2. Источники напряжения.

Источники электрической энергии могут иметь самую разнообразную природу (аккумуляторы, электрические машины, термоэлементы и т.д.). На схемах источники напряжения изображаются так:

Стрелка внутри символа направляется в сторону действия сторонних сил, стремящихся перемещать заряды в сторону более высокого потенциала.

Очевидно, что напряжение на полюсах такого источника направлено так:

Источники напряжения, как и всякие двухполюсники, могут быть не только генераторами, но и приемниками электроэнергии. Если протекает через источник в направлении действия эдс, т.е. против напряжения, действующего на полюсах источника (от «-» к «+» ), источник вырабатывает электрическую энергию:

Если же действие других источников, включенных в цепь, приводит к тому, что ток течет через данный источник против направления его эдс, источник является приемником электрической энергии:

Такими приемниками являются электродвигатели, аккумуляторы в режиме зарядки и другие устройства, преобразующие электроэнергию не в тепло, а в механическую, химическую и другие виды энергии.

Источники напряжения называются активными элементами электрической цепи, а сопротивления – пассивными элементами.

3. Простейшая цепь постоянного тока.

Простейшая цепь постоянного тока состоит из источника напряжения и сопротивления. В источнике вырабатывается электрическая энергия , которая одновременно потребляется в сопротивлении.

Мощность источника ровна

P_и=EI

Мощность, потребляемая в сопротивлении, равна

Р_с=UI

P_и= Р_с.

Линейное сопротивление подчиняется закону Ома U=IR или I=GU.

Значит,

P_c=UI=I²R=U²/R=U²G=I²/G.

За время t в сопротивлении выделяется энергия

А=Р_сt.

Подставив сюда P_c=I²R, получим формулу, известную под названием закона Джоуля-Ленца:

А=I²Rt

Важно заметить, что линии, представляют собой проводники без сопротивления. Это – идеальные проводники, которых не бывает в действительности. Но и в действительности всегда можно выбрать такие провода, сопротивлением которых можно пренебречь по сравнению с сопротивлением R. То-есть всегда можно сколь угодно близко приблизиться к идеальным проводникам.

Так как идеальные проводники не имеют сопротивления, напряжение на них равно нулю при любом значении тока. Поэтому все полюса элементов цепи, соединенные идеальным проводником, всегда имеют один и тот же потенциал.

4. Реальные источник напряжения.

Р еальные источники напряжения отличаются от идеальных наличаем внутреннего сопротивления R_c:

Пусть источник работает в режиме генератора электрической энергии, т.е. ток имеет направление, совпадающее с сопротивлением эдс.

Рассмотрим распределение напряжений в таком источнике.

Из рисунка видно, что

U=E-R_вI.

Таким образом, напряжение на зажимах источника зависит от тока:

Этот график называется внешней характеристикой источника.

Его характерные точки лежат на пересечении с осями координат:

При I=0 U=E. Этот режим называется режимом холостого хода. Практически он осуществляется, когда между полюсами источника имеется разрыв цепи.

В этом режиме можно измерить напряжение между полюсами, которое равно эдс, т.е. измерить эдс.

При U=0 I=I_k. Этот режим называется режимом короткого замыкания. Такой режим осуществляется, если соединить полюсы источника проводником, не имеющим сопротивления. Тогда в цепи будет протекать ток

I _k=E/R_в.

Измерив этот ток и разделив на него величину Е, мы получим значение R_в:

R_в=Е/I_k.

Таким образом, два измерения позволяют определить его внешнюю характеристику.

Рассмотрение режима короткого замыкания идеального источника напряжения показывает, что такой источник неосуществим. Действительно, в этом режиме сопротивление цепи равно нулю, а напряжение между полюсами равно Е. По закону Ома

Е=RI_k,

Откуда I_k равно бесконечности, что невозможно.

В режиме потребления энергии ток протекает против направления эдс:

U=E+R_вI.

Напряжение на полюсах больше величины эдс.

Источник напряжения, работающий в режиме выработки электрической энергии, часто называют генератором электрической энергии.

Рассмотрим вопрос о мощности генератора с внутренним сопротивлением. Для этого выражение

U=E-R_вI

умножим на I:

UI=EI-R_вI²

Здесь: UI – мощность, поступающая из генератора во внешнюю цепь. EI – мощность, преобразуемая в генераторе в электрическую мощность, а R_вI² – мощность, которая переходит в генераторе в тепло, т.е. теряется в нем . Таким образом, генератор выдает во внешнюю электрическую цепь не всю мощность, получаемую им, а лишь ее часть, за вычетом потерь.

Коэффициентом полезного действия генератора называют отношение

Как было показано выше, ток короткого замыкания идеального источника напряжения равен бесконечности (см. его внешнюю характеристику). Так как при этом U=E, то мощность p=UI бесконечно велика. Поэтому идеальный источник напряжения часто называют генератором бесконечной мощности.