Электродвижущая сила и напряжение источника электрической энергии, холостой ход и короткое замыкание

Э.д.с. и напряжение источника электрической энергии. На основании закона Ома э.д.с. источника электрической энергии равна сумме напряжений I_r на внешнем участке цепи (рисунок 6) и Ir₀ на внутреннем сопротивлении источника, т. е.

(12)

Величина называется потерей напряжения внутри источника электрической энергии.

Учитывая, что напряжение U_и на зажимах источника электрической энергии равно напряжению Ir во внешней цепи, получим

(13)

Эта формула показывает, что э.д.с. источника электрической энергии больше напряжения на его зажимах на величину потери напряжения внутри источника.

Рассмотрим режимы работы источника в следующих трех случаях: ко­гда электрическая цепь разомкнута, когда она замкнута на некоторое сопро­тивление (режим нагрузки) и когда сопротивление внешней цепи равно нулю (короткое замыкание).

Холостой ход. Режимом холостого хода называется такой режим ра­боты источника электрической энергии, при котором присоединенная к нему электрическая цепь разомкнута, т. е. тока в цепи нет. В этом случае потеря напряжения равна нулю и формула (13) примет вид:

(14)

Таким образом, при разомкнутой электрической цепи (при режиме хо­лостого хода) напряжение на зажимах источника электрической энергии равно его э.д.с. Это обстоятельство можно использовать для измерения э.д.с. источников электроэнергии.

Режим нагрузки. Режимом нагрузки называют такой режим работы ис­точника электрической энергии, при котором электрическая цепь замкнута и по ней проходит некоторый ток I, определяемый сопротивлением приемников электрической энергии, подключенных к источнику. В этом случае внутри источника электрической энергии имеет место потеря напряжения , зависящая от силы тока I, созданного данной нагрузкой: чем больше ток на­грузки, тем меньше напряжение покажет вольтметр на зажимах источника электрической энергии. В зависимости от величины внутреннего сопротивле­ния r₀ источники электрической энергии условно подразделяются на источ­ники напряжения и источники тока.

В источниках напряжения сопротивление r₀ мало и обычно во много раз меньше сопротивления внешней цепи r, вследствие чего изменение r вы­зывает заметное изменение силы тока. Напряжение же U_и на зажимах источ­ника изменяется мало. В идеальном источнике это напряжение считается не­изменным, так как в этом случае r₀ принимается равным нулю. Источниками напряжения являются генераторы, аккумуляторы и гальванические элементы.

В источниках тока сопротивление r₀ велико и обычно во много раз больше сопротивления r, поэтому изменение r мало сказывается на величине тока. Ток идеального источника тока считается неизменным, так как внешнее сопротивление r принимается равным нулю. Источниками тока являются раз­личные устройства электроники, выполненные на транзисторах и электрон­ных лампах, имеющих большое внутреннее сопротивление.

Короткое замыкание. Коротким замыканием называют такой режим работы источника электрической энергии, когда его зажимы замкнуты про­водником, сопротивление которого можно считать равным нулю. Короткое замыкание возникает при соединении между собой проводов (рисунок 7), связывающих источник электрической энергии с приемником, так как эти провода имеют обычно незначительное сопротивление и его можно принять равным нулю. Короткое замыкание может происходить и при повреждении изоляции проводов.

Рисунок 7 – Электрическая цепь при коротком замыкании

При коротком замыкании сила тока

(15)

Ввиду того что внутреннее сопротивление источника r₀ обычно очень мало, сила тока в цепи возрастает до весьма больших значений. Короткое замыкание является аварийным режимом, так как возникающий при этом большой ток может привести в негодность как сам источник, так и включен­ные в цепь приборы, аппараты и провода. Лишь для некоторых специальных типов генераторов, например сварочных, короткое замыкание не представ­ляет опасности и является нормальным рабочим режимом.