Эдс источник тока: Формула ЭДС в физике — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Источник ЭДС | Электрикам

Источник эдс (или идеальный источник напряжения) — это активный элемент с двумя зажимами, напряжение на которых не зависит от тока, проходящего через источник. В таком идеальном источнике отсутствуют пассивные элементы, т.е. у источника нету сопротивления индуктивности и ёмкости.
В связи отсутствием пассивных элементов при прохождении тока через источник не создается падение напряжения. Упорядоченное перемещение от меньшего потенциала к большему возможно за счёт присущих источнику сторонних сил. Величина работы затрачиваемой на перемещение единицы положительного заряда от «-» к зажиму «+», называется электро движущей силой (ЭДС) источника и обозначается e(t).

В соответствии со сказанным выше напряжение на зажимах рассматриваемого источника равно его ЭДС. U(t) = e(t)

УГО(условно графическое обозначение)

УГО идеального источника напряжения Рис1. Здесь стрелкой или знаками «+» и «-» указанно направление ЭДС.

Величина тока в пассивной электрической цепи, подключенной к источнику напряжения, зависит от параметров этой цепи и эдс.

Если зажимы идеального источника напряжения замкнуть, то ток теориотически должен быть бесконечно велик.

формула i=e/r+R

где:

r — внутреннее сопротивление источника (r=0)
R — сопротивление внешне электрической цепи (при коротком замыкании R=0)

Поэтому этот источник рассматривают как бесконечный источник мощности (Теоретическое понятие). В действительности при замыкании реального источника его ток будет ограничен, так как в реальном источнике (батарейка, генератор…) есть внутреннее сопротивление(L, r).

Реальный источник напряжения ( или источник конечной мощности ) изображается как идеальный источник с подключенным к нему последовательно пассивным элементом характеризующим внутренние параметры источника и ограничивающие мощность отдаваемую во внешнею электрическую цепь. Обычно внутренние параметры источников незначительны по сравнению с параметрами внешней цепи. Они могут отнесены к последней или вообще не учитываться (если не требуется большая точность).

1.5. Источник эдс и источник тока в электрических цепях

При расчете и анализе электрических цепей реальный источник электрической энергии с конечным значением величины внутреннего сопротивления r

0 заменяют расчетным эквивалентным источником ЭДС или источником тока.

Рис. 1.14

Источник ЭДС (рис. 1.14) имеет внутреннее сопротивление r₀, равное внутреннему сопротивлению реального источника. Стрелка в кружке указывает направление возрастания потенциала внутри источника ЭДС.

Для данной цепи запишем соотношение по второму закону Кирхгофа

(1.10)

E = U + Ir₀ или E = U — Ir₀.

Эта зависимость напряжения U на зажимах реального источника от тока I определяется его вольт-амперной или внешней характеристикой (рис. 1.15). Уменьшение напряжения источника U при увеличении тока нагрузки I объясняется падением напряжения на его внутреннем сопротивлении r


Рис. 1.15	Рис. 1.16

У идеального источника ЭДС внутреннее сопротивление r₀ << R_н (приближенно r₀0). В этом случае его вольт-амперная характеристика представляет собой прямую линию (рис. 1.16), следовательно, напряжение U на его зажимах постоянно (U=E) и не зависит от величины сопротивления нагрузки R

н.

Рис. 1.17

Источник тока, заменяющий реальный источник электрической энергии, характеризуется неизменным по величине током I_к, равным току короткого замыкания источника ЭДС , и внутренним сопротивление r₀, включенным параллельно (рис. 1.17).

Стрелка в кружке указывает положительное направление тока источника. Для данной цепи запишем соотношение по первому закону Кирхгофа

I_к = I₀ + I; .

В этом случае вольт-амперная (внешняя) характеристика I(U) источника тока определится соотношением

(1.11)

I = I_к — I₀ = I_к — U/r₀

и представлена на рис. 1.18.


Рис. 1.18	Рис. 1.19

Уменьшение тока нагрузки I при увеличении напряжения U на зажимах ab источника тока, объясняется увеличением тока Iо, замыкающегося в цепи источника тока.

В идеальном источнике тока r₀>>R_н. В этом случае можно считать, что при изменении сопротивления нагрузки R_н потребителя Iо0, а II

к. Тогда из выражения (1.11) следует, что вольт-амперная характеристика I(U) идеального источника тока представляет прямую линию, проведенную параллельно оси абсцисс на уровне I = I_к = E/r₀ (рис. 1.19).

При сравнении внешних характеристик источника ЭДС (рис. 1.15) и источника тока (рис. 1.18) следует, что они одинаково реагируют на изменение величины сопротивления нагрузки. Покажем, что в обоих случаях ток I в нагрузке определяется одинаковым соотношением.

Ток в нагрузке R_н для схем источника ЭДС (рис. 1.14) и источника тока (рис. 1.17) одинаков и равен .

