Чему равно напряжение на зажимах источника. Режимы работы электрической цепи

Напряжение на зажимах источника электрической энергии равно разности потенциалов, которую создает ЭДС, разделяя за­ряды внутри источника.

Из Закона Ома для полной цепи следует:

I н = Е/(R 1 + Ro ) или Е= I н R 1 + I н Ro )

где I н R 1 =U напряжение источника, приложенное к внешнему уча­стку цепи, следовательно,

Е= U + I н Ro (2. 24)

из выражения (2. 24) следует:

U = Е - I н Ro (2. 25)

Так как ЭДС источника электрической энергии по условию по­стоянна (Е = const ), и внутреннее сопротивление его также по­стоянно. (Ro = const ), то, как это видно из выражения, между на­пряжением U и током I н существует линейная зависимость. Это значит, что график зависимости напряжения U от тока I н изобра­жается прямой линией.

Для построения этого графика необходимо определить какие-либо две его точки, так как по двум точкам всегда можно построить прямую

линию. В данном случае для определения этих двух точек графика мы воспользуемся

режимами холостого хода и короткого замыкания.

А. При холостом ходе:

I н кз = 0, следовательно, из выражения (2. 25) получим:

Uxx = Е - Ixx Ro Е -0 Ro = Е т. е. Uxx = Е

Ø Вывод: напряжение на зажимах источника электрической энергии при холостом ходе равно электродвижущей силе этого источника.

Б. При коротком замыкании:

I н кз = Е/(R 1 кз+ Ro), так как R 1 кз=0,

Ø Вывод: сопротивление внешнего участка цепи при коротком замыкании равно нулю R 1 кз=0

I н кз = Е/(0+ Ro), I н кз = Е/ Ro)= max

Ø Вывод: сила токав цепи при коротком замыкании в цепи равно нулю I н кз = max.

из выражения (2. 25) вычислим напряжение источника:

Uкз = Е - I н кз Ro=Е- (Е/Ro) Ro = Е- Е= 0

Ø Вывод: напряжение на зажимах источника электрической энергии при коротком замыкании в цепи равно нулю Uкз=0

U.B

Е=Uхх

Е

I Н R 0 (падение напряжения на внутреннем

участке цепи)

I Н R 1 (падение

напряжения на внешнем

участке цепи)

0 Iкз I Н, А

рисунок 2.9.

На рисунке 2.9. изображен график зависимости U=f(I н).

Угол β характеризует степень наклона прямой (графика) к оси абсцисс (I н), то есть характеризует быстроту падения напряжения с ростом тока нагрузки.

Величину угла β можно определить из треугольника

0 Uхх I н кз по его тангенсу.

tg β = Uхх/ I н кз= Е/(Е/ Ro)Ro= Ro

tg β- характеризует внутренне сопротивление источника электрической энергии.

Ø Вывод: чем больше tg β, тем больше внутреннее сопротивление источника, больше угол β и следовательно быстрее уменьшается напряжение U на зажимах источника электрической энергии при увеличении тока нагрузки I н

Ø Вывод: чем меньше внутреннее сопротивление Ro источника электрической энергии, тем напряжение на зажимах источника меньше зависит от величины тока протекающего по цепи, т.е. тока нагрузки I н .

2. 9, 2. Полная мощность источника электрической энергии.

Ø Полной мощностью источника электрической энергии называют мощность, которую он развивает во всей цепи, т. е. как во внутренней, так и во внешней цепи.

Рассмотрим зависимость полной мощности, развиваемой источником электрической энергии от тока нагрузки Р п = f(I н)

Полная мощность, развиваемая источником электрической энергии в цепи, определяется следующей формулой:

Р п = Е I н (2. 26)

Р п – полная мощность, вт

Е - электродвижущая сила, В

I н - ток нагрузки, А

Будем считать, что ЭДС источника электрической энергии по­стоянна (Е = const) по величине, т. е. между полной мощностью Р п и током нагрузки Iн существует прямая пропорциональная (ли­нейная) зависимость. Следовательно, для построения графика зависимости

полной мощности Р п от тока нагрузки I н необходимо определить две точки графика.

