Источники тока и напряжения

Емкость, индуктивность и омическое сопротивление присущи в той или иной мере практически любому объекту, с которым мы сталкиваемся в быту или в физической лаборатории. Так, тоненький проводок, кроме сопротивления, обладает еще и конечной индуктивностью, поэтому два объекта, соединенные им, не обязательно будут иметь одинаковый потенциал, если процесс протекает достаточно быстро. Обычный коаксиальный кабель имеет емкость, поэтому, если он использовался для передачи высокого напряжения, нас может ощутимо «стукнуть током» при работе с ним даже после отсоединения от источника напряжения. Конструкция конденсатора обладает небольшой, но все–таки индуктивностью. Вследствие этого время его разрядки на нагрузку с бесконечно малым сопротивлением все равно остается конечным.

Как правило, в большинстве случаев только одно из вышеперечисленных свойств является наиболее важным. Поэтому в электрических схемах при теоретическом анализе реальные материальные элементы схем мы представляем в виде их эквивалентных идеальных элементов — сопротивления $R,$ емкости $C$ и индуктивности $L$ соответственно. А в тех случаях, когда важно учесть и другие свойства «деталей», мы представляем их более сложными эквивалентными схемами из «набора» идеальных элементов. Иногда к нему добавляют взаимоиндуктивность $M,$ которая позволяет передавать электрические сигналы между различными участками схемы через общий магнитный поток. А для описания активных линейных цепей набор пополняют идеальными источниками эдс (напряжения) $Е$ и тока $I.$

Сопротивление или резистор

Сопротивление — это наиболее простое устройство, для которого коэффициент линейной связи между током и напряжением не зависит от частоты протекающего тока:

Основной параметр резисторов — сопротивление $R.$ Оно определяет соотношение между током и напряжением в соответствии с законом Ома $$ U_ =I_ R . $$

Сопротивление измеряется в Омах (СИ) или в единицах сопротивления СГС (нет специального названия, размерность $\frac).$

Резисторы бывают постоянные и переменные (регулируемые). Наибольшее распространение имеют металлизированные и проволочные резисторы: в первом случае на керамическую трубочку нанесен металлизированный слой из высокоомных сплавов, толщина которого обеспечивает нужную величину $R,$ во втором — на трубочку намотана тонкая проволока. Проволочные резисторы позволяют рассеивать большую мощность. На высоких частотах начинает сказываться собственная емкость и индуктивность элементов конструкции резистора и он должен быть представлен эквивалентной схемой из комбинации идеальных элементов $R, L$ и $С.$ Например, индуктивность проволочных (намотанных проводом) резисторов начинает сказываться уже на сравнительно низких частотах. Для очень высокоомных металлизированных резисторов, наоборот, на высоких частотах важной становится емкость между выводами резистора.

Конденсатор

Конденсатор — это устройство, способное накапливать электрический заряд. Величина накопленного заряда пропорциональна емкости конденсатора $С,$ зависящей от конкретной его конструкции. Связь между напряжением $U$, зарядом $Q$ и емкостью $C$ выражается следующим соотношением: $$ Q=CU \ \ \mbox < (СИ, СГС). >$$ Дифференцируя это соотношение по времени, получаем линейную связь между током и напряжением в цепи с емкостью: $$ I=C\frac \ \ \mbox < (СИ, СГС),>$$ т.е. через идеальный заряженный конденсатор ($U=const$) постоянный ток не течет и его сопротивление бесконечно, если же конденсатор разряжен и ток в цепи не ограничен внешними элементами, то в начальный момент времени сопротивление конденсатора переменному току может быть очень мало ($\frac \to \infty $).

Промышленность выпускает конденсаторы разнообразных форм и размеров. Простейший конденсатор состоит из двух параллельных проводящих пластин площадью $S$, расположенных на небольшом расстоянии $d$ друг от друга. Его емкость $$ C=\varepsilon \varepsilon _ \frac \ \ \mbox < (СИ), >\ \ \ C=\frac \frac \ \ \mbox < (СГС),>$$ где $\varepsilon _ $ — диэлектрическая постоянная, $\varepsilon $ — диэлектрическая проницаемость среды между пластинами.

Чтобы получить большую емкость, необходимы большая площадь и малый зазор между проводниками, обычно для этого один из проводников покрывают тонким слоем изолирующего материала, называемого диэлектриком; для таких конденсаторов используют металлизированные пленки. Широкое распространение получили следующие типы конденсаторов: керамические, электролитические (изготовленные из металлической фольги с оксидной пленкой в качестве изолятора), слюдяные (изготовленные из металлизированной слюды). Каждому типу конденсаторов присущи свои качества, для анализа которых нужно обратиться к специализированным справочникам.

