Сопротивление идеального источника тока. Источники ЭДС и тока в электротехнике: понятия, характеристики, преобразования

alexxlabРазное
Что такое идеальный источник ЭДС и идеальный источник тока. Каковы их основные характеристики и отличия. Как выглядят вольт-амперные характеристики реальных источников. Как преобразовать источник ЭДС в источник тока и наоборот.

Содержание

Понятие идеальных источников электрической энергии

В теории электрических цепей используются понятия идеальных источников электрической энергии:

  • Идеальный источник ЭДС (источник напряжения)
  • Идеальный источник тока

Эти источники обладают следующими ключевыми свойствами:

Идеальный источник ЭДС

Идеальный источник ЭДС представляет собой активный элемент с двумя зажимами, напряжение на которых не зависит от протекающего через источник тока. Основные характеристики:

  • Напряжение на зажимах всегда равно ЭДС источника
  • Внутреннее сопротивление равно нулю
  • Ток через источник может принимать любые значения

Идеальный источник тока

Идеальный источник тока — это активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Ключевые особенности:


  • Ток источника постоянен при любом напряжении на зажимах
  • Внутреннее сопротивление бесконечно велико
  • Напряжение на зажимах может принимать любые значения

Вольт-амперные характеристики идеальных источников

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) наглядно отражают свойства идеальных источников:

ВАХ идеального источника ЭДС

Представляет собой вертикальную прямую линию, параллельную оси токов. Это означает, что напряжение источника остается постоянным при любом токе нагрузки.

ВАХ идеального источника тока

Имеет вид горизонтальной прямой линии, параллельной оси напряжений. Это показывает, что ток источника не меняется при изменении напряжения на его зажимах.

Реальные источники электрической энергии

В действительности любой источник электрической энергии обладает конечным внутренним сопротивлением. Поэтому реальные источники описываются более сложными моделями:

Реальный источник ЭДС

Схема замещения реального источника ЭДС включает:

  • Идеальный источник ЭДС E
  • Последовательно включенное внутреннее сопротивление r0

Напряжение на зажимах реального источника ЭДС определяется выражением:


U = E — I * r0

где I — ток нагрузки.

Реальный источник тока

Схема замещения реального источника тока содержит:

  • Идеальный источник тока J
  • Параллельно включенное внутреннее сопротивление r0

Ток реального источника тока описывается уравнением:

I = J — U / r0

где U — напряжение на зажимах источника.

Вольт-амперные характеристики реальных источников

ВАХ реальных источников электрической энергии отличаются от идеальных:

ВАХ реального источника ЭДС

Представляет собой наклонную прямую линию. При увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах источника уменьшается из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении.

ВАХ реального источника тока

Также имеет вид наклонной прямой. При росте напряжения на зажимах ток источника несколько уменьшается из-за ответвления части тока через внутреннее сопротивление.

Преобразование источников электрической энергии

При анализе электрических цепей часто возникает необходимость преобразования источников ЭДС в источники тока и наоборот. Такое преобразование возможно для источников конечной мощности.


Преобразование источника ЭДС в источник тока

Источник ЭДС с последовательным внутренним сопротивлением может быть заменен эквивалентным источником тока:

  • Ток источника: J = E / r0
  • Внутреннее сопротивление: r0 (не изменяется)

Преобразование источника тока в источник ЭДС

Источник тока с параллельным внутренним сопротивлением может быть заменен эквивалентным источником ЭДС:

  • ЭДС источника: E = J * r
    0
  • Внутреннее сопротивление: r0 (не изменяется)

Такие преобразования позволяют упростить расчет сложных электрических цепей, содержащих различные типы источников.

Режимы работы источников электрической энергии

Источники электрической энергии могут работать в различных режимах в зависимости от параметров нагрузки:

Режим холостого хода

Нагрузка отключена, ток равен нулю. Для источника ЭДС напряжение на зажимах равно ЭДС. Для источника тока напряжение стремится к бесконечности.

Режим короткого замыкания

Зажимы источника замкнуты накоротко. Для источника ЭДС ток максимален и ограничен только внутренним сопротивлением. Для источника тока напряжение равно нулю.


Номинальный режим

Режим, на который рассчитан источник. Обеспечивает оптимальные условия работы с высоким КПД.

Согласованный режим

Режим передачи максимальной мощности в нагрузку. Достигается при равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению источника.

Применение идеальных и реальных моделей источников

Выбор модели источника электрической энергии зависит от решаемой задачи:

  • Идеальные источники применяются для упрощенного анализа цепей
  • Реальные модели используются для более точных расчетов
  • Преобразование источников позволяет оптимизировать методы расчета

Понимание свойств различных типов источников электрической энергии необходимо для эффективного анализа и проектирования электрических цепей.


Идеальный источник тока

  1. Источники напряжения и тока, их свойства, характеристики и схемы замещения. Законы Ома и Кирхгофа.

Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, напряжение на зажимах которого постоянно (не зависит от тока в цепи). Напряжение может быть задано как константа, как функция времени, либо как внешнее управляющее воздействие.

В простейшем случае напряжение определено как константа, то есть напряжение источника ЭДС постоянно.

Реальные источники напряжения

Рисунок 2

Идеальный источник напряжения (источник ЭДС) является физической абстракцией, то есть подобное устройство не может существовать. Если допустить существование такого устройства, то электрический ток I, протекающий через него, стремился бы к бесконечности при подключении нагрузки, сопротивление RH которой стремится к нулю. Но при этом получается, что мощность источника ЭДС также стремится к бесконечности, так как . Но это невозможно, по той причине, что мощность любого источника энергии конечна.

В реальности, любой источник напряжения обладает внутренним сопротивлением r, которое имеет обратную зависимость от мощности источника. То есть, чем больше мощность, тем меньше сопротивление (при заданном неизменном напряжении источника) и наоборот. Наличие внутреннего сопротивления отличает реальный источник напряжения от идеального. Следует отметить, что внутреннее сопротивление — это исключительно конструктивное свойство источника энергии. Эквивалентная схема реального источника напряжения представляет собой последовательное включение источника ЭДС — 

Е (идеального источника напряжения) и внутреннего сопротивления — r.

где

 — падение напряжения на внутреннем сопротивлении;

 — падение напряжения на нагрузке.

При коротком замыкании (), то есть вся мощность источника энергии рассеивается на его внутреннем сопротивлении. В этом случае токбудет максимальным для данного источника ЭДС. Зная напряжение холостого хода и ток короткого замыкания, можно вычислить внутреннее сопротивление источника напряжения:

Исто́чник то́ка (также генератор тока) — двухполюсник, который создаёт ток , не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединён. В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так, более того, обычно используемые в быту источники напряжения по своим характеристикам гораздо ближе к источнику ЭДС, чем к источнику тока.

Свойства:

Напряжение на клеммах идеального источника тока зависит только от сопротивления внешней цепи:

Мощность, отдаваемая источником тока в сеть, равна:

Так как для источника тока , напряжение и мощность, выделяемая им, неограниченно растут при росте сопротивления.

.

Реальный источник тока, так же как и источник ЭДС, в линейном приближении может быть описан таким параметром, как внутреннее сопротивление . Отличие состоит в том, что чем больше внутреннее сопротивление, тем ближе источник тока к идеальному (источник ЭДС, наоборот, чем ближе к идеальному, тем меньше его внутреннее сопротивление). Реальный источник тока с внутренним сопротивлением эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление и ЭДС .

