Источник электрической энергии эдс источника тока. Внешняя характеристика источника эдс

Внешняя характеристика отражает зависимость напряжения на зажимах источника от величины нагрузки - тока источника, заданного нагрузкой. Напряжение на зажимах источника меньше ЭДС на величину падения напряжения на (1):

Этому уравнению соответствует внешняя характеристика источника ЭДС (рис. 1). построенная по двум точкам:

1) при I=0 E=U;

2) при U=0 E=R0I .

Очевидно, что напряжение на зажимах источника ЭДС тем больше, чем меньше его внутреннее сопротивление.

В идеальном источнике ЭДС R0=0, U=E (напряжение не зависит от величины нагрузки). Однако не всегда при анализе и расчете цепи источник электрической энергии удобно представлять в качестве источника ЭДС. Если внутреннее сопротивление источника значительно превышает внешнее сопротивление цепи, что, например, имеет место в электронике, то получим, что ток в цепи I=U/(R+R0) и при R0>>R практически не зависит от сопротивления нагрузки. В этом случае источник энергии представляют в качестве источника тока.

Рис.1.

Разделим уравнение (1) на R0 (2):

Уравнению (2) соответствует схема замещения, приведенная на рис. 2. Здесь Iв=U/R0 и Ik=E/R0, I= Ik - Iв тогда (3)

Для идеального источника тока Rс = ∞. Вольтамперные характеристики реального и идеального источников тока показаны на рис. 3.

Рис. 2

Рис. 3

Когда нет четкого разграничения величин R и R0 , в качестве расчетного эквивалента источника энергии можно использовать либо источник ЭДС, либо источник тока. В последнем, случае для определения падения напряжения используют выражение (3).

Режимы работы источника

Источник может работать в следующих режимах:

1. Номинальный режим - это режим работы, на который рассчитан источник заводом-изготовителем. Для данного режима в паспорте источника указывают номинальные ток Iном и номинальное напряжение Uном или мощность Pном.

2. Режим холостого хода. В этом режиме внешняя цепь отключена от источника, ток источника I = 0 и, следовательно, напряжение на зажимах источника - напряжение холостого хода Uхх = Е - см. уравнение (1).

3. Режим короткого замыкания. Сопротивление внешней по отношению к источнику цепи равно нулю. Ток источника ограничивается только его внутренним сопротивлением. Из уравнения (1) при U=0 получаем I = Iкз = U / R0. Для уменьшения потерь энергии в источнике ЭДС R0 должно быть возможно меньшим, а в идеальном источнике R0 = 0. С учетом этого Iкз >> Iном и является недопустимым для источника.

4. Согласованный режим - это режим, при котором от источника к потребителю передается максимальная мощность. Определить эту мощность можно через параметры источника. Так, мощность, переданная в нагрузку, Р = I 2 R. P = Pmax при R = R0. Тогда максимальная мощность, переданная потребителю, Pmax=E2/4R0. КПД источника в согласованном режиме не превышает 50 %. что исключает его применение в промышленной электротехнике. Согласованный режим используется в слаботочных цепях электронных устройств.

Электродвижущей силой источника (ЭДС) называется скалярная величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единицы положительного заряда; ЭДС источника числено равна разности потенциалов на концах разомкнутого элемента (без нарузки ). Электродвижущая сила измеряется в тех же единицах, что и напряжение. [E] = [W]/[q] = Дж/Кл = В×А×с/А×с = В (вольт). Тогда разность потенциалов (напряжение ) 1 вольта равна 1 джоулю энергии необходимому для перемещения заряда в 1 кулон из одной точки проводника в другую.

ЭДС возникает при диффузии ионов в электролитах, при электромагнитной индукции, при электромагнитной индукции, при освещении светом полупроводниковых элементов и т.д.

Источник электродвижущей силы – это источники электромагнитной энергии, характеризирующейся электродвижущей силой E и внутренним электрическим сопротивлением R вт .

Принципы работы независимого источника ЭДС рассмотрим на примере простейшей цепи, состоящей из этого источника ЭДС и резистивного элемента-приемника с переменным сопротивлением R (сопротивлением проводов пренебрегаем). На схеме замещения источник ЭДС представляют в виде двух элементов: идеального источника ЭДС E , внутреннее сопротивление которого равно нулю, и последовательного соединенного с ним резистора, сопротивление которого R вт .