В цепях переменного (синусоидального) тока $U=U_ \exp \left(i\omega t\right)$, $I=I_ \exp \left(i\omega t\right)$, из уравнения $I=C\frac $ получаем $$ U_ =\frac =Z_ I_ \ \ \mbox < (СИ, СГС), >$$ и конденсатор может быть рассмотрен как частотно-зависимый резистор с сопротивлением $$ Z_ =\frac \equiv — \frac <\omega C>\ \ \mbox < (СИ, СГС). >$$ В отличие от обычного резистора сопротивление, или импеданс, конденсатора имеет комплексное значение. Это означает, что ток и напряжение на конденсаторе сдвинуты по фазе на угол $\frac<\pi>2 $. Т.е. сначала максимальным значением тока происходит зарядка разряженного конденсатора. Затем по мере роста заряда и напряжения на конденсаторе ток уменьшается. Значение амплитуды тока, протекающего через конденсатор, равно $$ I_ =\frac \ \ \mbox < (СИ, СГС). >$$ Единицей измерения емкости в СИ является фарада (Ф) и ее производные (дольные): 1 Ф = 10$<>^$ пкФ (пикофарад) = 10$<>^$ нФ (нанофарад) = 10$<>^$ мкФ (микрофарад). В системе СГС единицей емкости служит сантиметр, переводный множитель: 1 см $\approx 0,9 $ пФ.

Измерение емкости в [см] имеет простой физический смысл: способность тела накапливать электрический заряд пропорциональна его размерам, поэтому характерный размер тела и есть его емкость.

Емкость параллельно соединенных конденсаторов равна их сумме $C=C_ +C_ +\ldots $, а емкость последовательно соединенных конденсаторов вычисляется по формуле $\frac =\frac +\frac +\ldots $.

Индуктивность

Катушка индуктивности — это компонент электрической цепи, способный создавать (накапливать) магнитный поток при протекании по нему тока. Основной параметр катушки индуктивности — индуктивность $L.$ Он задает следующую связь между напряжением $U$ и током $I$ $$ U=L\frac \ \ \mbox < (СИ), >\ \ \ U=\frac > L\frac \ \ \mbox < (СГС). >$$ Если ток в цепи, содержащей индуктивность, не меняется ($I=const$), то ее сопротивление близко к нулю и, наоборот, при резком изменении тока ($\frac \rightarrow \infty$) ее сопротивление очень велико.

В цепях переменного (синусоидального) тока импеданс индуктивности равен $$ Z_ =i\omega L \ \ \mbox < (СИ), >\ \ \ Z_ =\frac > i\omega L \ \ \mbox < (СГС), >$$ и падение напряжения на этом элементе при протекании по нему тока равно: $$ U_ =I_ Z_ . $$

Ток и напряжение на индуктивности сдвинуты по фазе на угол $-\frac<\pi>2$. Т.е. сначала максимальным значением напряжения происходит увеличение тока протекающего через индуктивность. Энергия запасается в магнитном потоке. Затем по мере роста тока напряжение на индуктивности уменьшается.

При последовательном соединении общая индуктивность равна их сумме $L=L_ +L_ +\ldots $ , а при параллельном соединении определяется по формуле $\frac =\frac +\frac +\ldots $ .

Индуктивность измеряется в Генри (СИ) или в см (СГС).

Простейшая индуктивность представляет собой соленоид длины $l$, содержащий $N$, намотанный на сердечник диаметра $d$. Ее индуктивность в случае $l\gg d$ равна $$ L=\frac <\mu \pi ^N^ d^ > \ \ \mbox < (СГС),>\ \ \ L=\frac <\mu \, \mu _<0>\, \pi \, N^ d^ > \ \ \mbox < (СИ). >$$

Более совершенные конструкции включают сердечник, на который наматывается провод. Материалом для сердечника чаще всего служит железо (пластинки, прокатанные из сплавов железа или изготовленные методами порошковой металлургии) или феррит, представляющий собой хрупкий непроводящий магнитный материал черного цвета. Сердечник позволяет увеличить индуктивность катушки за счет магнитных свойств материала сердечника. Сердечник может быть изготовлен в виде бруска, тора или иметь какую-нибудь более причудливую форму.

К неидеальности катушек индуктивности приводят

наличие сопротивления провода, из которого намотана катушка,
относительно большие потери в сердечниках,

Взаимоиндуктивность

Если две катушки размещены на одном сердечнике или находятся близко друг от друга, то их магнитные поля пересекаются. Такое устройство называется магнитосвязанными катушками или идеальным трансформатором и служит для передачи переменных сигналов из одной катушки в другую без гальванической связи между ними. Основной параметр магнитосвязанных катушек — взаимоиндуктивность (иначе — коэффициент взаимоиндукции) $L_ = \sqrt$. Для идеального трансформатора эта величина выражается через количество витков катушек $\frac$ и называется коэффициентом трансформации.