Напряжение на клеммах реального источника тока равно:

Сила тока в цепи равна:

Мощность, отдаваемая реальным источником тока в сеть, равна:

Схемы замещения источников энергии

Простейшая электрическая цепь и ее схема замещения, как указывалось, состоят из одного источника энергии с ЭДС Е и внутренним сопротивлением rвт и одного приемника с сопротивлением r. Ток во внешней по отношению к источнику энергии части цепи, т. е. в приемнике с сопротивлением r, принимается направленным от точки а с большим потенциалом к точке b с меньшим потенциалом . Направление тока будем обозначать на схеме стрелкой с просветом или указывать двумя индексами у буквы I, такими же, как и у соответствующих точек схемы. Так, для схемы рис. 1.3 ток в приемнике I = Iаb, где индексы а и b обозначают направление тока от точки а к точке b. Покажем, что источник энергии с известными ЭДС E и внутренним сопротивлением rвт, может быть представлен двумя основными схемами замещения (эквивалентными схемами). Как уже указывалось, с одной стороны, напряжение на выводах источника энергии меньше ЭДС на падение напряжения внутри источника:   с другой стороны, напряжение на сопротивлении r    Ввиду равенства из (1.5а) и (1.56) получается или    В частности, при холостом ходе (разомкнутых выводах а и b) получается E=Uх, т. е. ЭДС равна напряжению холостого хода.
При коротком замыкании (выводов а и b) ток   

Из (1.7 6) следует, что rвт источника энергии, так же как и сопротивление приемника, ограничивает ток. На схеме замещения можно показать элемент схемы с rвт, соединенным последовательно с элементом, обозначающим ЭДС E (рис. 1.7, а). Напряжение U зависит от тока приемника и равно разности между ЭДС E источника энергии и падением напряжения rвтI (1.6а). Схема источника энергии, показанная на рис. 1.7, а, называется первой схемой замещения или схемой с источником ЭДС. Если rвт<<r и напряжение Uвт<<U, т. е. источник электрической энергии находится в режиме, близком к холостому ходу, то можно практически пренебречь внутренним падением напряжения и принять Uвт = rвт = 0. В этом случае для источника энергии получается более простая эквивалентная схема только с источником ЭДС, у которого в отличие от реального источника исключается режим короткого замыкания (U =0). Такой источник энергии без внутреннего сопротивления (rвт = 0), обозначенный кружком со стрелкой внутри и буквой E (рис. 1.7,6), называют идеальным источником ЭДС или источником напряжения (источником с заданным напряжением). Напряжение на выводах такого источника не зависит от сопротивления приемника и всегда равно ЭДС E. Его внешняя характеристика — прямая, параллельная оси абсцисс (штриховая прямая ab на рис. 1.4).

1.3. Источники ЭДС и тока

Теория  /  1.3. Источники ЭДС и тока

К активным элементам электрических цепей относятся источники ЭДС и источники тока.

 Источники ЭДС  

Идеализированный источник ЭДС – это активный элемент с двумя зажимами, напряжение на которых не зависит от проходящего через  источник тока. Перемещение зарядов в источнике от точки с меньшим потенциалом к точке с большим потенциалом осуществляется за счет сторонних сил, присущих источнику.  Обозначение идеализированных источников ЭДС на электрических схемах показано на рис. 1.5.

Электродвижущая сила (ЭДС) – это количество энергии, затраченное сторонними силами на перенос единичного положительного заряда от меньшего потенциала к большему

За положительное направление э.д.с. принимается направление возрастания потенциала (рис. 1.6).

 

Таким образом, положительные направления  ЭДС и напряжения всегда противоположны.

Численно ЭДС равна разности потенциалов между выводами источника при разомкнутой цепи.

Если внутри источника  ЭДС не содержится пассивных элементов, то его внутреннее сопротивление r0 равно нулю. Такой источник  является идеальным.

На практике обычно приходится иметь дело с реальными источниками  ЭДС, обладающими некоторым внутренним сопротивлением (рис. 1.7).

В таких источниках напряжение на зажимах зависит от тока в нагрузке.

Напряжение на зажимах реального источника в работающей цепи определяется соотношением

Это выражение называют внешней характеристикой источника  ЭДС.

Анализируя внешнюю характеристику источника, можно сделать вывод, что напряжение на зажимах источника в режиме нагрузки всегда меньше  ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Зависимость напряжения от тока нагрузки показана на рис. 1.8 пунктирной линией. В свою очередь величина тока нагрузки зависит от сопротивления внешней цепи, поэтому можно считать, что напряжение на зажимах реального источника зависит от сопротивления внешней цепи.

В случае идеального источника внутренне сопротивление равно нулю. Напряжение на зажимах такого источника не зависит от тока нагрузки и равно  ЭДС источника U = E. Зависимость напряжения от тока в идеальном источнике показана на рис. 1.8 сплошной линией.

 Источники тока

Идеализированный источник тока – это активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах.

Считается, что внутреннее сопротивление идеального источника бесконечно велико, поэтому параметры внешней цепи не будут оказывать влияния на ток в источнике тока.  На электрических схемах источник тока обозначается так, как показано на рис. 1.9.

 Реальный источник тока обладает конечным внутренним сопротивлением или отличной от нуля проводимостью. Схема реального источника представлена на рис. 1.10. Ток реального источника определяется разностью тока идеального источника J и внутреннего тока I0:

где U – напряжение, приложенное к зажимам источника. Полученное выражение называют внешней характеристикой источника тока.

Зависимость тока источника от напряжения на его зажимах показано на рис. 1.11. В случае идеального источника внутренняя проводимость равна нулю и, исходя из уравнения внешней характеристики, можно заключить, что ток, идущий от источника равен току короткого замыкания источника. Эта зависимость показана на рис. 1.11 сплошной линией.

В случае реального источника   g0 ≠ 0 и часть тока будет ответвляться через внутреннюю проводимость. Чем больше напряжение, приложенное к источнику, тем больший ток ответвляется и тем меньший ток поступает в нагрузку. Вольт-амперная характеристика реального источника показана на рис. 1.11 пунктирной линией. Источник тока – это теоретическое понятие, но оно часто применяется для расчета электрических цепей. Примером источника тока может служить пентод.

Эквивалентное   преобразование   источников   конечной    мощности

Преобразование какого-либо участка цепи по отношению к внешним зажимам называют эквивалентным, если напряжение u и ток i на внешних зажимах при этом не изменяются.

 Рассмотрим условие эквивалентности реальных источников напряжения и тока, представленных на рис. 1.12, а,б.  Воспользуемся уравнением внешней характеристики источника  ЭДС

Поделим почленно это уравнение на r0

Здесь I – ток, протекающий через нагрузку;

Jкз = E/r0 – ток короткого замыкания источника  ЭДС; 

I0 = U/r0  – ток, протекающий через внутреннее сопротивление.

Отсюда  можно заключить, что  I0 = Jкз — I   или I = Jкз — I0, то есть получили внешнюю характеристику источника тока.

Следовательно, схему источника  ЭДС можно заменить схемой источника тока при условии, что ток короткого замыкания источника и внутренняя проводимость определятся выражениями:

В свою очередь, схему источника тока можно заменить схемой источника  ЭДС при условии, что внутреннее сопротивление и э.д.с. источника определятся выражениями:

Мощность источника ЭДС определяется произведением электродвижущей силы источника и тока в нагрузке

Мощность источника тока определяется произведением тока короткого замыкания и напряжения на зажимах источника:

Основы электротехники и электроники: Курс лекций, страница 2

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (обозначается буквой g, имеет размерность Ом – 1 или См, Сименс).

В линейных цепях сопротивление ветвей постоянно, определяется лишь физическими свойствами материала проводников и не зависит от источников, токов и напряжений в ветвях.

Если источники в цепи создают на своих выводах напряжения и токи, которые не изменяются во времени, цепь называется электрической цепью постоянного тока. В цепи постоянного тока сопротивление индуктивностей равно нулю, сопротивление конденсаторов бесконечно велико.

Далее будут рассмотрены линейные цепи постоянного тока.