Для схемы (рис. 1.14) это следует из закона Ома, т.к. при последователь-ном соединении сопротивления r

0 и R_н складываются. В схеме (рис. 1.17) ток распределяется обратно пропорционально сопротивлениям r₀ и R_н двух параллельных ветвей. Ток в нагрузке R_н

т.е. совпадает по величине с током при подключении нагрузки к источнику ЭДС. Следовательно, схема источника тока (рис. 1.17) эквивалентна схеме источника ЭДС (рис. 1.14) в отношении энергии, выделяющейся в сопротивлении нагрузки R_н, но не эквивалентна ей в отношении энергии, выделяющейся во внутреннем сопротивлении источника питания.

Каким из двух эквивалентных источников питания пользоваться, не играет существенной роли. Однако на практике, особенно при расчете электротехнических устройств, чаще используется в качестве источника питания источник ЭДС с внутренним сопротивлением r

0 и величиной электродвижущей силы Е.

В тех случаях, когда номинальное напряжение или номинальный ток и мощность источника электрической энергии оказываются недостаточными для питания потребителей, вместо одного используют несколько источников. Существуют два основных способа соединения источников питания: последовательное и параллельное.

Последовательное включение источников питания (источников ЭДС) применяется тогда, когда требуется создать напряжение требуемой величины, а рабочий ток в цепи меньше или равен номинальному току одного источника ЭДС (рис. 1.20).

Рис. 1.20

Для этой цепи на основании второго закона Кирхгофа можно записать

E₁ + E₂ + E₃ = I(r₀₁ + r₀₂ + r₀₃ + R_н),

откуда

Таким образом, электрическая цепь на рис. 1.20 может быть заменена цепью с эквивалентным источником питания (рис. 1.21), имеющим ЭДС E_э и внутреннее сопротивление rэ.

Рис. 1.21

Рис. 1.22

При параллельном соединении источников (рис. 1.22) соединяются между собой положительные выводы всех источников, а также их отрицательные выводы. Характерным для параллельного соединения является одно и то же напряжение U на выводах всех источников. Для электрической цепи на рис. 1.22 можно записать следующие уравнения:

I = I₁ + I₂ + I₃; P = P₁ + P₂ + P₃ = UI₁ + UI₂ + UI₃ = UI.

Как видно, при параллельном соединении источников ток и мощность внешней цепи равны соответственно сумме токов и мощностей источников. Параллельное соединение источников применяется в первую очередь тогда, когда номинальные ток и мощность одного источника недостаточны для питания потребителей. На параллельную работу включают обычно источники с одинаковыми ЭДС, мощностями и внутренними сопротивлениями.

Источники ЭДС и источники тока, их свойства и характеристики. — Студопедия

В теории электрических цепей пользуются идеализированными источниками электрической энергии: источником ЭДС и источником тока. Им приписываются следующие свойства.

Источник ЭДС (или идеальный источник напряжения) представляет собой активный элемент с двумя зажимами, напряжение на которых не зависит от тока

, проходящего через источник.

Предполагается, что внутри такого идеального источника пассивные элементы (R — сопротивление {[(R=p∙l ÷ S, где p – удельное сопротивление проводника, l – длина проводника, s – площадь его сечения)]}, L – индуктивность {[(L = F : I, где — магнитный поток, — ток в контуре)]}, С – емкость

{[( , где — заряд, — потенциал проводника)]} отсутствуют, и поэтому прохождение через него тока не вызывает в нем падения напряжения.

Упорядоченное перемещение положительных зарядов в источнике от меньшего потенциала к большему возможно за счет присущих источнику сторонних сил. Величина работы, затрачиваемой сторонними силами на перемещение единицы положительного заряда от зажима «-» к зажиму «+», называется электродвижущей силой (ЭДС) источника и обозначается е(t).

В соответствии со сказанным выше напряжение на зажимах рассматриваемого источника равно его ЭДС, т. е. u(t) = е(t).

Условные обозначения идеального источника напряжения приведены на рисунке 1.12, а и б. Здесь стрелкой или знаками «+» и «-» указано положительное направление ЭДС, или полярность источника, т.е. направление возрастания потенциала в источнике для тех моментов времени, в которые функция е(t) положительна.

Источник тока(в теории электрических цепей) — двухполюсник, создающий в нагрузке электрический ток, причем сила тока не зависит от сопротивления нагрузки. Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока. Источник тока — модель реального источника электроэнергии или часть такой модели.

В источнике тока, ток не зависит от напряжения на нагрузке. Ток источника определяется как

где, u- напряжение, g_{вн —} внутренняя проводимость источника тока.

Напряжение на клеммах источника тока (не путать с реальным источником!) зависит только от сопротивления нагрузки:

Мощность, отдаваемая источником тока в нагрузку,

Поскольку для источника тока , то напряжение на его клеммах и мощность, передаваемая им в нагрузку, с ростом сопротивления нагрузки возрастают, достигая в пределе бесконечных значений.

Величина тока в пассивной электрической цепи, подключенной к источнику напряжения, зависит от параметров этой цепи и ЭДС е(t). Если зажимы идеального источника напряжения замкнуть накоротко, то ток теоретически должен быть бесконечно велик. Поэтому такой источник рассматривают как источник бесконечной мощности (теоретическое понятие). В действительности при замыкании зажимов реального источника электрической энергии — гальванического элемента, аккумулятора, генератора и т.д. — ток может иметь только конечное значение, так как ЭДС источника уравновешивается падением напряжения от тока внутри источника (например, в сопротивлении R, индуктивности L).