Источники тока и напряжения

Реальные источники тока и напряжения (блоки питания, генераторы сигналов, различные датчики электрических сигналов) представляют собой сложные устройства, характеризующиеся набором специфических параметров и характеристик. В электрических цепях и при теоретических расчетах мы отображаем их эквивалентными схемами, основой которых является эквивалентные источники напряжения и тока. Точно так же, как мы отличаем реальные резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности от их идеальных эквивалентных элементов $R, C$ и $L,$ необходимо отличать и реальные источники тока и напряжения от их идеальных эквивалентных схем.

Эквивалентный источник напряжения тока состоит из двух идеальных элементов — идеального источника (генератора) напряжения тока и внутреннего сопротивления (рис. 1). Идеальный генератор (источник) напряжения — это элемент электрической цепи, разность потенциалов (напряжение) $U=\varphi _ -\varphi _ $ между выводами которого задано и не зависит от внешних условий, в том числе и от протекающего по генератору току. Это эквивалентно утверждению, что внутреннее сопротивление идеального источника напряжения равно нулю, а напряжение может быть задано либо как константа, либо в виде нужной функции времени. Идеальный генератор напряжения является физической абстракцией, то есть реально подобное устройство нельзя осуществить. Например, при подключении нагрузки, сопротивление которой стремится к нулю, ток, протекающий через генератор напряжения, стремился бы к бесконечности, что нереализуемо.

Идеальный генератор (источник) тока — это элемент электрической цепи, для которого сила тока задана и не зависит от внешних условий. Ток может быть задан как константа или как функция времени. Идеальный генератор тока также является физической абстракцией. Если допустить его существование, то при заданной величине тока напряжение между выводами такого элемента стремилось бы к бесконечности при подключении нагрузки, сопротивление которой очень велико. Например, отключение нагрузки эквивалентно тому, что $R_н = \infty$ и напряжение на выводах идеального источника тока должно стать $U = \infty ,$ что физически нелепо. Такого «конфуза» не происходит с идеальным источником напряжения, поэтому в схемах предпочтительно «работать» с идеальным источником напряжения, а не тока.

В теории линейных электрических цепей есть теорема Гельмгольца — Тевенина, согласно которой для анализа тока и напряжения на любом двухполюсном элементе цепи $R_ $ всю остальную часть схемы можно представить в виде эквивалентного источника сигнала, состоящего из идеального источника напряжения $E$ и внутреннего сопротивления $R_ $ (рис. 1, а).

В соответствии с другой теоремой любой источник напряжения можно представить в виде эквивалентного ему источника тока, состоящего из идеального источника тока $I’=\frac$ и того же самого внутреннего сопротивления $R_ $ (рис. 1, б). Сами по себе идеальные источники $E$ и $I’$ смысла не имеют: смысл имеет только весь эквивалентный источник (напряжения или тока), состоящий из двух элементов — идеального источника и его внутреннего сопротивления. То есть элементы, окруженные на рис. 1 пунктирной линией, должны восприниматься как единый эквивалентный источник напряжения или тока соответственно. Это важно помнить в связи с тем, что на эквивалентные источники напряжения (тока) часто ошибочно переносят свойства их идеальных компонентов $E(I’).$ Следует запомнить, что эквивалентные источники напряжения (тока) призваны заменить реальные источники, а потому сами по себе идеальными источниками напряжения (тока) не являются!

Условия, при которых эквивалентные источники являются источниками стабильного тока или напряжения

На практике часто важно иметь такой источник электрической энергии (будь то источник сигнала или питания), который был бы способен поддерживать стабильное напряжение (ток) при изменении нагрузки в заданных пределах. Такие источники называются источниками стабильного напряжения (тока). Характеристики работы схемы, показанной на рис. 1, полностью определяются отношением $\frac.$

При $R_<н>\gg R_i$ (рис. 1, а) напряжение на нагрузке близко к величине $E$ и слабо зависит от величины нагрузки, т.е. источник является генератором стабильного напряжения. Действительно, в этом случае $U_ <н>=E-I\cdot R_$, а $I=\frac \approx \frac$, т.е. $U_н =E(1-\frac)\approx E.$ Неидеальность генератора напряжения можно определить отношением изменения выходного напряжения к эдс: $\Delta U_ <н>=E-U_<н>,$ где $\frac=\frac.$

При $R_н \ll R_i$ источник сигналов является генератором стабильной величины тока нагрузки с погрешностью $\frac =\frac.$ Доказательство проводится аналогично предыдущему. Источник выдает в нагрузку ток, близкий к максимально возможному для него $I_= \frac.$

При $0,1\cdot R_ \le R_н \le 10\cdot R_$ источник не является ни стабилизатором напряжения, ни стабилизатором тока. При изменении нагрузки одновременно изменяется как ток через нее, так и напряжение на ней.