2. ИСТОЧНИКИ ЭДС И ИСТОЧНИКИ ТОКА

ЭДС – это максимальное напряжение, которое могут создать сторонние силы на выводах источника при отсутствии в цепи тока. В качестве сторонних сил могут выступать, например, химические реакции в гальванической батарее или момент на валу электрической машины, работающей в режиме генератора.

Для удобства анализа источники электрической энергии представляют либо с помощью идеального источника ЭДС, либо с помощью идеального источника тока. Идеальный источник ЭДС и идеальный источник тока называют также источниками бесконечно большой мощности.

На Рис. 2.1 а показана вольт-амперная характеристика идеального источника ЭДС. Этот источник отличается тем, что напряжение на его выводах равно значению ЭДС независимо от тока нагрузки. На Рис. 2.1 б показана вольт-амперная характеристика идеального источника тока. Он сохраняет постоянство тока вне зависимости от напряжения на своих выводах.

Рис. 2.1

Если к данным вольт-амперным характеристикам применить закон Ома (см. формулу (1.1))

,

можно сделать вывод, что сопротивление идеального источника ЭДС равно нулю, а сопротивление идеального источника тока равно бесконечности.

Реальный источник электрической энергии обладает конечным внутренним сопротивлением, его вольт-амперная характеристика показана на Рис. 2.2 и может быть описана выражением:

                                                                                    (2.1)

где       – внутреннее сопротивление источника;

             – напряжение холостого хода источника.

Рис.  2.2

Когда источник отключен от нагрузки, на его зажимах существует напряжение холостого хода , равное ЭДС источника. Если соединить накоротко зажимы источника, напряжение на зажимах будет равно нулю, а ток между зажимами будет равен току короткого замыкания .

Сравнивая вольт-амперные характеристики идеальных источников и реального источника, можно заключить, что реальный источник можно смоделировать либо с помощью эквивалентного идеального источника ЭДС и последовательно включенного внутреннего сопротивления, либо с помощью эквивалентного идеального источника тока и параллельно включенного внутреннего сопротивления (Рис. 2.3).

Рис. 2.3

Внутреннее сопротивление реального источника вычисляется как

.

ЭДС эквивалентного источника ЭДС равна напряжению холостого хода реального источника.

Ток эквивалентного источника тока равен току короткого замыкания реального источника.

ЭДС эквивалентного источника ЭДС и ток эквивалентного источника тока связаны соотношением:

                                                      (2. 2)

Это соотношение говорит о том, что любой источник ЭДС с последовательно включенным сопротивлением может быть заменен источником тока с параллельно включенным таким же сопротивлением и наоборот.

Какой из двух эквивалентных замен воспользоваться, совершенно безразлично, и определяется лишь удобством расчета в каждом конкретном случае.

Заметим, что ЭДС идеального источника ЭДС всегда направлена от меньшего потенциала к большему, а ток идеального источника тока всегда направлен в ту же сторону, что и ток реального источника.

3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПИ

Для упрощения расчетов электрическую цепь можно преобразовывать, уменьшая количество ветвей и узлов. При этом необходимо помнить, что после расчета преобразованной цепи следует выполнить обратное преобразование, чтобы вернуться к исходной цепи.

Любые преобразования цепей должны быть эквивалентными, то есть преобразование какого-либо участка цепи не должно изменять токораспределения в непреобразованной части схемы. А это возможно лишь тогда, когда в процессе преобразования потенциалы узлов в непреобразованной части схемы и токи, подтекающие извне к преобразованному участку, сохраняются неизменными.

Простейшими преобразованиями электрической цепи являются свертки последовательно-параллельных соединений элементов цепи.

При последовательном соединении элементов конец предыдущего соединяется с началом последующего (Рис. 3.1). Главный признак последовательного соединения – один и тот же ток в каждом из элементов.

Рис. 3.1

Если к последовательному соединению элементов применить закон Ома (1.1), можно заключить, что напряжения на элементах распределяются прямо пропорционально сопротивлениям, а общее сопротивление последовательного соединения равно сумме сопротивлений элементов:

                                                                                                             (3.1)

Итак, если на участке цепи несколько элементов соединены последовательно, они могут быть заменены одним эквивалентным элементом, сопротивление которого равно сумме сопротивлений отдельных элементов. ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ СКЛАДЫВАЮТСЯ!

При параллельном соединении элементов начала всех элементов соединены в один узел, а концы всех элементов соединены в другой узел (Рис. 3.2).

Рис. 3.2

Главный признак параллельного соединения – одно и то же напряжение на каждом из элементов.

Если на участке цепи несколько элементов соединены параллельно, они могут быть заменены одним эквивалентным элементом, проводимость которого равна сумме проводимостей отдельных элементов. ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ СКЛАДЫВАЮТСЯ ПРОВОДИ­МОСТИ!

                                                             (3.2)

Источники электрической энергии в теоретических основах электротехники

Любой источник электрической энергии (источник питания) можно представить в виде источника напряжения или источника тока.

Идеальный источник напряжении (источник ЭДС) представляет собой идеализированный источник электрической энергии, напряжение на зажимах (выходное напряжение) которого равно ЭДС, и не зависит от протекающего через него тока.

Принято считать, что выходное сопротивление источника ЭДС равно нулю. Важнейшей характеристикой источника напряжения является внешняя характеристика , представляющая собой зависимость напряжения на зажимах нагруженного источника от тока в электрической цепи.

Условное графическое обозначение источника постоянной ЭДС приведено на рис. 1.6,а. Стрелка внутри кружка указывает положительное направление ЭДС, т. е. направление возрастания потенциала, а именно от вывода «-» к выводу «+».

Если к зажимам источника ЭДС подключить сопротивление нагрузки (рис 1.6,б), то ток . Уменьшение сопротивления вызывает неограниченное увеличение этого тока, но выходное напряжение источника ЭДС не изменится и останется равным ЭДС источника, т.е. . Мощность источника и равная ей мощность нагрузки стремятся к бесконечности.

Внешней характеристикой идеального источника постоянного напряжения является прямая линия, параллельная оси токов (рис. 1.7, а).

Реальный источник напряжения (источник напряжения). Схема замещения реального источника напряжения может быть представлена источником ЭДС и соединенным последовательно с ним внутренним сопротивлением источника (рис. 1.6,в). Значение невелико по сравнению с сопротивлением нагрузки .

Зависимость напряжения на зажимах источника напряжения от тока, протекающего через внешние зажимы, определяется уравнением . Это уравнение и определяет внешнюю характеристику реального источника постоянного напряжения (рис. 1.7,6).

Она пересекает ось напряжения при работе источника в режиме холостого хода (точка 1 на рис. 1.7,б), когда и выходное напряжение источника (напряжение холостого хода) равно ЭДС, т.е. .

В режиме короткого замыкания (точка 4 на рис. 1.7,6) и ток источника (ток короткого замыкания) определяется его внутренним сопротивлением . Для большинства источников режим короткого замыкания является аварийным. Поэтому их защищают от короткого замыкания с помощью предохранителей, автоматических выключателей.

Кроме предельных режимов (холостой ход, короткое замыкание), источники могут работать в номинальном и согласованном режимах. Номинальным называют режим, па который рассчитан и изготовлен источник. В данном режиме источник работает долговременно с достаточно высоким коэффициентом полезного действия. Обычно . Поминальному режиму соответствует точка 2 на рис. 1.7, б.

Согласованным называют режим, при котором от источника в нагрузку передастся максимальная мощность . Этот режим выполняется, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника, . При этом в источнике теряется 50% мощности.

Согласованный режим в основном применяется в маломощных цепях, когда определяющим условием является получение максимальной мощности в нагрузке, а не высокий КПД. Для силовых цепей характерен режим при обеспечивающий высокий КПД.

