2. Источники электрической энергии

Одной из основных характеристик источников электрической энергии является Э.Д.С. Количественно Э.Д.С. характеризуется работой А, которая совершается сторонними силами при перемещении заряда в один Кулон в пределах источника

. (1.1)

Графически Э.Д.С. изображают стрелкой в кружке. Направление стрелки совпадает с направлением сторонних сил. Перемещение заряда определяет ток источника. Прохождение тока сопровождается потерями на нагрев источника. Количественно потери удобно определять внутренним сопротивлением R_вн. Поэтому условное графическое обозначение источника Э.Д.С. представляет последовательное включение Э.Д.С. Е и внутреннего сопротивления R_вн (рис. 1.4).

На рисунке символами 1 – 1′ обозначены зажимы источника. Разность потенциалов на зажимах источника называется напряжением U[B]. Стрелками показаны положительные направления тока и напряжения. Когда ключ К разомкнут, ток в цепи равен нулю и напряжение на зажимах источника равно Э.Д.С. Замкнем ключ К. В цепи возникнет ток

. (1.2)

При этом напряжение на зажимах источника станет равным

, (1.3)

где U = I·R – падение напряжения.

Зависимость напряжения U на зажимах источника от тока I изображена на рис. 1.5, а. С увеличением тока напряжение на зажимах источника уменьшается. ВАХ источника Э.Д.С. представляет прямую линию, наклоненную к оси токов под углом , причем

  arctg Rвн.

Если у источника Э.Д.С. R_вн = 0, то его ВАХ имеет вид прямой, параллельной оси токов (рис. 1.5, б). Такой источник называют идеальным. Напряжение на зажимах такого источника не зависит от тока.

Если у некоторого источника увеличивать Е и R_вн до бесконечности, то его ВАХ примет вид рис. 1.5, в. Такой источник питания называют источником тока. Ток такого источника I_T определяется отношением

(1.4)

и не зависит от сопротивления нагрузки, так как Rвн  Rн. Реальный источник тока имеет конечные значения Е и R_вн, а его условное графическое обозначение приведено на рис. 1.5, г.

При расчете электрических цепей реальный источник электрической энергии с конечными значениями Е и R_вн заменяют источником Э.Д.С. или источником тока (рис. 1.6 а, б). Ток в нагрузке R_н одинаков и равен

.

Для схемы рис. 1.6, а это очевидно и следует из того, что R_вн и R_н включены последовательно. Для схемы цепи по рис. 1.6, б известно, что ток I_T = Е/R_вн распределяется обратно пропорционально параллельно включенным R_вн и R_н, т.е.:

= .

Каким из двух источников воспользоваться, выбирает инженер.

Пример.

В схеме рис.1.6, а источник Э.Д.С. имеет параметры Е = 100В, R_вн =

2 Ом. Определить параметры эквивалентного источника тока в схеме рис. 1.6, б.

Решение:

.

Следовательно, параметры эквивалентной схемы рис. 1.6, б имеют значение:

I_T = 50А; R_вн = 2 Ом.

Источники питания могут иметь постоянную Э.Д.С. - Е или переменную е(t), изменяющуюся во времени по заданному закону. В первом случае в цепи протекает постоянный ток, и она называется цепью постоянного тока. Во втором случае ток i(t) и напряжение u(t) переменные, поэтому цепь называется цепью переменного тока. В электротехнике чаще других применяются синусоидальные ток и напряжение.