Содержание понятия «эквивалентные» для источников напряжения и тока

Замещение источника напряжения источником тока не является тождественным, а только эквивалентным в определенных отношениях. Рассмотрим, в чем проявляется эквивалентность замещения.

Источник напряжения (рис. 1, а) обеспечивает один и тот же ток $I=\frac $ через $R_ $ и $R_ $ и напряжение на нагрузке $U_ = I\cdot R_ $. В свою очередь, источник тока (рис. 1, б) обеспечивает неизменную величину тока $I’=\frac,$ который разветвляется на два тока: ток $I_i$, текущий через внутреннее сопротивление $R_ $, и ток $I_ $, текущий через нагрузку $R_ $, причем $I’=I_ +I_$, а отношение токов обратно пропорционально отношению сопротивлений. Эквивалентность источников состоит в трех утверждениях.

Ток в нагрузке в обеих схемах одинаков. Действительно, ток в схеме источника напряжения $I_ <н>=I=\frac,$ а ток в схеме источника тока можно определить, воспользовавшись тем, что токи в параллельных ветвях распределяются обратно пропорционально сопротивлениям этих ветвей $\frac=\frac.$ Учитывая соотношения $I’=I_ +I_<н>$ и $I’=\frac,$ получим для тока нагрузки схемы рис. 1, а то же соотношение $I_ <н>=\frac ,$ что и для схемы рис. 1, б.

Напряжение на нагрузках в обеих схемах одинаково $U_ <н>=U_<н>‘,$ что следует из равенства токов в нагрузках для обеих схем и закона Ома.

Мощность, выделяемая на нагрузке, в обеих схемах одинакова, что следует из того, что мощность равна произведению тока на напряжение, а токи и напряжения на $R_н$ в обеих схемах одинаковы.

Однако эквивалентность такой замены источников не является полной по крайней мере в двух отношениях. Во-первых, если в отношении нагрузки обе схемы ведут себя совершенно одинаково (одинаковы токи, напряжения и выделяемая на нагрузке мощность), то этого нельзя сказать о самих источниках. Мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении самих эквивалентных источников тока и напряжения, различна. Действительно, сами внутренние сопротивления эквивалентных источников одинаковы, но токи, текущие через них, различны. В источнике напряжения $I_ =I_ =I=\frac.$ В источнике тока $$ I_ =I’-I_ =\frac -\frac =\frac \cdot \frac =I_ \frac . $$ Таким образом, в зависимости от отношения $\frac $ мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении эквивалентных источников напряжения и тока, получается различной, а потому представление об эквивалентных источниках напряжения и тока нельзя применять для анализа мощности в цепи самих реальных источников.

Второе ограничение связано с тем, что с внутренним сопротивлением эквивалентного источника тока $R_ $ в расчетах нельзя поступать так, как если бы оно представляло собой сопротивление обыкновенного резистора. Нельзя, например, всю нагрузку $R_ $ или ее часть «переносить» во внутреннее сопротивление источника тока, подсчитав новое сопротивление по закону сложения параллельных сопротивлений $R_’ =\frac.$

Наиболее очевидна ошибочность такого решения в случае, когда нагрузка представляет собой комплексное сопротивление, например, показанное на рис. 2,а. Перенос части нагрузки в $R_’ $, показанный на рис. 2,б, во–первых, изменяет фазу нового тока нагрузки $I_н’$ по отношению к фазе тока источника, чего делать нельзя, так как эквивалентный источник тока по определению должен обеспечивать те же самые напряжения и токи на нагрузке, что и замещаемый им реальный источник. Если в нагрузке на рис. 2,а происходят омические потери, вызванные протеканием тока по $R_н,$ то новая нагрузка представляет собой чисто реактивное сопротивление, не имеющее омических потерь. Это меняет энергетические соотношения в рассматриваемой схеме. Таким образом, схема на рис. 2,б ни в отношении величины тока нагрузки, ни в отношении фазы этого тока, ни в отношении расчета мощности в нагрузке не является эквивалентной схеме на рис. 2,а.

Итак, никакую часть нагрузки — ни активную, ни реактивную — нельзя переносить («суммировать») во внутреннее сопротивление эквивалентного источника тока, поскольку новый источник тока уже не будет эквивалентен исходному источнику напряжения (генератору) не только по мощности, но и по другим параметрам.

