Источники электрической энергии.

Источники электрической энергии являются необходимым элементом любой электрической цепи.

Их разделяют на идеальные и реальные источники. В свою очередь, идеальные источники делятся на источники электродвижущей силы (ЭДС) и источники тока .

Направление стрелки в условном обозначении источника ЭДС указывает направление действия ЭДС, поэтому направление падения напряжения на выходных зажимах источника всегда противоположно.

Источники ЭДС и источники тока часто рассматриваются как некие абстракции, не имеющие реального физического воплощения. Однако, это справедливо только, если считать , что их ВАХ не имеют ограничения. В этом случае ток через источник ЭДС или падение напряжения на источнике тока могут достигать бесконечно больших значений. При этом мощность источника (P=UЧI) должна быть бесконечно большой, что исключает возможность технической реализации.

Если же ток и/или напряжение источника ограничено, то свойствами идеального источника обладают, например, стабилизированные источники питания, типичная ВАХ которых приведена на рис. 1

Выходное напряжение такого устройства U_вых постоянно до тех пор, пока ток нагрузки не достигнет максимально допустимого значения I_max, после чего источник питания из режима стабилизации напряжения переходит в режим стабилизации тока. В пределах обоих режимов источник питания обладает свойствами соответственно идеального источника ЭДС и источника тока.

Реальные источники электрической энергии (ИЭ) имеют ВАХ, показанную на рис. 2.

ВАХ реальных источников пересекает обе оси координат и эти точки пересечения соответствуют нулевому току через источник и нулевому падению напряжения. Режим с нулевыи током и ненулевым падением напряжения называется холостым ходом, а режим с нулевым падением напряжения и ненулевым током на выходе - коротким замыканием.

Уравнение ВАХ ИЭ представляет собой уравнение прямой линии в координатах U-I. Его можно получить из уравнения прямой линии, проходящей через начало координат I = - Ug = -U/r либо из обратной функции U = -Ir , где r - коэффициент соответствующий котангенсу угла наклона к оси U и имеющий размерность сопротивления, а g = 1/r - тангенс угла наклона с размерностью проводиомсти. Для получения ВАХ ИЭ можно сместить линию I = - Ug на величину тока короткого замыкания

или обратную функцию U = -Ir сместить на величину напряжения холостого хода.

В выражениях (1) и (2) ток короткого замыкания I_кз и напряжение холостого хода U_хх являются константами, поэтому их можно заменить равным по значению током J и ЭДС E соответствующих идеальных источников, т.к. параметры идеальных источников также являются константами. Тогда выражениям (1) и (2) можно поставить в соответствие электрические схемы рис. 3 а) и б).

В ИЭ сопротивление r и проводимость g называются соответственно внутренним сопротивлением и внутренней проводимостью источника.

Из выражений (1) и (2) следует, что ток I на выходе ИЭ отличается от значения тока внутреннего источника J на величину тока Ug, ответвляющегося внутри ИЭ через проводимость g. Аналогично, напряжение U на выходе источника отличается от значения ЭДС внутреннего источника на величину падения напряжения Ir на внутреннем сопротивлении r. Поэтому, чем меньше внутреннее сопротивление ИЭ r, тем ближе его свойства к свойствам идеального источника.

При r® 0 ИЭ становится источником ЭДС, однако, в эквивалентной схеме с источником тока g = 1/r® Ґ , и J = E/r ® Ґ . Отсюда следует, что при преобразовании источника ЭДС с конечными значениями параметров мы получим ИЭ с бесконечным значением тока. Идентичные рассуждения можно привести и для преобразования ИЭ с источником тока при g® 0.

Параметры ИЭ в схемах а) и б) связаны между собой следующими соотношениями:

Для этих трех случаев выражения (3) и(4) преобразуются с учетом того, что I_хх=0, и U_кз=0, к виду представленному в таблице 1:

На практике параметры ИЭ можно определить также с помощью переменной нагрузки без одновременного измерения тока и напряжения. Для этого достаточно, например, измерить напряжение холостого хода U_хх, а затем подключить и изменять нагрузку до тех пор, пока падение напряжения на ней не станет равным U_хх/2. Можно также измерить ток короткого замыкания I_кз , а затем подключить и изменять нагрузку до тех пор, пока ток в ней не станет равным I_кз/2. В обоих случаях внутреннее сопротивление источника r будет равно сопротивлению нагрузки R_н.