Электродвижущая сила E численно равна разности потенциалов или напряжению U 12 X между положительным 1 и отрицательным 2 зажимами источника энергии при отсутствии в нем тока (I=0), т.е. в режиме холостого хода (ХХ),

и действует в источнике от зажима с меньшим потенциалом (2) к зажиму с большим потенциалом (1). Направление действия ЭДС указывается в кружочке стрелкой. При подключении к выводам 1 и 2 нагрузки R в замкнутом контуре цепи возникает ток I; при этом напряжение на зажимах 1 и 2 уже не будет равно ЭДС E вследствие падения напряжения на внутреннем сопротивлении R вт источника ЭДС:

Зависимость напряжения на зажимах источника ЭДС от тока в нем носит название внешней характеристики источника, т.е. U 12 = f (I). При увеличении тока от нуля до номинального значения I = I 1 напряжение на зажимах источника ЭДС убывает практически по прямолинейному закону. При дальнейшем увеличении тока (при уменьшении сопротивления R) эта пропорциональность нарушается (кривая 1) при этом величена ЭДС E у некоторых источников уменьшается и возрастает значение внутреннего сопротивления R вт.

При идеализации источника ЭДС (Е=const, R вт =const при любом значении тока I ) внешняя характеристика источника ЭДС U = f (I) будет линейной (кривая 2) и ток короткого замыкания (при R=0 и U = 0) стремиться к значению . Такой режим работы источника ЭДС является аварийным и недопустимым, вследствие значительного возрастания тока (в десятки раз по сравнению с расчетным номинальным током источника), т.к. внутренне сопротивление R вт источников ЭДС обычно мало.

Источник электрической энергии характеризуется ЭДС Е и внутренним сопротивлением . Если через него под действием ЭДС Е протекает ток то напряжение на его зажимах при увеличении уменьшается. Зависимость напряжения U на зажимах реального источника от тока изображена на рис. 2.2, а.

Обозначим через - масштаб по оси U, через - масштаб по оси Тогда для произвольной точки на характеристике рис. 2.2, а Следовательно, пропорционален Рассмотрим два крайних случая.

1. Если у некоторого источника внутреннее сопротивление то ВАХ его будет прямой линией (рис. 2.2, б). Такой характеристикой обладает идеализированный источник питания, называемый источником ЭДС.

Следовательно, источник ЭДС представляет собой такой идеализированный источник питания, напряжение на зажимах которого постоянно (не зависит от тока ) и равно ЭДС Е, а внутреннее сопротивление равно нулю.

2. Если у некоторого источника беспредельно увеличивать ЭДС Е и внутреннее сопротивление RB, то точка с (рис. 2.2, а) отодвигается по оси абсцисс в бесконечность, а угол а стремится к 90 ° (рис. 2.2, в). Такой источник питания называют источником тока.

Следовательно, источник тока представляет собой идеализированный источник питания, который создает ток не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединен, а его ЭДС и внутреннее сопротивление равны бесконечности. Отношение двух бесконечно больших величин равно конечной величине - току J источника тока.

При расчете и анализе электрических цепей реальный источник электрической энергии с конечным значением заменяют расчетным эквивалентом. В качестве эквивалента может быть взят:

а) источник ЭДС Е с последовательно включенным сопротивлением равным внутреннему сопротивлению реального источника (рис. 2.3, а; стрелка в кружке указывает направление возрастания потенциала внутри источника ЭДС);

б) источник тока с током и параллельно с ним включенным сопротивлением (рис. 2.3, б; стрелка в кружке указывает положительное направление тока источника тока).

Ток в нагрузке (в сопротивлении R) для схем рис. 2.3, а, б одинаков: , т. е. равен току в схеме рис. 2.1, а. Для схемы рис. 2.3, а это следует из того, что при последовательном соединении значения сопротивлений R и складываются. В схеме рис. 2.3, б ток распределяется обратно пропорционально значениям сопротивлений R и двух параллельных ветвей. Ток в нагрузке

Каким из двух расчетных эквивалентов пользоваться, совершенно безразлично. В дальнейшем используется в основном первый эквивалент.

Обратим внимание на следующее:

1) источник ЭДС и источниктока - идеализированные источники, физически осуществить которые, строго говоря, невозможно;

2) схема рис. 2.3, б эквивалента схеме рис. 2.3, а в отношении энергии, выделяющейся в сопротивлении нагрузки R, и не эквивалентна ей в отношении энергии, выделяющейся во внутреннем сопротивлении источника питания

3) идеальный источник ЭДС без последовательно соединенного с ним RB нельзя заменить идеальным источником тока.

На примере схемы рис. 2.3 осуществим эквивалентный переход от схемы с источником тока к схеме с источником ЭДС. В схеме рис. 2.3, б источник тока дает ток . Шунтирующее его сопротивление Ом. Найти ЭДС эквивалентного источника ЭДС в схеме рис. 2.3, а.

ЭДС . Следовательно, параметры эквивалентной схемы рис. 2.3, а таковы: .