Эквивалентные схемы

На практике невозможно получить идеальный элемент цепи, сопротивление которого являлось бы только активным или только индуктивным, или только емкостным. Катушка индуктивности обладает активным сопротивлением, так как ее обмотка выполнена из проводника с конечной проводимостью. Как всякое металлическое тело, она обладает и емкостью. Конденсатор имеет некоторую индуктивность, так как состоит из отдельных проводников, перемещение зарядов по которым вызывает появление магнитного поля. Потери в диэлектрике конденсатора вызывают его нагревание и, следовательно, являются необратимыми потерями, как и в активном сопротивлении. Даже простой отрезок провода, кроме активного сопротивления, имеет и индуктивное, и емкостное.

Исследовать прохождение тока в таких сложных элементах цепи, конечно, неудобно. Однако практически часто используются такие элементы, в которых сопротивление одного из перечисленных видов имеет преобладающее значение, а двумя другими видами можно без ущерба для требуемой точности исследования пренебречь. Тогда рассматриваемый элемент цепи можно заменить идеализированным, обладающим только индуктивностью или только емкостью, или только активным сопротивлением.

В тех же случаях, когда по тем или иным причинам такое упрощение недопустимо, прибегают к замене реального элемента эквивалентной цепью, состоящей из нескольких идеализированных элементов. Таким образом, например, конденсатор с потерями и катушка индуктивности с заметной величиной активного сопротивления проводников могут быть заменены схемами, изображенными на рис. 3.

Применение эквивалентных цепей значительно облегчает изучение процессов в электрических схемах. При этом можно ограничиться изучением свойств только трех идеализированных элементов $R, L$ и $С,$ а все остальные случаи рассматривать как их комбинации.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Источник электрического тока – это устройство, с помощью которого создаётся электрический ток в замкнутой электрической цепи. В настоящее время изобретено большое количество видов таких источников. Каждый вид используется для определённых целей.

Виды источников электрического тока

Существуют следующие виды источников электрического тока:

механические;

тепловые;

световые;

химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

СПРАВКА! Чтобы получить термопару, необходимо соединить 2 различных металла.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Читайте также: Какие виды батареек существуют: в чём отличия пальчиковых батареек AA от AAA

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

Гальванические

Аккумуляторы

Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):

Солевые, или иначе «сухие», батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Читайте также: Как выполняется пломбировка счетчиков электроэнергии — заявление, сколько стоит, штраф за снятие

Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:

Свинцово-кислотные;

Литий-ионные;

Никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

СПРАВКА! Один элемент свинцово-цинкового аккумулятора вырабатывает напряжение 2 В. Соединив элементы последовательно, можно получить любое напряжение, кратное 2. Например, в автомобильных аккумуляторах напряжение 12 В, т.к. соединены 6 элементов.

Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.

Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.

ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.

В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.

СПРАВКА! Никель-кадмиевые аккумуляторы можно хранить в разряженном состоянии, в отличии от литий-ионных.

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

Как найти напряжение идеального источника тока

Разница между источником тока и источником напряжения

Трудно представить современный мир без электричества, телефон останется без подзарядки, а просмотр фильма попросту станет невозможен. Да, без этого явления жизнь покажется тяжелой. Но для того чтобы получить его, нужен поток энергии, физическая составляющая которого, может иметь различный характер. В электротехнике принято подразделять элементы питания на две группы: по постоянному току или напряжению. Они бывают идеальными, но существующие лишь в теории и реальные, которые возможно увидеть на практике.

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.

Читайте также: Маркировка кварцевых резонаторов отечественного производства

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

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.

Идеальный источник напряжения (ЭДС)

У идеального устройства, напряжение является неизменным параметром и не зависит от значения нагрузочного тока, вместе с тем, его внутреннее сопротивление равно 0. Если создание данного прибора было бы возможным, то он представлял источник бесконечной мощности. Величина тока и мощности при подключенной нагрузке стремилась к бесконечному числу. Но, как мы знаем мощность, имеет конечное значение.

Описанный элемент питания, является теоретическим понятием, на практике таких условий достичь невозможно, поэтому применяется лишь в моделировании процессов.

Реальный источник напряжения

В реальности имеем устройство ЭДС, которое характеризуется наличием внутреннего сопротивления, по этой причине ток будет иметь граничное значение.

В большинстве устройств внутреннее сопротивление незначительная величина, если сравнивать с внешними показателями, и чем меньше это параметр, тем ближе к идеальному варианту. При увеличении тока будет происходить падение напряжения. В расчетах обозначается как идеальный источник ЭДС с подключенным последовательно сопротивлением.

Ток через источник равен 0, если создан режим холостого хода. При возникновении короткого замыкания, примет максимальное значение, а разность потенциалов на выходе станет равной 0.

