1.4. Активні елементи електричного кола та їх параметри

До активних елементів електричного кола відносяться джерела електричної енергії.

Принципи роботи джерел електричної енергії різні:

- електроме3ханічні генератори, які перетворюють механічну енергію в електромагнітну;

- електрохімічні джерела (акумуляторні батареї);

- термогенератори, які перетворюють теплову енергію в електромагнітну;

- фотогенератори (фотоелементи),які перетворюють світлову енергію в електромагнітну.

Основною характеристикою джерел електричної енергії є залежність напруги на їх затискачах від струму, який віддається в навантаження, тобто вольт-амперна характеристика (ВАХ) джерела. В загальному випадку ВАХ джерела можуть бути лінійними і нелінійними.

В залежності від області застосування і властивостей джерел, їх прийнято умовно розділяти на джерела електрорушійної сили (ЕРС) і джерела струму.

ЕРС – це скалярна величина, яка характеризує здатність стороннього поля визивати електричний струм.

1.4.1. Джерело електрорушійної сили

Джерелом ЕРС називається джерело електричної енергії, яке характеризується ЕРС і внутрішнім електричним опором (Е і R_вт), при цьому R_вт << R_н.

Напрямок ЕРС вказується стрілкою в середині кружка, що вказує на напрямок зростання потенціалу в середині джерела за рахунок сторонніх сил (рис. 1.8).

П ід дією ЕРС джерела Е в колі буде протікати електричний струм І, який визве падіння напруги на внутрішньому опорі R_вт:

U_вт= IR_вт.

Тоді напруга на затискачах джерела буде дорівнювати:

U=E - IR_вт (1.1)

Це і є зовнішня характеристика джерела ЕРС.

Звідси: IR_н=E - IR_вт,

або I= – закон Ома для замкнутого нерозгалуженого кола.

Величина струму прямо пропорційна ЕРС джерела і обернено пропорційна повному опору кола.

Повний опір кола R – це сума внутрішнього опору джерела і опору приймача, тобто: R= R_вт + R_н.

При постійних Е і R_в зовнішня характеристика джерела – це пряма лінія, яка проходить через точку Е на осі ординат і точку І_кз на осі абсцис, де І_кз= – струм короткого замикання, коли U = 0 (R=0).

Зобразимо зовнішню характеристику реального джерела ЕРС (рис. 1.9).

Струм короткого замикання, звичайно, в багато разів перевищує дозволений струм джерела, тому такий режим є аварійним

Із виразу (1.1) слідує, що падіння напруги на R_вт приводить до зменшення напруги на приймачі.

При R_вт=0 напруга на затискачах джерела ЕРС буде постійною і дорівнюватиме ЕРС, тобто не залежить від струму навантаження. Таке джерело ЕРС називається ідеальним.

В режимі, близькому до режиму ідеального джерела ЕРС, працюють джерела енергії, в яких внутрішній опір в багато разів менший опору навантаження, тобто коли R_вт << R_н.

Приклад: – авіаційний акумулятор.

1.4.2. Джерела струму

Джерелом струму називається джерело електричної енергії, яке характеризується струмом в ньому і внутрішньою провідністю (I і G_вт), при

цьому R_вт >> R_н (рис. 1.10).

J – струм джерела струму;

G_вт –внутрішня провідність;

І – стум навантаження;

І_вт – струм, що проходить через G_вт.

За І законом Кірхгофа:

J= І_вт + І.

Враховуючи, що І_вт =U G_вт,

звідки: U= ,

отримаємо: – це зовнішня характеристика джерела струму.

Із даного виразу слідує, що при постійних J та G_вт зовнішня характеристика джерела струму – це пряма лінія, яка проходить через точку

J/G_вт на осі ординат і точку J на осі абсцис.

З образимо зовнішню характеристику реального джерела струму (рис. 1.11).

Таким чином, в режимі короткого замикання при U = 0 i R_н = 0, весь струм джерела струму J проходить через споживач.

В режимі холостого ходу, при R_н = ∞ і І=0, весь струм J проходить через внутрішню провідність G_вт, а напруга на затискачах джерела струму буде дорівнювати J/G_вт.

При G_вт = 0 струм джерела J буде постійним незалежно від величини опору навантаження R_н Напруга на навантаженні в цьому випадку буде дорівнювати: U=J R_н.

Такі джерела називаються ідеальними джерелами струму. Його зовнішня характеристика – це пряма, паралельна осі ординат U.

Ідеальне джерело струму – це джерело струму, внутрішня провідність G_вт якого дорівнює нулю.

В режимі, близькому до режиму ідеального джерела струму, працюють джерела енергії, в яких внутрішній опір в багато разів більше опору навантаження, тобто R_вт >>Rн .

Приклад:– електронне (лампове) джерело, у якого струм навантаження залишається практично постійним.