При расчетах электрических цепей реальные источники электрической энергии заменяются одной из двух эквивалентных схем.

Первая схема замещения, состоящая из идеального источника ЭДС Ε и внутреннего сопротивления r_вт, была получена в § 1.10.

Для цепи, состоящей из реального источника электрической энергии с постоянными ЭДС E и внутренним сопротивлением r_вт, замкнутого на резистор с сопротивлением r (рис. 1.14), как известно из (1.35), можно написать, что ЭДС

Ε = υ + υ_вт = υ + r_втI.

Поделив правую и левую части уравнения на внутреннее сопротивление r_вт, получим

   (2.30)

где, как и ранее, I_к=E/r_вт, а I₀=U/r_вт.

Уравнению (2.30) отвечает вторая схема замещения источника, показанная на рис. 2.13. Она состоит из идеального источника тока, изображенного кружком с двумя стрелками внутри и буквой I_к рядом, внутреннее сопротивление которого бесконечно велико, и параллельно присоединенного внутреннего сопротивления r_вт источника питания.

Рис 2 13. Схема замещения реального источника тока

Ток короткого замыкания источника I_к, равный частному деления ЭДС источника на внутреннее сопротивление, является характеристикой источника, так как он не зависит от нагрузки (тока I) и сопротивления r. Поэтому источник, ток которого не изменяется и равен I_к, и называют источником тока. Стрелки внутри кружка показывают направление тока источника. Таким образом, вторая возможная схема замещения (рис. 2.13) также состоит из двух элементов: идеального источника тока и сопротивления r_вт, равного внутреннему сопротивлению реального источника питания.

Схемы замещения по рис. 2.13 и 2.14 эквивалентны для приемников, которые можно к ним присоединять, так как при том же сопротивлении r расчет тока I и напряжения U=rI дает одинаковые численные значения. Поэтому внешняя характеристика источника тока по рис. 2.13 такая же, как у источника ЭДС по рис. 1.14, т. е. характеристика рис. 1.16, а общая для обоих источников.

Из уравнения (2.30) также следует, что неизменный тok I_к источника тока складывается из двух составляющих: одна из них представляет собой ток 1 в сопротивлении нагрузки, другая — ток I_о, замыкающий через параллельно присоединенное внутреннее сопротивление источника энергии I_вт-

Рис. 2.14. Обозначение идеального источника тока (а) и его внешняя характеристика (б)

Ток I_к распределяется в параллельных ветвях (рис. 2.13) обратно пропорционально сопротивлениям ветвей r_Вт и r [см. (2.12) и (2.13)]:

Если внутреннее сопротивление источника r_Вт много больше сопротивления приемника r, т. е. ток I много больше тока I_о, то последним можно пренебречь и считать, что

                                         (2.31)

В этом случае и получается только идеальный источник тока, так как в схеме замещения отпадает ветвь с сопротивлением r_вт (рис. 2.14, a). Ток идеального источника тока не зависит от сопротивления нагрузки и остается равным I_к. Внешняя характеристика идеального источника тока показана на рис. 2 14,б. В этом случае при изменяющейся нагрузке напряжение приемника изменяется пропорционально сопротивлению приемника, так как по закону Ома U = rI_K, а ток равен постоянной величине I_к.

Рассмотренные схемы замещения с источником ЭДС и с источником тока, эквивалентные для внешних участков цепи (одинаковы внешние характеристики и режимы приемников), не эквивалентны в отношении мощности потерь внутри источника.

Для схемы с источником ЭДС мощность потерь r_втI²=r_вт(U²/r² ), для схемы с источником тока мощность потерь r_ВтI^2=r_вт(U2/r²). Они очевидно, не равны друг другу, поэтому замена одной из схем замещения другой допустима только для участков цепи, находящихся вне источников.

Источники ЭДС и тока имеют два внешних вывода (а и б), т.е. это двухполюсники (см. § 2.1), но не пассивные, а активные (рис. 2.15). Следует обратить внимание на различие в выборе направлений токов у пассивных (рис. 2.3) и активных А (рис. 2.13—2.15) двухполюсников.

Рис 2 15. Активный двухполюсник

Активным двухполюсником, является любая часть электрической цепи с двумя выводами (а и б), к которым могут присоединяться другие участки цепи, если она содержит источники питания. Зависимость U (I) активного двухполюсника, как и для источника ЭДС, называется его внешней характеристикой (рис. 1.16,а). Поэтому для расчета режимов участков, присоединяемых к активному двухполюснику, последний можно заменить источником с ЭДС, равной напряжению холостого хода Ε =U_x, и внутренним сопротивлением r_BT=U_k/I_K (или источником тока).