Как правильно строить потенциальные диаграммы

Потенциальной диаграммой (ПД) называют график, демонстрирующий распределение электропотенциала вдоль некоторого участка электроцепи. ПД строится в декартовых координатах. По оси абсцисс в необходимом масштабе обозначаются электросопротивления, присутствующие в контуре. Ось ординат служит для откладывания электропотенциалов выбранных точек. ПД даёт возможность получить информацию о разности электропотенциалов, то есть электронапряжении между произвольными точками электрической схемы.

Что такое потенциал

Заряженные частицы в электрическом поле приобретают дополнительную, потенциальную энергию W. В результате многочисленных экспериментов было доказано, что эта энергия прямо пропорциональна величине заряда q. Величина, равная частному от деления W на q, называется потенциалом. На рисунке ниже представлены  основные формулы, показывающие связь потенциальной энергии W, работы A, совершённой электрическим полем, и зарядом q.

Поскольку электрическое поле является потенциальным, то работа, совершаемая им, не зависит от формы траектории (пути). Поэтому для практического применения важнее понятие разности потенциалов, которое называют напряжением U.

Как построить потенциальную диаграмму

На рисунке ниже показан пример ПД для внешнего контура из нескольких резисторов.

Чтобы построить потенциальную диаграмму, необходимо использовать следующий алгоритм:

1. Выбирается замкнутый контур.
2. В контуре выделяются участки, где находится либо нагрузка, либо источник тока.
3. Потребитель энергии (нагрузка) обозначается на схеме в виде резистора, имеющего конкретное значение сопротивления R_н.
4. При наличии в цепи источника напряжения (или источника постоянного тока) разность потенциалов на его концах будет равна электродвижущей силе (ЭДС).
5. Точки раздела между участками маркируют либо с помощью цифр, либо букв.
6. Одна из точек (любая) «заземляется», то есть ей присваивается электропотенциал равный нулю. Это начальная точка отсчёта всей диаграммы.
7. От начальной точки следует перемещаться по контуру по ходу стрелки часов.
8. Электропотенциал точки равен сумме электропотенциала предыдущей точки и изменения электропотенциала между данными ближайшими точками.
9. На участках, потребляющих электроэнергию, разность электропотенциалов равна падению электронапряжения на R_н. С каким знаком (плюс или минус) будет эта разность, зависит от направления, протекающего на данном участке электротока. Если направление обхода совпадает с направленностью тока, то разность потенциалов берётся с плюсом. Если же направления противоположны, то с минусом.
10. После определения электропотенциалов всего набора точек в декартовой системе координат строят ПД. Ось абсцисс служит для нанесения в определенном масштабе значений электросопротивлений (Ом, кОм). Последовательность нанесения должна соответствовать очерёдности, в которой они обозначались при обходе контуров. Ось ординат служит для выбора значений электропотенциалов (вольты).
11. ПД «стартует» от нулевого электропотенциала и после полного обхода контура приходит в ту же точку.

На рисунке ниже представлена потенциальная диаграмма замкнутой электрической цепи.

Построение ПД онлайн

В интернете есть сайты, ориентированные на специалистов по электротехнике. На данных ресурсах предлагается (зачастую бесплатно) воспользоваться услугами программного обеспечения, с помощью которого может быть рассчитана потенциальная диаграмма онлайн. Ядром таких программ является графический редактор с библиотекой элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей, источников электротока).

Чтобы попрактиковаться можно перейти по ссылке: https://clck.ru/ue7zB, там можно начертить свою схему и автоматически её рассчитать.

Чтобы воспользоваться таким приложением, достаточно выполнить следующие шаги:

1. «Нарисовать» свою электросхему с помощью библиотеки, встроенной в графический редактор.
2. Ввести величины электросопротивлений, ЭДС (или данные источников постоянного электротока).
3. Обозначить выбранные контуры.
4. Выбрать в меню программы режим, предусматривающий построение потенциальной диаграммы.
5. Кликнуть кнопку «Выполнить расчёт».
6. Получить на экране монитора или распечатать бумажную версию ПД.

Заключение

Потенциальная электрическая диаграмма позволяет получать полезную информацию о любой точке цепи, находить точки с одинаковым потенциалом (эквипотенциальные), определять напряжение между выбранными точками в схеме. Построение ПД может быть очень полезно при проектировании электрического оборудования, имеющего элементы между которыми присутствует значительная разница потенциалов. Для предотвращения электрического пробоя такие элементы необходимо размещать подальше друг от друга.

Видео по теме