1.2. Источники электрической энергии: источники эдс и источники тока

Источники электрической энергии в электрических цепях принято рассматривать как источники ЭДС или как источники тока. Источник электрической энергии характеризуется ЭДС Е и внутренним сопротивлением R_вн. К источникам ЭДС обычно относят источники электромагнитной энергии, в которых ЭДС Е не зависит или практически не зависит от тока I, идущего от источника в приемник, и их внутреннее сопротивление R_вн. Следовательно, напряжение на зажимах источника U=Е-IR_вн сравнительно мало изменяется в пределах изменения тока от 0 до номинального I_н. На рис.1.3 приведена зависимость U=f(I) такого источника при E=const и R=const. Она представляет собой прямую линию. Линейная цепь должна содержать только источники ЭДС с такой линейной характеристикой. Если R_вн=0 и E=const, то U=E=const, и такой источник принято называть идеальным 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 (R_вн=0).

При расчете и анализе электрических цепей реальный источник электрической энергии с конечным значением R_вн заменяется расчетным эквивалентом. В качестве эквивалента может быть взят источник ЭДС Е с последовательно включенным сопротивлением R_вн, равным внутреннему сопротивлению реального источника (рис.1.4); стрелка в кружке указывает направление возрастания потенциала внутри источника ЭДС. Если теперь отнести R_вн к приемнику, добавив его к сопротивлению приемника, то цепь будет рассматриваться как содержащая идеальный источник ЭДС. Источниками ЭДС являются, например, аккумуляторы, гальванические элементы, вращающиеся электрические генераторы постоянного тока.

E

I

R

Рис. 1.3 Рис. 1.4

К источникам тока обычно относят источники электромагнитной энергии, в которых ток не зависит от напряжения U, которое создается источником на зажимах приемника. Следовательно, источник тока представляет собой идеализированный источник питания, который создает ток I, не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединен, а его ЭДС Е и внутреннее сопротивление R_вн равны бесконечности. Вольт-амперная характеристика такого источника имеет вид, показанный на рис.1.5. Источниками тока являются, например, источники энергии, основанные на излучении заряженных частиц, выделяющихся при радиоактивном распаде вещества, так как при этом ток источника определяется скоростью распада.

J_к=E_ит/R_ит

Рис.1.5

При расчете и анализе электрических цепей реальный источник электрической энергии с конечным значением R_вн заменяют расчетным эквивалентом, в качестве которого может быть взят источник тока J_к=E_ит/R_ит с параллельно включенным R_вн (рис.1.6). Стрелка в кружке показывает положительное направление тока источника тока. Отношение двух бесконечно больших величин E_ит/R_вн равно конечной величине – току J_к источника тока.

J=E/R_вн

R

Рис.1.6

Ток в нагрузке (в сопротивлении R для схем рис.1.4 и 1.6) одинаков и равен I=E/(R_вн+R). Каким из двух расчетных эквивалентов пользоваться, совершенно безразлично. Обратим внимание на следующее:

1. источник ЭДС и источник тока – идеализированные источники, физически осуществить которые, строго говоря, невозможно;

2. схема, представленная на рис. 1.4, эквивалентна схеме, приведенной на рис. 1.6, в отношении энергии, выделяющейся в сопротивлении нагрузки, и не эквивалентна ей в отношении энергии, выделяющейся во внутреннем сопротивлении источника питания R_вн;

3. идеальный источник ЭДС без последовательно соединенного с ним сопротивления R_вн нельзя заменить идеальным источником тока.