Для этой цели опять воспользуемся режимами холостого хода и короткого замыкания источника электрической энергии.

А. При холостом ходе :

I н xx = 0 , т. е. Р п хх = EI н xx = Е 0 = 0 Р п хх = 0 (2. 27)

· Вывод: полная мощность источника электрической энергии при холостом ходе равна нулю. Р п хх = 0

Б. При коротком замыкании:

I н кз= Е/ Ro = max, т.е. Р п кз= Е I н кз= Е* Е/ Ro= Е 2 /Ro

Р п кз= Е 2 /Ro=max (2.28)

· Вывод: при коротком замыкании полная мощность, развивае­мая источником электрической энергии, максимальна Р п кз = max.

2.9.3. Полезная мощность источника электрической энергии

Ø Полезной мощностью источника электрической энергии называется мощность, развиваемая им на внешнем участке цепи (во внешнем сопротивлении R 1 ).

Полезная мощность источника электрической энергии определяется формулой:

Р = U I н (2. 29)

Р - полезная мощность, Вт;

U - напряжение на зажимах источника электрической энергии, В

I н - ток нагрузки, А.

как известно, U = E - IR o .

Умножим обе части уравнения величину тока, протекающего по цепи, получим

UI н = I н (E - I н Ro) = ЕI н - I н R o (2.30)

ЕI н – полная мощность, Вт;

UI н - полезная мощность, Вт;

I н R o - мощность потерь, бесполезно расходуемая в источнике.

Ø Вывод: полезная мощность Р равна разности между полной мощностью Р п = ЕI и мощностью потерь внутри источника электрической энергии Р о = I н 2 R o .

Из формулы (2. 30) видно, что зависимость полезной мощности от тока нагрузки сложная и выражается она графически кривой, называемой параболой.

Для построения графика зависимости Р= f (I н) определим три характерные точки этой кривой, соответствующие режиму холостого хода, короткого замыкания и максимальной полезной мощности.

а) При холостом ходе:

1хх = 0; Рхх = Е Ixx - I 2 хх Ro = Е 0 - 0 Ro, т. е. Рхх = О

Ø Вывод: полезная мощность при холостом ходе равна нолю Рхх = О

б) При коротком замыкании : I н кз= max

I н кз= Е/ Ro = max,

т.е. Ркз= Е I н кз- I н кз Ro= Е* Е/ Ro- Е 2 /Ro = 0

Ркз= 0

Ø Вывод: полезная мощность при коротком замыкании равна нулю Ркз= 0

Измерения показывают, что напряжение на зажимах источника тока, замкнутого на внешнюю цепь, зависит от силы отбираемого тока (от «нагрузки») и изменяется с изменением последнего. Пользуясь законом Ома, мы можем сейчас разобрать этот вопрос точнее.

Из формулы (80.1) имеем

где – сопротивление внешней цепи, а – внутреннее сопротивление источника. Но к внешней цепи мы вправе применить закон Ома для участка цепи:

Здесь – напряжение во внешней цепи, т. е. разность потенциалов на зажимах источника. Оно может быть выражено на основании (81.1), (81.2) следующей формулой:

Мы видим, что при замкнутой цепи напряжение на зажимах источника тока всегда меньше э. д. с. . Напряжение зависит от силы тока и только в предельном случае разомкнутой цепи, когда сила тока , напряжение на зажимах равно э. д. с.