Идеальный источник тока (генератор тока) — это идеализированный источник электрической энергии, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах (от сопротивления нагрузки). Принято считать, что выходное сопротивление идеального источника тока равно бесконечности.

Важнейшей характеристикой источника тока является внешняя характеристика , представляющая собой зависимость тока нагруженного источника от напряжения на его зажимах. Условное графическое обозначение генератора постоянного тока приведено на рис. 1.8,я. Двойная стрелка внутри кружка показывает положительное направление тока внутри источника.

Если к внешним выводам источника тока подключить сопротивление нагрузки , то напряжение на сопротивлении нагрузки . При увеличении напряжения на нем возрастает, а ток идеального источника тока не изменяется. Внешняя характеристикой генератора тока — прямая линия, параллельная оси напряжений (рис. 1.9,а).

Реальный источник тока. Схема замещения реального источника тока может быть представлена идеальным источником тока и соединенным параллельно с ним внутренним сопротивлением (рис. 1.8, в). Значение велико по сравнению с сопротивлением нагрузки .

Ток сопротивления нагрузки . Увеличение сопротивления вызывает уменьшение за счет увеличения тока .

Чем больше сопротивление нагрузки по сравнению с внутренним сопротивлением источника, тем больше ток нагрузки отличается от тока источника. Только в режиме короткого замыкания .

Внешняя характеристика реального источника тока приведена на рис. 1.9, б.

Эта теория взята со страницы помощи с заданиями по электротехнике:

Помощь по электротехнике

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Источник напряжения и источник тока.

Стр 1 из 10Следующая ⇒

В теории электрических цепей используют понятия идеальные источники электрической энергии: источник напряжения и источник тока.

Им приписывают следующие свойства:

Источник напряжения представляет собой активный элемент с двумя зажимами, напряжение на котором не зависит от тока, проходящего через источник

 

Рис.2. Идеальный источник напряжения и

его вольтамперная характеристика(BAX).

 

Предполагается, что внутри идеального источника напряжения пассивные сопротивление, индуктивность и емкость отсутствуют и, следовательно, прохождение тока не вызывает падения напряжения.

Упорядоченное перемещение положительных зарядов в источнике напряжения от меньшего потенциала к большему возможно за счет работа сторонних сил, которые присущи источнику.

Величина работы, производимой данными сторонними силами по перемещению единицы положительного заряда от отрицательного полюса источника напряжения к положительному по полюсу, называется электродвижущей силой (э.д.с.) источника и обозначается e(t).

На рис.2(а) указано направление напряжения на зажимах идеального источника, которое всегда равно э.д.с. источника по величине и противоположно ей по направлению.

Идеальный источник напряжения называют еще источником бесконечноймощности. Это — теоретическое понятие. Величина тока в пассивной цепи зависит от параметров этой цепи и e(t). Если зажимы идеального источника напряжения замкнуть накоротко, то ток цепи должен быть теоретически равен бесконечности. В действительности при замыкании зажимов источника ток имеет конечное значение, так как реальный источник обладает внутренним сопротивлением.

Обычно внутренние параметры источника конечной мощности незначительны по сравнению с параметрами внешней цепи и в не которых случаях (по условию задачи) могут вообще не учитываться. Внутреннее сопротивление источника э.д.с.(r0) на схемах замещения изображается последовательно соединенным с самим источником.

 

Рис.3. Источник напряжения конечной мощности.

 

Источник тока представляет собой активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах.

 

Рис.4. Идеальный источник тока и его вольтамперная характеристика.

 

Предполагается, что внутренне сопротивление идеального источника тока равно бесконечности, и поэтому параметры внешней цепи, от которых зависит напряжение на зажимах источника тока, не влияют на ток источника.

При увеличении напряжения внешней цепи, присоединенной к источнику тока, напряжение на его зажимах, и следовательно, мощность возрастают. Поэтому идеальный источник тока теоретически так же рассматривается как источник бесконечной мощности.

Источник тока конечной мощности изображен на рис.5. g0 – внутренняя проводимость источника. Она характеризует внутренние параметры источника и ограничивает мощность, отдаваемую в цепь.

Рис.5. Источник тока конечной мощности.

 

Часто при решении задач методом эквивалентных преобразований возникает необходимость заменить реальный источник напряжения эквивалентным источником тока или наоборот. Преобразование осуществляется по схеме и формулам рис.6.

 

(1)

 

Рис.6. Преобразования источников конечной мощности.

Сопротивление.

Сопротивлением называется идеализированный элемент цепи в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую.

Кроме того, данный термин применяется для количественной оценки величины, равной отношению напряжения на данном элементе к току, проходящему через него:

[Ом] (2)

Формула 2 выражает закон Ома.

Сопротивление всегда положительно.

Величина обратная сопротивлению носит название проводимости:

[См] (3)

 

Рис.7. Графическое изображение сопротивления

с выбранными положительными направлениями тока и напряжения.

 

Мгновенная мощность, поступающая в сопротивление равна:

Pr = Ui = i2r = U2q (4)

Параметр r в общем случае зависит от тока i (например, вследствие нагревания проводника током).

Вольтамперная характеристика (зависимость напряжения на сопротивлении от тока) носит нелинейный характер.

 

Рис.8. BAX сопротивления: а – нелинейная; б – линейная.

 

Если сопротивление не зависит от тока, то имеет место прямая пропорциональность, выражающая закон Ома. В этом случае сопротивление называется линейным.

Индуктивность.

Индуктивностью называется идеализированный элемент электрической цепи, приближающейся по свойствам к индуктивной катушке, в котором накапливается энергия магнитного поля.

При этом термин «индуктивность» и его обозначение L применяется как для обозначения самого элемента цепи, так и для количественной оценки отношения потокосцепления самоиндукции к току в данном элементе:


[Гн] (5)

Индуктивность всегда положительна, так как потокосцепления и ток имеют одинаковые знаки.

В общем случае индуктивность зависит от тока и является нелинейной.

Если зависимостьy(i) линейная, то индуктивность – величина постоянная.

 

 

Рис.9. Зависимость потокосцепления от тока:

а — нелинейная, б – линейная.

 

 

Рис.10. Графическое изображение индуктивности.

(6)

eL — электродвижущая сила самоиндукции, которая по закону Ленца противодействует изменению потокосцепления, что учитывается знаком « — ».

Если индуктивность L величина постоянная (не зависит от тока), то

= (7)

Напряжение на индуктивности определяется:

(8)

Ток на индуктивности:

(9)

Формулы (8) и (9) выражают закон Ома дифференциальной и интегральной форме для индуктивности.

Мгновенная мощность, поступающая в индуктивность равна:

(10)

Мощность индуктивности связана с процессом нарастания или убывания энергии магнитного поля.

Емкость.

 

Емкостью называется идеализированный элемент электрической цепи приближенно заменяющий конденсатор, в котором накапливается энергия электрического поля.

При этом данный термин применяется как для обозначения самого элемента, так и для количественной оценки отношения заряда к напряжению на этом элементе:

[Ф] (11)

Емкость всегда положительна, так как заряд и напряжение имеют одинаковый знак.

В общем случае зависимость заряда от напряжения носит нелинейный характер и, следовательно, параметр С зависит от напряжения.

Если зависимость заряда от напряжения линейная, емкость C – величина постоянная.

 

Рис.11. Зависимость электрического заряда от напряжения,

а – нелинейная, б – линейная.

 

Ток емкости равен производной электрического заряда по времени:

(12)

Формула (12) выражает закон Ома для емкости.

Напряжение на емкости:

(13)

Условное графическое изображение емкости указано на рис.11. Там же даны положительные направления тока и напряжения.

 

Рис.12. Условное обозначение емкости.