В качестве примера можно рассмотреть аккумуляторную батарею, принцип работы которой, основан на химической реакции.

Вывод

Реальные приборы в отличие от идеальных устройств содержат внутреннее сопротивление.

Что касается отличия идеального устройства тока от напряжения, то оно заключается в том, какой параметр является постоянным и не зависит от присоединяемой нагрузки. Это соответствует их названиям, для приборов ЭДС– напряжение, для генератора – ток.

При составлении схемы замещения, внутреннее сопротивление источника тока подключается параллельно, напряжения – последовательно.

Для реальных устройств, существует разница во внутреннем сопротивлении: для генераторов лучше иметь большое сопротивление, для источника ЭДС – малое.

Виды источников

Существует несколько видов устройств для выработки тока, каждый из которых имеет свои основные показатели, характеристики и особенности, приведённые в следующей таблице:

Вид источника Характеристики источника тока

Механический Специальное устройство (генератор) обеспечивает трансформацию механической энергии в электрическую. В настоящее время большое количество тока производится именно с помощью механических источников.

Тепловой В основу работы агрегатов заложен принцип переработки тепловой энергии в электрическую. Такое преобразование происходит благодаря разности температур контактирующих между собой полупроводников. В настоящее время разработаны источники тока, тепловая энергия в которых вырабатывается благодаря распаду радиоактивных элементов.

Химический Химические варианты можно условно разделить на 3 группы – гальванические, аккумуляторы и тепловые. · Гальванический элемент работает посредством взаимодействия 2-х разных металлов, помещенных в электролит. · Аккумуляторы – устройства, которые можно несколько раз заряжать и разряжать. Существует несколько видов аккумуляторов с различными типами элементов, входящих в их состав. · Химически-тепловые используются только для кратковременной работы. Применяются, в основном, в сфере ракетостроения.

Световой В конце XX века достаточно популярными стали солнечные батареи, которые «собирают» световые частицы, преобразуемые впоследствии в электрическую энергию. Это происходит за счет выдачи напряжения и благодаря воздействию на световые частицы.

Вам это будет интересно Какое бывает поражение человека электрическим током
Важно! Каждый вид имеет свои преимущества и недостатки, которые определяются принципом использования, а также исходными показателями вырабатываемой энергии.

Механические источники

Механические агрегаты являются самыми простыми по принципу их использования и обустройства. Характеристика таких генераторов очень проста для понимания. В специальных устройствах вырабатывается энергия, которая впоследствии преобразуется в электричество. Такие приборы используются на тепловых электростанциях и гидроэлектростанциях.

Читайте также: Формула мощности электрического тока

Механический

Тепловые источники

Тепловые варианты источников обеспечивают уникальный принцип работы. Энергия вырабатывается благодаря образованию термопары, которая. Это означает, что на концах проводников обеспечивается расчётная разность температур, элементы взаимодействуют между собой, создавая электрическое поле.

Тепловой

Обратите внимание! Радиоактивные термопары используют в космической промышленности. Эффективность такого использования возможна благодаря долгому сроку службы и эффективным показателям вырабатываемой мощности.

В результате подобного движения заряженных частиц от горячей части проводника к холодной возникает электроток. При этом, чем больше разница температур, тем выше показатель результативной энергии. На практике термопары нередко входят в состав измерительных приборов.

Световые источники

Световые устройства ля выработки электроэнергии считаются самыми экологичными, эффективными и относительно дешевыми. Специальная панель из полупроводников поглощает световые частицы, которые при таком взаимодействии выдают определенное напряжение.

Световой

При этом, световые панели имеют небольшой показатель КПД – 15 %. Панели такого типа нашли широкое применение – от бытовых приборов до инновационных разработок в космической отрасли.

Важно! Световые источники начали использоваться вместо литиевых батарей из-за высокой стоимости последних. Несмотря на то, что многие объекты промышленности требуют значительного переоснащения для перехода на световые источники, конечная экономия возникает уже на первичных этапах эксплуатации.

Химические источники

В данную группу входит 3 основных устройства, отличающиеся строением и принципом работы:

Гальванический элемент – это вариант для выработки электроэнергии, который может быть использован один раз. То есть, после полной разрядки, повторное накопление заряда на внутреннем веществе невозможно. В состав таких приборов входят солевые, литиевые или щелочные батарейки.

Аккумуляторы – подразделяются на несколько типов: свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-кадмиевые.

Тепловые элементы – используются в космической и инновационной промышленности для производства кратковременного тока с высокими показателями. Практическое применение агрегатов основано на потребностях в резервных источниках питания.

Вам это будет интересно Электрическое поле и его характеристики

Важно! Химико-тепловые устройства требуют первоначального нагрева до 500–600 °С, чтобы активизировать твердый электролит.