Уменьшение напряжения на зажимах источника при наличии тока легко наблюдать на опыте. Для этого нужно замкнуть какой-либо гальванический элемент на реостат и подключить к зажимам элемента вольтметр (рис. 127). Перемещая движок реостата, можно видеть, что чем меньше сопротивление внешней цепи, т. е. чем больше ток, тем меньше напряжение на зажимах источника. Если сопротивление внешней цепи сделать очень малым по сравнению с внутренним сопротивлением источника («вывести» реостат), т. е. сделать «короткое замыкание», то напряжение на зажимах делается равным нулю.

Рис. 127. С уменьшением сопротивления внешней цепи напряжение на зажимах источника тока уменьшается: а) схема опыта; б) общий вид экспериментальной установки, 1 – источник тока, 2 – реостат, 3 – амперметр, 4 – вольтметр

Что же касается тока, то он при коротком замыкании достигает своего максимального значения . Сила этого «тока короткого замыкания» получается из закона Ома (80.1), если в нем положить (т. е. пренебречь сопротивлением по сравнению с ):

Отсюда видно, что ток короткого замыкания зависит не только от э. д. с., но также и от внутреннего сопротивления источника. Поэтому короткое замыкание представляет различную опасность для разных источников тока.

Короткие замыкания гальванического элемента сравнительно безвредны, так как при небольшой э. д. с. элементов их внутреннее сопротивление велико, и поэтому токи короткого замыкания малы. Такие токи не могут вызвать серьезные разрушения, и поэтому к изоляции проводов в целях, питаемых элементами (звонки, телефоны и т. п.), не предъявляют особо высоких требований. Иное дело силовые или осветительные цепи, питаемые мощными генераторами. При значительной э. д. с. (100 и более вольт) внутреннее сопротивление этих источников ничтожно мало, и поэтому ток короткого замыкания может достигнуть огромной силы. В этом случае короткое замыкание может привести к расплавлению проводов, вызвать пожар и т. д. Поэтому к устройству и изоляции таких цепей предъявляют строгие технические требования, которые ни в коем случае нельзя нарушать без риска вызвать опасные последствия. Такие цепи всегда снабжаются предохранителями (§ 63) и притом нередко в различных местах: общий предохранитель (при главном вводе), групповые и штепсельные предохранители.

81.1. Внутреннее сопротивление элемента Даниеля с э. д.с. 1,1 В равно 0,5 Ом. Вычислите ток короткого замыкания этого элемента.

81.2. Элемент из предыдущей задачи замкнут на сопротивление 0,6 Ом. Чему равно напряжение на зажимах элемента?

81.3. Э. д. с. генератора постоянного тока равна 220 В, а внутреннее сопротивление равно 0,02 Ом. Какой ток возникает при коротком замыкании?

81.4. При измерении э. д. с. источников при помощи вольтметра мы всегда допускаем некоторую погрешность, так как через вольтметр течет некоторый, хотя и очень малый, ток, и поэтому источник, строго говоря, не разомкнут, а замкнут на вольтметр. Пусть внутреннее сопротивление элемента равно 1 Ом, его э. д. с. равна 1,8 В, а сопротивление вольтметра равно 179 Ом. Какую погрешность при измерении э. д. с. мы допускаем?

81.5. Можно ли точно измерить э. д. с. при помощи электрометра? Как нужно присоединить электрометр к элементу для измерения его э. д. с.?

81.6. Изменяется ли показание электрометра, соединенного с гальваническим элементом, если параллельно с ним включить конденсатор, как показано на рис. 128? Будет ли иметь значение емкость конденсатора?

Рис. 128. К упражнению 81.6

81.7. Э. д. с. некоторого элемента измеряют при помощи электрометра с конденсатором (рис. 129,а). Электрометр, отсоединенный от элемента, после снятия диска показывает 500 В (рис. 129,б). При этом известно, что емкость конденсатора при удалении диска уменьшается в 250 раз. Чему равно напряжение элемента?

Рис. 129. К упражнению 81.7

Внешняя характеристика источника ЭДСВнешняя 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 внутреннем сопротивлении источника (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. 3Когда 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 источникаИсточник 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 = I2R. 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.