 

Мгновенная мощность, поступающая в емкость, равна:

(14)

Мощность емкости связана с процессом накопления или убыли электрического заряда в емкости. Когда заряд положительный и возрастает ток положительный и в емкость поступает электрическая энергия из внешней цепи. Когда заряд положителен, но убывает, т.е. ток отрицателен, энергия, ранее накопленная в электрическом поле емкости, возвращается во внешнюю цепь.

Контрольные вопросы:

 

1. Изложите основные задачи электротехники.

2. Элементы электрической цепи, их классификация.

3. Определение электрического тока, падения напряжения.

4. Что понимают под положительными направлениями тока и напряжения.

5. Изложите основные сведения об источниках тока и источниках напряжения, их взаимном преобразовании.

6. Чем отличается идеальный источник энергии от источника энергии конечной мощности.

7. Дать краткую характеристику следующим элементам и терминам, их определяющим: сопротивление, емкость, индуктивность.

 

 

Законы электрических цепей

Цель лекции № 2.

Ознакомившись с лекцией № 2 по электротехнике студент должен уметь:

1. В смешанном соединении электрических элементов определять участки с последовательным и параллельным их соединением.

2. Определять потенциал любой точки электрической цепи относительно базиса.

3. Применять обобщенный закон Ома для активного участка ветви.

4. Определять необходимое количество узловых и контурных уравнений и составлять систему уравнений по законам Кирхгофа.

5. Записывать выражение баланса мощностей для сложной электрической цепи.

 

12345678910Следующая ⇒

Читайте также:

Источник эдс. идеальный и реальный источники

Содержание

История

Электричество как источник энергии было известно ещё с древних времён, ведь сама природа генерирует его в огромных объёмах. Яркий пример — молния или электрический скат. Несмотря на такую близость к человеку, обуздать эту энергию удалось лишь в середине семнадцатого века: Отто фон Герике, бургомистр из Магдебурга, создал машину, позволяющую генерировать электростатический заряд. В середине восемнадцатого века Питер фон Мушенбрук — учёный из Голландии — создаёт первый в мире электрический конденсатор, названный Лейденской банкой в честь университета, где он работал.

Пожалуй, отсчёт эпохи настоящих открытий, посвящённых электричеству, принято начинать с работ Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта, изучивших соответственно электрические токи в мышцах и возникновение тока в так называемых гальванических элементах. Дальнейшие исследования открыли нам глаза на связь электричества и магнетизма, а также на несколько очень полезных явлений (таких как электромагнитная индукция), без которых сегодня невозможно представить нашу жизнь.

Но мы не будем углубляться в магнитные явления и остановимся только на электрических. Итак, разберём, как же возникает электричество в гальванических элементах и что это вообще такое.

Идеальный источник тока (генератор)

Для начала рассмотрим абстрактный вариант: сила тока, созданная в этом устройстве, всегда одинаковая. Опираясь на закон Ома, можно легко сделать заключение, что напряжение находится в зависимости лишь от сопротивления подключенной нагрузки. Внутреннее сопротивление такого элемента питания имеет бесконечную величину, поэтому не воздействует на основной параметр. Вследствие того, что сила тока значение постоянное, то на значение мощности теоретического агрегата влияет только сопротивление подключенной нагрузки. В устройстве, при возникновении короткого замыкания, также сохраняется основное свойство источника.

Такой идеальный элемент можно создать лишь в теории, его применяют при моделировании электромагнитных процессов. На практике такой системы достичь невозможно, поэтому рассмотрим материальную вариацию.

Принцип действия

Каждая маркировка источников тока определяет принцип его действия. В стандартной ситуации выработка энергии производится посредством взаимодействия составляющих частей, а именно:

  • Механический тип. В результате взаимодействия деталей механизма, возникает трение. Благодаря такому явлению, возникает статическое электричество, преобразуемое в ток.
  • Механические конструкции работают посредством образования последовательно движущихся заряженных частиц. Явление возникает благодаря взаимодействию химического элемента с электролитом. Заряженные частицы покидают структуру кристаллической решётки металла, входя в состав проводящей жидкости.
  • Солнечные батареи (световые источники) работают за счет выбивания заряженных частиц из диэлектрической (кремниевой) основы под воздействием светового потока. Благодаря этому возникает постоянное напряжение.
  • Тепловые. Как правило, это 2 последовательно соединенных металлических основания. Одна часть нагревается, а вторая остается охлажденной. При изменении температурного режима возникает разница температур, в результате чего происходит движение заряженных частиц.

Важно! Любое изменение в строении вещества может привести к необратимым последствиям, которые проявятся при работе устройства

Конструкция

Конструкция элемента влияет на принцип его работы. Каждый источник, который выдает электрический ток, имеет определенную конструкцию:

Самый простой бытовой аккумулятор включает в себя металлический корпус, внутри которого используется щелочная среда. Дополнительными элементами являются свинцовые пластины, на которых накапливаются катоды и аноды.

Аккумулятор

Обычная бытовая батарейка с входящим в её состав сухим элементом имеет металлический корпус, в который помещен стержень-накопитель катодов. Всё прочее пространство заполнено солевым электролитом.

Батарейка

Генератор переменного тока – это устройство, состоящее из трещоток или металлической рамки.

Механический принцип устройства

Тепловой источник тока, который уже включен в цепь. Это обычная рамка, установленная на подставке из диэлектрика. Обычно, конструкция подключена к измерительному прибору, типа амперметра. Источник тепла – это пламя или внешний электрический импульс.

Тепловое устройство

Важно! Подобная конструкция помогает точно понять, как образуется энергия, которая впоследствии преобразуется в ток. Каждый вариант строения обычно заключен в специальный корпус из диэлектрического материала

Так в чем же отличие

Для лучшего понимания, в чем состоит разница электродвижущей силы от напряжения, рассмотрим пример. Имеется источник электрической энергии бесконечной мощности, в котором отсутствует внутреннее сопротивление. В электрической цепи смонтирована нагрузка. В этом случае будет справедливо утверждение, что ЭДС и напряжение тождественно равны, т.е между этими понятиями отсутствует разница.

Однако, это идеальные условия, которые в реальной жизни не встречаются. Эти условия используют исключительно при расчетах. В реальной жизни учитывается внутреннее сопротивление источника питания. В этом случае ЭДС и напряжение имеют отличия.

На рисунке представлено, какая разница будет в значениях электродвижущей силы и напряжении в реальных условиях. Вышеприведенная формула закона Ома для полной цепи описывает все процессы. При разомкнутой цепи на клеммах батарейки будет значение 1,5 Вольта. Это значение ЭДС. Подключив нагрузку, в данном случае это лампочка, на ней будет напряжение 1 вольт.

Разница от идеального источника заключается в наличии внутреннего сопротивления источника питания. На этом сопротивлении и происходит падение напряжения. Эти процессы описывает закон Ома для полной цепи.

Если измерительный прибор на зажимах источника электроэнергии показывает значение 1,5 Вольта, это будет электродвижущая сила, но повторим, при условии отсутствия нагрузки.

При подключении нагрузки на клеммах будет заведомо меньшее значение. Это и есть напряжение.

Применение

Рисунок 2. Генератор тока типа «токовое зеркало», собранный на биполярных транзисторах

Источники тока широко используются в аналоговой схемотехнике, например, для питания измерительных мостов, для питания каскадов дифференциальных усилителей, в частности операционных усилителей.

Концепция генератора тока используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Для описания активных элементов для них вводятся эквивалентные схемы, содержащие управляемые генераторы:

  • Источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Применяется в основном для полевых транзисторов и электронных ламп.
  • Источник тока, управляемый током (ИТУТ). Применяется, как правило, для биполярных транзисторов.

В схеме токового зеркала (рисунок 2) ток нагрузки в правой ветви задается равным эталонному току в левой ветви, так что по отношению к нагрузке R2 эта схема выступает как источник тока.