Рассмотрим подробнее этот способ для случая ИЭ с источником ЭДС показанного на рис. 4. При подключении нагрузки R_н напряжение на выходе источника уменьшается в два раза, т.е. U_хх = E =2U_н . В то же время, U_н = E - Ir. Отсюда внутреннее сопротивление

Аналогично для схемы ИЭ с источником тока после подключения нагрузки ток во внешней цепи уменьшится вдвое, т.е. I_кз = J =2I_н и I_н = J - Ug . Тогда

Пусть источник имеет вольтамперную характеристику, представленную на рис. 5, и пусть к нему поочередно подключаются две различные нагрузки, соответствующие работе источника в точках A и B. Причем нагрузки выбраны таким образом, что I_B=I_кз-I_A=D _I и U_A=U_хх-U_B=D _U , т.е. отклонение тока в точке A от тока короткого замыкания равно току в точке B, а отклонение напряжения в точке B от напряжения холостого хода равно напряжению в точке A.

Выразим отклонения тока и напряжения в относительных единицах, приняв за базовые значения напряжение холостого хода U_хх и ток короткого замыкания источника I_кз -

Тогда напряжение и ток в нагрузке в точках A и B будут

где r - внутреннее сопротивление источника. В то же время из (5)

Таким образом, замена реального источника на источник тока или источник ЭДС приведет к появлению положительной погрешности d , величина которой зависит от отношения величин внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки (l = 1/m ). При замене источником тока для оценки погрешности нужно брать отношение m , а при замене источником ЭДС - отношение l .

Зависимости d (l) и d (m) совершенно идентичны (рис. 6) и из них следует, что при R_н > 20r исключение внутреннего сопротивления источника и представление его источником ЭДС приведет к погрешности менее 5%. Такую же погрешность создаст замена реального источника на источник тока, если 20R_н < r .

Знаете ли Вы, что, как и всякая идолопоклонническая религия, релятивизм ложен в своей основе. Он противоречит фактам. Среди них такие:
1. Электромагнитная волна (в религиозной терминологии релятивизма - "свет") имеет строго постоянную скорость 300 тыс.км/с, абсурдно не отсчитываемую ни от чего. Реально ЭМ-волны имеют разную скорость в веществе (например, ~200 тыс км/с в стекле и ~3 млн. км/с в поверхностных слоях металлов, разную скорость в эфире (см. статью "Температура эфира и красные смещения"), разную скорость для разных частот (см. статью "О скорости ЭМ-волн")
2. В релятивизме "свет" есть мифическое явление само по себе, а не физическая волна, являющаяся волнением определенной физической среды. Релятивистский "свет" - это волнение ничего в ничем. У него нет среды-носителя колебаний.
3. В релятивизме возможны манипуляции со временем (замедление), поэтому там нарушаются основополагающие для любой науки принцип причинности и принцип строгой логичности. В релятивизме при скорости света время останавливается (поэтому в нем абсурдно говорить о частоте фотона). В релятивизме возможны такие насилия над разумом, как утверждение о взаимном превышении возраста близнецов, движущихся с субсветовой скоростью, и прочие издевательства над логикой, присущие любой религии.
4. В гравитационном релятивизме (ОТО) вопреки наблюдаемым фактам утверждается об угловом отклонении ЭМ-волн в пустом пространстве под действием гравитации. Однако астрономам известно, что свет от затменных двойных звезд не подвержен такому отклонению, а те "подтверждающие теорию Эйнштейна факты", которые якобы наблюдались А. Эддингтоном в 1919 году в отношении Солнца, являются фальсификацией. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Схема замещ.	Исходные параметры
Схема замещ.	U_хх, U, I	I_кз , U, I	U_хх, I_кз
Рис. 3 а)	J = U_хх I/(U_хх-U) g = I/(U_хх-U)	J = I_кз g = (I_кз-I)/ U	J = I_кз g = I_кз/ U_хх
Рис. 3 б)	E = U_хх r = (U_хх-U)/ I	E = I_кзU/(I_кз-I) g = (I_кз-I)/ U	E = U_хх r = U_хх/ I_кз

Идеальные источники		Источники электрической энергии
ЭДС	Тока	Источники электрической энергии


E = const r = 0 g= Ґ	J = const r = Ґ g = 0	E = U_хх = J/g J = I_кз = E/r r = -ctga = E/J = 1/g g = -tga = J/E = 1/r

	(7)
.	(8)