Электрическая цепь с двумя источниками

Электрическая цепь может содержать несколько источников или приемников электроэнергии. Такие цепи называются сложными, для расчетов основных величин в таких цепях применяют специальные методы.

На рисунке 1 приведена схема с двумя источниками ЭДС: E₁ и E₂. Источники имеют внутренние сопротивления r₁ и r₂. Нагрузка условно обозначена резистором с сопротивлением R. Так как в цепи отсутствуют разветвления, то ток во всех ветвях будет одинаков и равен I

Для расчета сложных электрических цепей наряду с законом Ома применяются два закона Кирхгофа.

Одним из наиболее простых способов расчета цепи с двумя источниками ЭДС является метод наложения токов. Данный метод основан на аддитивном свойстве токов, согласно которому ток в цепи равен алгебраической сумме токов, создаваемых каждым источником питания независимо друг от друга. Это правило применимо для расчета любой линейной цепи (то есть цепи, в которой сопротивления всех участков постоянны).

Пусть в электрической цепи действует только один источник ЭДС E₁, тогда ток в цепи будет равен

Теперь положим обратную ситуацию: в электрической цепи действует только один источник ЭДС E₂, а источник E₁ присутствует, но не производит ток. Тогда ток в цепи будет равен

Два источника ЭДС в цепи направлены встречно, следовательно, суммарный ток I будет равен разности токов I₁ и I₂

Из свойства аддитивности токов можно сделать немаловажный вывод: если ЭДС E₁ и E₂ имеют встречное направление, и равны, то ток в цепи будет равен нулю

I = I₁ — I₂ = 0.

Если значения E₁ и E₂ различны, то в цепи возникает ток, направление которого совпадает с током, создаваемой «большим» ЭДС. Иными словами, если E₁ > E₂, то направление тока совпадает с ЭДС E₁, если E₁ < E₂, то направление тока будет противоположным. На рисунке 1 выбранное направление тока соответствует первой ситуации (E₁ > E₂).

Электродвижущая сила E₂, направленная в противоположную току I сторону, называется встречной или противо-ЭДС.

Рассмотрим процессы и запишем основные зависимости, которые соответствуют каждому из участков цепи.

На участке ab имеется сопротивление источника ЭДС r₁, а действие самого источника совпадает с направлением тока I. Следовательно указанный источник работает в режиме генератора (источника энергии). Таким образом, ЭДС источника равна сумме напряжения на его выводах и внутреннего падения напряжения

E₁ = U_ab + U_r1 = U_ab + I ⋅  r₁.

Согласно записанному выше выражению,

Иными словами, напряжение на выводах источника, отдающего энергию в цепь, равно разности ЭДС источника и внутреннего падения напряжения.

Согласно закону Ома, на участке bc падение напряжения равно

U_bc = I ⋅ R.

Кроме того, следует отметить, что на участке bc электрическая энергия преобразуется в тепловую, при этом происходит выделение мощности, равной

P_bc = I² ⋅ R.

На последнем рассматриваемом участке ca источник ЭДС E₂ действует против направления тока I. Источник имеет сопротивление r₂. На данном участке имеется потеря мощности (нагрев), равная r₂ ⋅ I². Кроме того, источник ЭДС создает собственную мощность E₂⋅ I, направленную на преодоление сил встречной ЭДС. Получается, что источник с противо-ЭДС работает в цепи как потребитель (приемник).

Мощность, выделяемая на участке ca равна

P_ca = E₂ ⋅ I + r₂ ⋅ I².

Cледовательно, напряжение на этом участке равно

На основании записанного выше выражения можно сделать вывод, что напряжение на вывод источника, работающего в режиме противо-ЭДС равно сумме самого ЭДС и внутреннего падения напряжения на нем.