Химический

В каждой сфере промышленности используется собственный вариант с конкретными параметрами. В бытовых условиях применяются, в основном, батарейки; в производственной – аккумуляторы.

Источник Э.Д.С. и источник тока

Читайте также: Понижающие DC-DC преобразователи: принципы работы и уникальные решения TAEJIN Technology

Рисунок1 — Обозначение на схемах источникаЭДС (слева) и реального источниканапряжения (справа)

ИсточникЭДС

(
идеальныйисточник напряжения
) — двухполюсник, напряжение назажимах которого постоянно (не зависитот тока в цепи). Напряжение может бытьзадано как константа, как функциявремени, либо как внешнее управляющеевоздействие.

Впростейшем случае напряжение определенокак константа, то есть напряжениеисточника ЭДС постоянно.

Рисунок3 — Нагрузочная характеристика

Идеальныйисточник напряжения (источник ЭДС)является физической абстракцией, тоесть подобное устройство не можетсуществовать. Если допустить существованиетакого устройства, то электрическийток I

,протекающий через него, стремился бы кбесконечности при подключениинагрузки,сопротивление
RH
которойстремится к нулю. Но при этом получается,что мощность источникаЭДС также стремится к бесконечности,так как .Но это невозможно, по той причине, чтомощность любого источника энергииконечна.

Вреальности, любой источник напряженияобладает внутренним сопротивлением r

,которое имеет обратную зависимость отмощности источника. То есть, чем большемощность, тем меньше сопротивление (призаданном неизменном напряжении источника)и наоборот. Наличие внутреннегосопротивления отличает реальный источникнапряжения от идеального. Следуетотметить, что внутреннее сопротивление —это исключительно конструктивноесвойство источника энергии. Эквивалентнаясхема реального источника напряженияпредставляет собой последовательноевключение источника ЭДС —
Е
(идеальногоисточника напряжения) и внутреннегосопротивления —
r
.

Разница между источником тока и источником напряжения

Трудно представить современный мир без электричества, телефон останется без подзарядки, а просмотр фильма попросту станет невозможен. Да, без этого явления жизнь покажется тяжелой. Но для того чтобы получить его, нужен поток энергии, физическая составляющая которого, может иметь различный характер. В электротехнике принято подразделять элементы питания на две группы: по постоянному току или напряжению. Они бывают идеальными, но существующие лишь в теории и реальные, которые возможно увидеть на практике.

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.

Общие сведения

Упорядоченное движение электрических зарядов в физическом теле называют током. Значит, для того чтобы он существовал необходима какая-то сила, воздействующая на обладающие энергией элементарные частицы. Причём её действие должно быть постоянной для поддержания необходимого электротока в установленный промежуток времени. Именно для этого и используют источники электрического тока, приборы, которые умеют генерировать электричество.

Создание первого источника датируется 1800 годом, когда физик Вольт представил сообществу прибор, названный им «электродвижущий аппарат». Позже он получил официальное название «вольтов столб». Принцип работы этого устройства заключался в растворении цинковой пластины, соединённой с медным проводником. Физик придал приспособлению вертикальную форму и разместил химические вещества поочерёдно. В итоге получился как бы слоёный пирог. Между пластинами цинка и меди заливался электролит.

Полуметровый столб Вольта подключался к замкнутой цепи, причём медный вывод считался плюсовым, а цинковый минусовым. Таким образом, Вольт, не поняв действительной причины возникновения тока, практически пришёл к созданию гальванического элемента, действие которого основывалось именно на превращении химической энергии в электрическую.

Несмотря на то что Вольт так и не смог понять действительную причину появления тока его прибор стал популярен среди учёных исследовавших электричество. Как выяснилось впоследствии «вольтов столб» стал прототипом гальванической батареи. В 1830 году русский учёный Петров на базе изобретения француза создал источник, выдающий 1,7 киловольта. Длина его установки составляла 12 метров, а мощность 85 ватт.

Сегодня под источником тока понимают генератор способный преобразовывать различного рода матерею в электричество, то есть создавать электромагнитное поле.

Следует отметить, что в электротехнике источники разделяют на два вида: тока и напряжения.

Отличия их в следующем:

генератор тока выдаёт постоянный поток электронов в независимости от напряжения и, по сути, является конденсатором с бесконечной ёмкостью;

источник напряжения обеспечивает постоянную разность потенциалов и похож на аккумулятор.

Но на самом деле эти различия чисто теоретические, на практике же отличия не существуют. Это связано с тем, что изготовить идеальный прибор невозможно. То есть такой, на который не влияет нагрузка приёмника, а внутреннее сопротивление нулевое.

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.