Реальный генератор

Главное различие между реальным и идеальным устройством — наличие внутреннего сопротивления. Чем выше данный параметр, тем ближе элемент к улучшенному варианту. Из этого следует, что напряжение и мощность значения конечные, т. е имеют определенный рабочий диапазон. При этом система также обладает ограничением по присоединяемой нагрузке. При решении задач, реальное устройство изображают в качестве идеального, с подключенным в параллель внутренним сопротивлением.

Эксплуатация данного агрегата возможна при холостом ходе (без внешней нагрузки) вследствие того, что имеем замкнутый контур за счет внутреннего сопротивления. Ток на выходе во время такого режима снижается до нулевого значения. При подключении накоротко (режим короткого замыкания) получим максимальную величину, а выходное напряжение опустится до 0.

В качестве примера такого устройства, обратимся к катушке индуктивности. Это положение справедливо в момент размыкания цепи. Так разность потенциалов в таком режиме резко увеличивается по сравнению с предыдущим состоянием. Все дело в ЭДС самоиндукции возникающей в этом элементе. При увеличении напряжения катушка накапливает энергию, при снижении отдает ее в сеть.

Еще одним примером является вторичная обмотка трансформатора тока, которая в нормальных условиях работы всегда должна быть закорочена. В противном случае, если в ней произойдет разрыв, то она станет генератором. Все дело в законе сохранения энергии, так мощность на первичной и вторичной обмотке должна быть одинаковой. Параметры первичной обмотки неизменны, вследствие конструктивных особенностей трансформатора (обмотка имеет один виток). При обрыве во вторичной обмотке, упорядоченного движения заряженных частиц не будет, соответственно напряжение резко возрастет.

Примеры

Источником тока является катушка индуктивности, по которой шёл ток от внешнего источника, в течение некоторого времени (t≪LR{\displaystyle t\ll L/R}) после отключения источника. Этим объясняется искрение контактов при быстром отключении индуктивной нагрузки: стремление к сохранению тока при резком возрастании сопротивления (появление воздушного зазора) приводит к резкому возрастанию напряжения между контактами и к пробою зазора.

Вторичная обмотка трансформатора тока, первичная обмотка которого последовательно включена в мощную линию переменного тока, может рассматриваться как почти идеальный источник переменного тока. Следовательно, размыкание вторичной цепи трансформатора тока недопустимо. Вместо этого при необходимости перекоммутации в цепи вторичной обмотки (без отключения линии) эту обмотку предварительно шунтируют.

Определение полюсов

Чтобы определить, который полюс источника постоянного напряжения является положительным, а какой — отрицательным, используются специальные «полюсоискатели», действие которых основано на явлении электролиза. Полюсоискатель представляет собой стеклянную ампулу, заполненную раствором поваренной соли с добавкой фенолфталеина. В ампулу снаружи введены электроды. При подключении к электродам источника напряжения начинается электролиз: на отрицательном полюсе идёт выделение водорода и образуется щелочная среда. Из-за наличия щёлочи фенолфталеин меняет свою окраску — краснеет, по красной окраске у электрода и судят о том, что он соединён с отрицательным полюсом источника напряжения.

Условия работы источников тока

Любой источник тока работает при определенных условиях. В отсутствие химической реакции внутри элементов не смогут образовываться заряженные частицы. Если будет отсутствовать анод и катод, то движения частиц не возникнет даже при наличии реакции.

В аккумуляторах происходит похожий процесс, но толчком для возникновения химической реакции является замыкание во внешней электрической цепи. Заряженные элементы начинают двигаться от анода к катоду и наоборот, создавая постоянный поток.

Идеальный и реальный

Световые типы не могут работать без наличия источника света. КПД зависит от типа используемого диэлектрического элемента. Дополнительно необходимо иметь в наличии приспособление ля преобразования полученной энергии.

Тепловой вариант не будет работать, если в его основу входит 1 тип металла. Если будет отсутствовать источник тепла, то ни о каком возникновение движущихся частиц не может быть и речи.

Источники

Для выработки электрической энергии требуется выбрать источник тока, соответствующий потребностям в конкретной сфере применения. Существует несколько вариантов таких приспособлений, каждый из которых имеет определенное строение, принцип работы и индивидуальные технические показатели.

Свойства

Идеальный источник тока


Сила тока, текущего через идеальный источник тока, всегда одинакова по определению:

I=const{\displaystyle I={\text{const}}}

Напряжение на клеммах идеального источника тока (не путать с реальным источником!) зависит только от сопротивления R{\displaystyle R} подключенной к нему нагрузки:

U=I⋅R{\displaystyle U=I\cdot R}

Мощность, отдаваемая источником тока в нагрузку:

P=I2⋅R{\displaystyle P=I^{2}\cdot R}

Поскольку ток через идеальный источник тока всегда одинаков, то напряжение на его клеммах и мощность, передаваемая им в нагрузку, с ростом сопротивления нагрузки возрастают, достигая в пределе бесконечных значений.

Реальный источник


В линейном приближении любой реальный источник тока (не путать с описанным выше источником тока — моделью!) или иной двухполюсник может быть представлен в виде модели, содержащей, по меньшей мере, два элемента: идеальный источник и внутреннее сопротивление (проводимость). Одна из двух простейших моделей — модель Тевенина — содержит источник ЭДС, соединенный последовательно с сопротивлением, а другая, противоположная ей, модель Нортона — источник тока, соединенный параллельно с проводимостью (т. е. идеальным резистором, свойства которого принято характеризовать значением проводимости). Соответственно, реальный источник в линейном приближении может быть описан при помощи двух параметров: ЭДС E{\displaystyle {\mathcal {E}}} источника напряжения (или силы тока I{\displaystyle I} источника тока) и внутреннего сопротивления r{\displaystyle r} (или внутренней проводимости y=1r{\displaystyle y=1/r}).

Можно показать, что реальный источник тока с внутренним сопротивлением r{\displaystyle r} эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление r{\displaystyle r} и ЭДС E=I⋅r{\displaystyle {\mathcal {E}}=I\cdot r}. {2}}}.}

Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например, по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. В частности, реальные генераторы тока создают электрический ток только в некотором диапазоне напряжений, верхний порог которого зависит от напряжения питания источника. Таким образом, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.

Источник ЭДС и его характеристика.

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. = / = 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 Rвт.

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 Rвт.

Электродвижущая
сила E численно равна разности потенциалов или
напряжению U12X
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 Rвт источника ЭДС:

Зависимость напряжения на зажимах источника ЭДС от


тока в нем носит название внешней характеристики источника, т.е. U12 = f (I).
При увеличении тока от нуля до номинального значения I = I1 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 Rвт.

Что такое источники тока

Источники тока – это элементы электрической цепи, который поддерживают энергию с заданными параметрами. При этом, энергоснабжение цепи не зависит от характеристик элементов, входящих в её состав, в частности, сопротивления.

Прибор для выработки тока

Различают идеальные и реальные устройства для выработки тока:

  • Идеальные определяются только благодаря гипотезам и теоретическим выкладкам. Так, учёные нередко определяют ряд условий, при которых ток имеет максимальные значения, приближенные к идеалу. То есть, осуществляется имитация идеального источника.
  • Реальные условия поддерживают заданные параметры выходного тока и напряжения. Любой прибор обеспечивает свою работу, при условии, что это позволяют сделать его технические характеристики.

