ЭДС. Закон Ома для полной цепи. Напряжение источника

Элемент электрической цепи, предназначенный для получения электроэнергии, принято называть источни­ком электрической энергии. В источнике проис­ходит преобразование в электрическую энергию других: видов энергии.

На практике применяют следующие основ­ные источники: электромеханические генераторы (элект­рические машины для преобразования механической энер­гии в электрическую), электрохимические источники (гальванические элементы, аккумуляторы), термоэлектро­генераторы (устройства прямого преобразования тепловой энергии в электрическую), фотоэлектрогенераторы (преобразователи лучистой энергии в электрическую).

Принципы преобразования тепловой, лучистой и хими­ческой энергии в электрическую изучаются в курсе фи­зики.

Общим свойством всех источников является то, что в них происходит разделение положительного и отрицательного зарядов и образуется электродвижу­щая сила (ЭДС). Что такое ЭДС?

В простейшей электрической цепи на перемещение заряда q по контуру замкнутой цепи (рис. 2.8) затрачи­вается работа источника А_и.

Источник затрачивает одинаковую работу на переме­щение каждой единицы заряда. Поэтому с увеличением q прямо пропорционально растет А_и, а их отношение A_и/q, называемое электродвижущей силой, оста­ется неизменным:

E = A_и/q. (2.12)

ЭДС численно равна работе, которую совершает источ­ник, проводя заряд 1 Кл по замкнутому контуру цепи (1).

Единица ЭДС, как и напряжения,— вольт (В).

Благодаря ЭДС в электрической цепи поддерживает­ся определенное значение тока.

Так как ЭДС не зависит от q, а ток I = q/t_, то ЭДС источника не зависит от тока (2).

При изменении тока изменяется мощность источника Р_и. Используя выражения P_и =A_и/t, A_и = qE и q = It,

получаем формулу для расчета мощности источника:

Р_и = EI. (2.13)

Таким образом, при изменении сопротивления приемника изменяется ток цепи, мощность источника и мощность приемника. При этом соблюдается положение (5) и непрерывно действует постоянная ЭДС, создающая ток.

В соответствии с балансом мощности

P_и=P+P_в,

где Р — мощность приемника; Р_в — потери на внутреннем сопротивлении R_B источника (потерями в соедини­тельных проводах пренебрегаем).

Подставляя в это уравнение значение мощности из формул (2.10), (2.13), используя положение (3) получаем:

EI=UI+UJ;

E=U+U_в (2.14)

(действие равно сумме противодействий).

В замкнутой цепи ЭДС встречает противодействие суммы падений напряжений на участках цепи.

Используя выражение (2.14) и закон Ома, получаем

E = IR + IR_B. (2.15)

В этом уравнении Е и R_B как параметры источника по­стоянные. При изменении сопротивления приемника R изменяет свое значение ток. Ток в цепи имеет строго определенное значение, необходимое для создания падений напряжений на участках цепи, уравновешивающих ЭДС (3). Аналогично в механике скорость движения тел такая, при которой вызванное этой скоростью противодействие сил трения уравновешивается действием сил, двигающих тело.

Из уравнения (2.15) ток

I = E/(R + R_B). (2.16)

Эта формула отражает закон Ома для всей цепи: сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС источ­ника.

Следует отметить, что уравнение (2.14) является частным случаем второго закона Кирхгофа, ко­торый формулируется так: алгебраическая сумма ЭДС любого замкнутого контура электрической цепи равна алгебраической сумме падений напряжений на сопротивлениях контура:

ΣΕ=ΣIR (2.17)

В паспортах устройств (источников, приемников, аппаратов, приборов), в каталогах приводятся значения токов, напряжений, мощностей, на которые устройство рассчитано заводом-изготовителем для нормального, называемого номинальным, режима работы. Источники характеризуются номинальными мощностью P_H0M, током I_ном и напряжением U_H0M.

Для рис. 2.8 напряжение на зажимах источника и приемника одно и то же (так как они подключены к общим зажимам). Это напряжение определим из формулы (2.14):

U = E — IR_B, (2.18)

где R_в — внутреннее сопротивление источника.

Напряжение на зажимах источника, работающего генератором, меньше ЭДС на величину падения напряже­ния на внутреннем сопротивлении источника (4).

При номинальном токе напряжение источника номи­нальное. При изменении режима цепи (изменении тока), в соответствии с формулой (2.18), изменяется напряжение. Если отклонения напряжения, тока, мощности нахо­дятся в допустимых пределах, такой режим называют рабочим.

Если же цепь разомкнута, ток равен нулю. Такой режим цепи или ее элементов называется режимом холостого хода (XX).

Из формулы (2.18) следует, что в режиме холостого хода U = Е.

ЭДС источника можно измерить вольтметром (рис. 2.9) как напряжение на его зажимах в режиме холостого хода (5).

Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с одним или несколькими элементами, называется режимом короткого замыкания (КЗ).

При КЗ R = 0, поэтому U = I_KR=0 и действию ЭДС противодействует только падение напряжения внутри источника E= I _кR_в (рис. 2.10).

Внутреннее сопротивление источников, как правило, мало. Поэтому ток КЗ I_К = Е/R_В большой, опасный для источника и проводов тепловым действием. Для защиты от КЗ источников и проводов тепловым действием. Для защиты от КЗ источников и других элементов цепи нередко при­меняют плавкие предохранители, вставки которых пере­горают от тока КЗ и обрывают цепь.

На практике иногда пренебрегают внутренним сопротивлением источника, считая его равным нулю. В этом случае напряжение источника по формуле (2.18) равно ЭДС при любом токе и на схемах показывают не ЭДС источника (как на рис. 2.8), а напряжение на его зажимах.