Читайте также: 4 Категории коннектора RJ-45! 568a и 568b В Чем Разница?

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.

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.

Вам это будет интересно Особенности мощности постоянного тока

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

Идеальный источник напряжения (ЭДС)

У идеального устройства, напряжение является неизменным параметром и не зависит от значения нагрузочного тока, вместе с тем, его внутреннее сопротивление равно 0. Если создание данного прибора было бы возможным, то он представлял источник бесконечной мощности. Величина тока и мощности при подключенной нагрузке стремилась к бесконечному числу. Но, как мы знаем мощность, имеет конечное значение.

Описанный элемент питания, является теоретическим понятием, на практике таких условий достичь невозможно, поэтому применяется лишь в моделировании процессов.

Как найти напряжение источника

Под источником понимают элемент, питающий цепь электромагнитной энергией. Эта энергия потребляется пассивными элементами цепи – запасается в индуктивностях и емкостях и расходуется в активном сопротивлении. Примерами реальных источников электромагнитной энергии могут служить генераторы постоянных, синусоидальных и импульсных сигналов разнообразной формы, сигналы, получаемые от различных датчиков, антенн радиоприемных устройств, источники питания, сигналы, поступающие с выходов электронных устройств и т.д.

Для анализа цепей удобно вводить идеализированные источники двух видов: источник напряжения и источник тока, которые учитывают главные свойства реальных источников. При соответствующем дополнении идеализированных источников пассивными элементами можно передать все свойства реальных источников по отношению к их внешним выводам.

Источник напряжения. Подисточником напряжения понимают такой элемент с двумя выводами (полюсами), напряжение между которыми задано в виде некоторой функции времени независимо от тока, отдаваемого во внешнюю цепь. Зависимость напряжения от тока идеального источника напряжения показана на рис. 1.3. Такой идеализированный источник способен отдавать неограниченную мощность. Наиболее часто применяемые условные графические изображения источника напряжения показаны на том же рисунке, где принятая положительная полярность напряжения источника указывается либо стрелкой внутри кружочка, либо знаками “+”, “-”.

Реальные источники сигнала имеют внутренние сопротивления. К источнику напряжения внутреннее сопротивление подключается последовательно. На рис. 1.4 показаны вольтамперная характеристика и схема реального источника напряжения. Для реального источника выходное напряжение будет равно

Из формулы видно, что выходное напряжение реального источника тока зависит от тока нагрузки Iн. Чем больше ток нагрузки, тем больше падает напряжение на внутреннем сопротивлении источника, и меньшая часть напряжения U поступает на нагрузку (на выход). С другой стороны, чем больше внутреннее сопротивление Rвн при неизменном токе нагрузки, тем больше падает на нем напряжения, что ведет к уменьшению напряжения на выходе источника. Применительно к электронным схемам внутреннее сопротивление источника часто называют выходным сопротивлением.

В случае идеального источника напряжения, его внутреннее сопротивление равно 0 и напряжение на нагрузке не зависит от тока нагрузки. При этом ток нагрузки может возрастать до бесконечности, если сопротивление нагрузки будет стремиться к 0. В действительности невозможно построить идеальный источник напряжения во всем диапазоне изменения выходного тока. Однако, во многих случаях, для ограниченного диапазона изменения выходного тока некоторые источники можно рассматривать как идеальные.

Например, источник питания в диапазоне рабочих токов имеет очень малое внутреннее сопротивление, которым можно пренебречь, по сравнению с сопротивлением нагрузки. Или другой пример, выходное сопротивление операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, может достигать нескольких сотых долей Ома. Таким внутренним сопротивлением можно пренебречь и рассматривать выход операционного усилителя как идеальный источник напряжения в диапазоне допустимых выходных токов.

Реальный источник напряжения

В реальности имеем устройство ЭДС, которое характеризуется наличием внутреннего сопротивления, по этой причине ток будет иметь граничное значение. В большинстве устройств внутреннее сопротивление незначительная величина, если сравнивать с внешними показателями, и чем меньше это параметр, тем ближе к идеальному варианту. При увеличении тока будет происходить падение напряжения. В расчетах обозначается как идеальный источник ЭДС с подключенным последовательно сопротивлением. Ток через источник равен 0, если создан режим холостого хода. При возникновении короткого замыкания, примет максимальное значение, а разность потенциалов на выходе станет равной 0.

В качестве примера можно рассмотреть аккумуляторную батарею, принцип работы которой, основан на химической реакции.

источники:

https://elmag.nsu.ru/doku.php?id=lab5:common5

https://odinelectric.ru/elektrosnabzhenie/vidy-istochnikov-electricheskogo-toka

https://math-nttt.ru/teoriya/otlichie-istochnika-toka-ot-napryazheniya.html