различных атмосферных условиях.
К объемным токам относятся и биотоки в живых организмах. Волновой коэффициент для этих токов всегда мал. Но эквивалентные схемы, достаточно полноценные для этих токов, мы все равно не в состоянии составить. Разница между «проводниковыми» и «изоляционными» материалами в живом организме невелика. Токи сопровождаются химическими процессами. Или, быть может, вернее будет выразиться иначе — биотоки суть только сопровождение химических волн, распространяющихся в нервах и других тканях. Для полноценного отображения этих явлений нет еще адекватного языка.
1-20. Решение задачи о кубическом каркасе
Трудная задача — составить из точечных элементов эквивалентную схему сложного явления пространственной электротехники. Всегда имеется множество решений одной и той же задачи.
Но зато, когда сетка сопротивлений задана, она однозначно может быть замещена одним эквивалентным сопротивлением.
Перед тем как перейти к некоторым типичным схемам замещения, приведем решение задачи о кубическом каркасе. Он является симметричной конструкцией, и это сильно облегчает дело.
Из каждой вершины Ο1 и О2 для тока имеется три пути, и в силу симметрии токи в каждом из этих путей равны между собой. Между точкой Ох и каждой из точек А1, А2, А3 имеется одна и та же разность напряжений. Если точки А1, А2, А3 соединить накоротко между собой, то в схеме ничего не изменится.
Точно так же можно соединить между собой и точки В1, В2, В3. Поэтому можно заменить кубический каркас схемой, представленной на рис. 1-27. Точки, соответствующие ребрам куба, помечены на этой схеме теми же буквами, что и на рис. 1-25.
От Ο1 до А имеется три параллельно включенных сопротивления по 1 Ом каждое, и, следовательно, полное сопротивление от до А будет 1/3 Ом.
Рис. 1-27. Эквивалентная схема кубического каркаса рис. 1-25.
Таково же будет сопротивление от О2 до В. Между А и В включено параллельно шесть сопротивлений. Следовательно, между А и В — 1/6 Ом.
Полное сопротивление кубического каркаса между точками Ο1 и О2 будет 5/6 Ом.
1-21. Замечательное Т
Три соединенных в виде буквы Т сопротивления — могущественное электрическое обобщение. Эта эквивалентная схема отображает основные черты процесса передачи электромагнитной энергии в любом, решительно в любом электрическом (а пожалуй, и не только электрическом *) устройстве.
Трансформатор, повышающий или понижающий напряжение, электродвигатель, который превращает электрическую энергию в механическую, многокилометровая воздушная или кабельная линия, электромагнитный луч между антеннами двух далеко одна от другой отстоящих радиостанций — все они могут быть отображены эквивалентной Т-образной схемой.
Это всеобщая эквивалентная схема. Для токов разной частоты в разных устройствах — разные и условия передачи энергии. В эквивалентной схеме это отображается разной величиной входящих в ее состав сопротивлений. Но структура этой схемы одна и та же для токов всех частот, всех сил и напряжений.
* Можно представить водяную аналогию этой Т-образной схемы замещения. С одной стороны, насос качает воду. Трубы плеча Т имеют сопротивление. И еще имеется шунтирующая рубаножка, по которой происходит утечка воды.
Рис. 1-28. Эквивалентная схема «слаботочного» канала передачи электроэнергии.
Сопротивление связи меньше сопротивления потерь в цепи. Потери энергии при передаче больше, нежели полезная энергия, получаемая на приемном пункте.
Эквивалентная схема позволяет выбрать наилучшие условия передачи энергии, согласовать канал передачи с данными производителя и потребителя электроэнергии.
Сопротивление, которое составляет ножку Т (рис. 1-28), — это сопротивление связи. Его можно еще назвать сопротивлением утечки. Плечи буквы Т — сопротивления первичной (передающей) цепи и вторичной (принимающей) цепи. Для упрощения расчетов стремятся сделать симметричное Т — с равными плечами. Но плечи вообще могут быть и неравны.
Действие канала передачи зависит от соотношения его плеч и ножки в эквивалентной Т-схеме. Чем выше сопротивление связи, сопротивление утечки по сравнению с сопротивлениями первичного и вторичного контуров, тем с меньшими потерями происходит передача энергии. Если же, наоборот, сопротивление связи мало по сравнению с сопротивлениями плеч, то мал и к. п. д. передачи.
Три сопротивления, составляющих эквивалентную схему, могут быть разной природы. Все три могут быть чисто активными сопротивлениями, т. е. такими, в которых происходит только поглощение электрической энергии, а запасание и обратная отдача ее не имеют места.
Рис. 1-29. Схема замещения типичного «сильноточного» канала передачи электроэнергии.
Сопротивление связи больше сопротивления потерь в цепи. Полезная мощность на приемном пункте больше, чем потери при передаче.
Такими схемами, составленными из трех чисто активных сопротивлений, замещают устройства постоянного тока (рис. 1-29), например, рельсовые цепи автоблокировки на постоянном токе (такая применяется в Советском Союзе на всех неэлектрифицированных железных дорогах), о которых уже была раньше речь.
Конденсаторы и катушки — это реактивные сопротивления. Правильнее было бы называть их не сопротивлениями, а складами электромагнитной энергии. В конденсаторах может накапливаться электрическая энергия, в катушках — магнитная. Существуют эквивалентные схемы из чисто реактивных сопротивлений. Так, например, изображают ячейки фильтров, о которых мы еще будем говорить подробнее.
Часто эквивалентная Т-схема составляется из комплексных сопротивлений, т. е. являющихся одновременно и активными и реактивными. В плечах и ножке этой схемы происходит не только потребление энергии, но также и ее накопление и обратная отдача.
1-22. П вместо Т
Из трех сопротивлений можно составить не только Т-образную, но и П-образную схему замещения. Дело вкуса расчетчика — какую схему замещения выбрать. В П-образной схеме две утечки.
Рис. 1-30. П-образная схема замещения.
Одна включается у генератора, другая у потребителя. Одно сопротивление включается последовательно в линию. Относительно П-образной схемы можно повторить все, что говорилось о Т-образной (рис. 1-30).
Для сильноточного канала эквивалентное П имеет малую перекладину и длинные ноги. Связисты-слаботочники, наоборот, мирятся и с таким П, у которого ноги короткие, а перекладина длинная.
Иногда идут на еще большее упрощение схемы замещения. Составляют ее всего из двух сопротивлений. У Т отрывают одно из плеч или у П одну из ножек. Получается Г-образная схема замещения.