Важно! Таким образом, максимальное значение тока и напряжения дают возможность определить, какой именно вариант источника будет использован в цепи – идеальный или реальный

Вывод

Из вышесказанного можно сделать вывод, что основная разница между ЭДС и напряжением состоит:

  1. Электродвижущая сила зависит от источника питания, а напряжение зависит от подключенной нагрузки и тока, протекающего по цепи.
  2. Электродвижущая сила это физическая величина, характеризующая работу сторонних сил неэлектрического происхождения, происходящих в цепях постоянного и переменного тока.
  3. Напряжение и ЭДС имеет единую единицу измерения – Вольт.
  4. U -величина физическая, равная работе эффективного электрического поля, производимой при переносе единичного пробного заряда из точки А в точку В.

Таким образом, кратко, если представить U в виде столба воды, то ЭДС можно представить что это насос, поддерживающий уровень воды на постоянном уровне. Надеемся, после прочтения статьи Вам стало понятно основное отличие!

Материалы по теме:

  • Чем отличается трансформатор от автотрансформатора
  • Разница между контактором и пускателем
  • Как узнать, есть ли напряжение в розетке

Опубликовано:
15.08.2019
Обновлено: 15.08.2019

 

 

Помогла ли вам статья?

Задать вопрос

Пишите ваши рекомендации и задавайте вопросы в комментариях

Электромагнетизм

.

Если идеальный источник тока имеет бесконечное сопротивление, как возможен ток?

Спросил

Изменено 5 лет, 11 месяцев назад

Просмотрено 4k раз

$\begingroup$

Откуда берется ток, если идеальный источник тока имеет бесконечное сопротивление? Ток не может проходить через источник тока из-за сопротивления, поэтому я не совсем понимаю, как и почему идеальный источник тока имеет бесконечное сопротивление.

  • электромагнетизм
  • электрические цепи
  • электрическое сопротивление

$\endgroup$

$\begingroup$

Я думаю, вы можете ответить на свой вопрос, сопоставив простейшую возможную схему, просто подключив ваш источник к внешнему резистору R. Для идеального источника напряжения, которым по сути является батарея, вам нужно пренебрежимо малое сопротивление внутри источника, поэтому полное сопротивление очень близок к R, и тогда через него будет течь I=V/R, так что I буду зависеть от R, а V — нет (тогда как, если бы в источнике было сопротивление R’, вы бы получили снижение в эффективном V на IR’, так что это будет близко к VR’/R, и у вас будет только 1-R’/R желаемого V). Но обратите внимание на ключевой момент: если вы меняете R, постоянным остается V, а не I, поэтому у вас есть хороший источник V, но паршивый источник I.

Чтобы получить хороший источник I, перейдите к противоположному пределу огромного R’ в источнике. Тогда не будет иметь значения, какой R вы прикрепите к источнику, потому что R’ все равно будет доминировать. Вы всегда будете приближаться к I=V’/R’ для любого R, поэтому I остается близким к постоянному, так как V’. Однако V на резисторе R будет подчиняться V=IR=V’R/R’, поэтому оно вообще не будет постоянным, оно будет пропорционально R.

Ваш вопрос в пределе, как R’ уходит в бесконечность, разве это не убивает I, но ответ на этот вопрос таков: если вам нужен фиксированный источник I, вам нужно увеличивать V’ пропорционально R’. Ни R’, ни V’ не могут быть бесконечными, но хитрость в том, что вы должны сделать их обоих очень большими (и пропорционально этому), чтобы получить фиксированный источник I. Я полагаю, это дает ответ на ваш вопрос: «Вот почему невозможно иметь действительно идеальный источник тока».

$\endgroup$

$\begingroup$

Идеальный источник тока с бесконечным внутренним сопротивлением — это абстракция, используемая в теории цепей. Как следует из названия, это просто источник постоянного тока, который не реагирует на приложенное напряжение. Поэтому бесконечное сопротивление. Реальный источник тока моделируется идеальным источником тока, дающим постоянный ток параллельно с конечным внутренним сопротивлением.

$\endgroup$

4

$\begingroup$

Откуда берется ток, если идеальный источник тока имеет бесконечный сопротивление?

Наклон ВАХ для идеального источника тока равен нулю, как и в случае бесконечного сопротивления. Сказать, что идеальный источник тока имеет бесконечное внутреннее сопротивление Ом, значит сказать, что ток через него не зависит от напряжения на нем.

С другой точки зрения, для источника тока с конечное внутреннее сопротивление $r_s$, сопротивление нагрузки параллельно внутреннему сопротивлению, поэтому при делении тока ток нагрузки зависит от сопротивления нагрузки и определяется выражением

$$I_L = I_S \frac{r_s} {r_s + R_L}$$

Обратите внимание, что в пределе $r_s \rightarrow \infty$ ток нагрузки становится постоянным $I_L = I_S$. Таким образом, мы говорим, что у идеального источника тока, который производит ток нагрузки , независимый от $R_L$, внутреннее сопротивление бесконечно.

$\endgroup$

$\begingroup$

«Идеальный» в данном контексте означает, что не учитывается, как на практике могут быть достигнуты идеальные свойства (постоянный ток независимо от нагрузки, бесконечное сопротивление). Как говорит Фричарли, это абстрактное понятие.

Процесс анализа электрических цепей начинается с моделирования реальных электрических компонентов, которые обладают несколькими свойствами, как комбинации идеальных элементов (например, в химии), каждый из которых имеет одно свойство — чистый резистор/конденсатор/индуктор, чистый источник напряжения/тока и т. д.

Ни один реальный источник тока не обладает свойствами идеального источника тока, и спрашивать, как идеальный источник тока может иметь бесконечное сопротивление, но генерировать конечный ток, так же бессмысленно, как и спрашивать, как любая реальная струна может быть нерастяжимой. оказывать конечное натяжение, когда вы тянете за него. Однако для целей анализа электрических цепей большинство реальных источников тока можно с достаточной точностью смоделировать как идеальный источник тока с параллельным конечным внутренним сопротивлением. Реальный источник тока также будет иметь некоторую емкость и индуктивность, которые становятся значительными при высокой частоте.

$\endgroup$

Твой ответ

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

идеальных источников | Абсолютная электроника, книга

Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем

≡ Оглавление

«

2.3

Напряжение и ток

»

2,5

Земля

Идеальные источники напряжения, идеальные источники тока и неидеальные источники с внутренним сопротивлением. 7 мин чтения

Идеальные источники напряжения и тока являются примитивными понятиями для моделирования цепей. Мы обсуждали напряжение и ток в предыдущем разделе.

Вот схематические символы для этих двух идеальных источников:

Символы идеального напряжения и источника тока

Circuitlab.com/cq8x2vnv3vhc5

Править — Моделирование

Символ идеального источника напряжения помечен положительными и отрицательными выводами, указывающими его направление. Он определяется всего одним параметром V : разностью напряжений на его клеммах.

Идеальный источник напряжения поддерживает одинаковую разность напряжений на своих клеммах независимо от величины тока, направления тока или общего подаваемого заряда.

Идеальных источников напряжения в физической реальности не существует. Батарея (электрохимическая ячейка) ведет себя как идеальный источник напряжения, но это приближение не работает, когда токи велики и/или когда батарея разряжена. Мы обсудим батареи более подробно позже.

Когда какой-либо ток поступает в идеальный источник напряжения или выходит из него, напряжение на нем остается прежним. Вот простая симуляция, которая показывает этот эффект:

Развертка постоянного тока идеального источника напряжения

Circuitlab.com/cqvc3cr6qcn9k

Править — Имитация

Упражнение Щелкните цепь, затем нажмите «Симуляция» и «Запустить развертку постоянным током». Он настроен на регулировку тока, вводимого или выходящего из источника напряжения V1.

График напряжения показывает, что напряжение остается постоянным (прямая линия на уровне 5 вольт) независимо от тока. Это скучная симуляция, но она показывает, что идеальный источник напряжения делает именно то, что должен!

Символ идеального источника тока имеет стрелку, указывающую направление тока – при заданном параметре тока I положительный.

Идеальный источник тока выдает определенное постоянное количество заряда за раз, независимо от напряжения, энергии или общего заряда.

Источник тока также иногда называют стоком тока , в зависимости от того, с какого направления мы на него смотрим. Термин источник тока может использоваться в любом направлении.

Не существует простого физического почти соответствующего компонента, подобного приведенному выше аккумулятору. Однако механические аналоги существуют. Водяной насос, который всегда выталкивает воду с заданной постоянной скоростью, независимо от того, насколько сильно он должен давить на какие-либо препятствия в трубе, является разумным гидравлическим приближением к источнику тока.

Эта аналогия намекает на проблемы, с которыми мы столкнемся в электронике: что произойдет, если мы соединим идеальный водяной насос с расходом 1 литр/час последовательно с идеальным водяным насосом с расходом 2 литра/час? Какой из них победит? Ответ заключается в том, что что-то должно дать. Два идеальных источника тока, соединенные последовательно, несовместимы.

Точно так же, что если мы возьмем наш идеальный водяной насос производительностью 1 литр/час и полностью перекроем его выходную трубу? Это похоже на то же самое, потому что заблокированный выход подобен источнику тока 0 литров в час. Так что, в конце концов, что-то должно дать сбой — либо помпа, либо препятствие, — но математически мы создали невозможную ситуацию.

Хотя они могут не встречаться в природе, источник тока является ценным методом моделирования, поскольку в довольно широком диапазоне некоторые вещи ведут себя как источники тока, и/или полезно строить источники тока как подкомпонент других систем или модели.

Вот простая симуляция, показывающая, что независимо от приложенного напряжения ток остается неизменным:

Развертка постоянного тока идеального источника тока

Circuitlab.com/cxwrktp8xekry

Править — Имитация

Упражнение Щелкните цепь, нажмите «Симуляция» и «Запустить развертку постоянным током».

Опять же, это скучная плоская симуляция, но источник тока поддерживает ток 10 А независимо от приложенного напряжения.

Моделирование неидеальных источников требует размышлений о сопротивлении и законе Ома, а также о том, как напряжения и токи ведут себя в сети в соответствии с законом Кирхгофа о напряжении и током Кирхгофа. Однако эти модели тесно связаны с идеальными источниками, поэтому мы кратко представим их здесь.

Практический источник напряжения моделируется в первом порядке с внутренним сопротивлением серии :

Неидеальный источник напряжения первого порядка

Circuitlab. com/c95f355g6h7m2

Править — Имитация

Это означает, что фактическое внешнее напряжение падает по мере того, как от него отбирается ток. (В качестве альтернативы внешнее напряжение возрастает, если в него подается ток.) ​​

Иногда этот эффект важен, а иногда нет: он зависит от величины падения напряжения и от того, рассчитана ли остальная часть вашей системы на то, чтобы выдерживать что.

На самом деле это не всегда линейно. Это даже не всегда монотонно: например, посмотрите защита от перегрузок , чтобы увидеть, как разработчики источников питания иногда намеренно хотят, чтобы нелинейное поведение сопротивления защищало цепь от перегрузки и перегрева.

Сравните эту симуляцию неидеального источника напряжения с симуляцией идеального источника напряжения выше:

Развертка постоянного тока неидеального источника напряжения первого порядка

Circuitlab. com/cnqwa9q3g92fe

Править — Имитация

Упражнение Щелкните цепь, нажмите «Симуляция» и «Запустить развертку постоянным током». Теперь, когда внутреннее сопротивление не равно нулю, график напряжения больше не плоский. Наклон зависит от значения внутреннего сопротивления.

Поскольку батареи часто моделируются как источники напряжения, важно помнить, что настоящие гальванические элементы батареи также имеют внутреннее сопротивление. Это сопротивление зависит от химического состава батареи, конструкции и истории. Свежие, высококачественные батареи будут иметь более низкое внутреннее сопротивление, чем старые, бывшие в употреблении батареи. Когда люди, плохо знакомые с электроникой, рассматривают возможность питания большой нагрузки от батарей, они часто забывают учитывать падение напряжения из-за внутреннего сопротивления, которое может привести к тому, что система не сможет обеспечить ожидаемую мощность нагрузки. Кроме того, падение напряжения может привести к перезагрузке цифровых систем или вызвать колебания напряжения питания в прецизионных аналоговых системах. Подумайте, может ли внутреннее сопротивление батареи повлиять на остальную часть вашей системы.

Практический источник тока моделируется в первом порядке с параллельным внутренним сопротивлением :

Неидеальный источник тока первого порядка

Circuitlab.com/c6m6cgvzv43vg

Править — Моделирование

Почему этот дополнительный резистор в параллелен здесь, а не в рядом с как для неидеального источника напряжения? Это потому, что последовательный резистор ничего не сделает с идеальным источником тока. (Источник тока не заботится о падении напряжения, поэтому любое дополнительное падение напряжения из-за последовательного резистора не повлияет на идеальный источник внутри.) Вместо этого параллельный резистор указывает, что потребляемый ток будет варьироваться в зависимости от приложенного напряжения: идеальный источник и резистор потребляют ток одновременно.

Сравните эту неидеальную симуляцию источника тока с симуляцией идеального источника тока выше:

Развертка постоянного тока неидеального источника тока первого порядка

Circuitlab.com/c3fv379ry9327

Править — Имитация

Упражнение Щелкните цепь, нажмите «Симуляция» и «Запустить развертку постоянным током». Теперь, когда имеется конечное (уже не бесконечное) внутреннее сопротивление, график тока больше не является плоским при внешнем приложенном напряжении.

Поскольку идеальных источников напряжения и тока не существует в природе, у проектировщика есть три варианта:

  1. Моделирование всего нелинейного поведения источника. Это часто очень сложно и трудно для понимания.
  2. Смоделируйте линеаризованное поведение источника вблизи его рабочей точки. Это намного проще и проще для понимания.
  3. Считать неидеальный источник «достаточно близким» к идеальному (нулевое или бесконечное внутреннее сопротивление). Это наименее сложно и легче всего понять.

На практике это решение может и должно быть принято инженером. Обычно моделирование как № 2 или № 3 в некотором ограниченном диапазоне, где мы считаем, что эффект «достаточно плоский, чтобы линеаризовать» или «достаточно мал, чтобы его игнорировать», является хорошим решением, если только мы не проектируем намеренно нелинейный источник.

Неидеальные источники напряжения и тока, показанные на этой странице, также называются эквивалентными цепями Thevenin и Norton, которые мы изучим в следующем разделе.

В следующем разделе, «Земля», мы поговорим о концепции единой точки отсчета нулевого напряжения — концепции, которая невероятно широко используется и невероятно сбивает с толку многих новичков.

≡ Оглавление

«

2.3

Напряжение и ток

»

2,5

Земля

Роббинс, Майкл Ф. Абсолютная электроника: проектирование и анализ практических схем. CircuitLab, Inc., 2021, Ultimateelectronicsbook.com. Доступ . (Авторское право © 2021 CircuitLab, Inc.)

[РЕШЕНО] — вход/выход/внутреннее сопротивление идеального источника тока

Добро пожаловать на EDAboard.com

Добро пожаловать на наш сайт! EDAboard.com — это международный дискуссионный форум по электронике, посвященный программному обеспечению EDA, схемам, схемам, книгам, теории, документам, asic, pld, 8051, DSP, сети, радиочастотам, аналоговому дизайну, печатным платам, руководствам по обслуживанию… и многому другому. более! Для участия необходимо зарегистрироваться. Регистрация бесплатна. Нажмите здесь для регистрации.

Регистрация Авторизоваться

JavaScript отключен. Для лучшего опыта, пожалуйста, включите JavaScript в вашем браузере, прежде чем продолжить.