Источник напряжения конечной мощности изображается в виде источника ЭДС с подключенным к нему последовательно пассивным элементом, который характеризует внутренние параметры источника и ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю электрическую цепь.

Графическое изображение источника постоянного тока показано на (рис. 10 а), а изображение источника переменного тока показано на (рис. 10 б). Вольтамперная характеристика (ВАХ) идеального источника тока показана на (рис. 10 в.)

Рис. 10.

Такая вольтамперная характеристика возможна только в том случае, если сопротивление внутренней структуры источника равно бесконечности.

На практике идеальных источников не существует

Электротехника часть 3 электрические цепи

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказал о таких понятиях, как электрический ток, напряжение, сопротивление и основополагающем законе постоянного тока – законе Ома. Но этого, несомненно, мало для полного понимания процессов и возникающих закономерностей при функционировании электронных схем. В дальнейших статьях я постепенно буду формировать целостную картину такой интересной области техники как электроника.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Составные части электрических цепей

Как известно, для того, чтобы электрический ток в проводниках существовал длительное время необходимо, во-первых, существование разности потенциалов или напряжения, а во-вторых, восполнение необходимого количества разноимённых зарядов для возникновения этой разности потенциалов. Данным условиям соответствует некоторая совокупность элементов называемая электрической цепью.

Таким образом, электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, которые образуют путь для электрического тока и электромагнитные процессы, в которых могут быть описаны с помощью понятий ЭДС, напряжения и электрического тока. Кроме того, для протекания электрического тока необходима замкнутая электрическая цепь. В общем случае электрическая цепь состоит из источника электрической энергии, приемника электрической энергии, соединительных проводов, а также вспомогательных элементов, выполняющих разнообразные функции.

Источником электрической энергии является устройство, которое выполняет преобразование неэлектрической энергии в электрическую. Например, аккумуляторы осуществляют преобразование энергии химических реакций в электрическую энергию, а генераторы – преобразование механической энергии. Таким образом, как известно из предыдущей статьи источники энергии называют также источниками ЭДС.

Приёмником электрической энергии, также называемые нагрузками является устройство, в котором выполняется действие противоположное источнику энергии, то есть электрическая энергия преобразуется в неэлектрическую. Например, в лампочке электрическая энергия преобразуется в световую и тепловую энергию, а в электродвигателе – в механическую энергию.

К вспомогательным устройствам относятся различные коммутирующие, распределительные и измерительные приборы и объекты.

Электрические цепи изображают на чертежах в виде принципиальных электрических схем, где каждому элементу электрической цепи соответствует свой графический элемент. Принципиальные схемы показывают назначение каждого элемента цепи, а также его взаимодействие с остальными элементами, однако при расчётах они не очень удобны. Поэтому при расчётах пользуются так называемыми схемами замещения, которые также как и принципиальные схемы изображаются с помощью графических элементов, однако элементы схем замещения выбираются так, чтобы с необходимым приближением описать работу электрической цепи. Пример изображения принципиальных электрических схем и схем замещения показано ниже

Принципиальная схема (слева) и схема её замещения (справа).

Схемы замещения состоят из следующих элементов: контур, ветвь и узел. Ветвь – это один элемент либо последовательное соединение нескольких элементов. Узел – место соединения трёх и более ветвей. Контур – замкнутый путь, проходящий по ветвям так, чтобы ни один узел и ни одна ветвь не встречались больше одного раза.

Таким образом, зная параметры всех элементов схемы замещения, возможно при помощи законов электротехники определить электрическое состояние всей электрической цепи, то есть рассчитать режим её работы.

Источник ЭДС и источник тока

При анализе электрических цепей, часто используют понятие идеального элемента, то есть такого элемента, в котором сосредоточен только один параметр, в отличие от реального элемента, в котором кроме одного основного параметра имеют место быть паразитные параметры. Например, резистор можно представить в виде идеального сопротивления, однако в реальном резисторе присутствует как емкость (например, между выводами), так и индуктивность (в проволочном резисторе, где используется намотанная на керамический каркас проволока). То есть идеальные элементы используются для упрощения анализа электрической цепи.

Источники энергии в электрических цепях при анализе схем также упрощают, кроме того их делят на два типа: источники ЭДС и источники тока. Рассмотрим каждый из них в отдельности.

Идеальный источник ЭДС характеризуется тем, что напряжение на его выводах не зависит от протекающего через него тока, то есть внутри такого источника ЭДС отсутствуют пассивные элементы (сопротивление R, индуктивность L, емкость С), и поэтому падение напряжения на пассивных элементах отсутствует.

Таким образом, напряжение на его выводах равно ЭДС, а ток теоретически не имеет ограничения, то есть если замкнуть его выходные зажимы, то электрический ток должен быть бесконечно большим. Поэтому идеальный источник ЭДС можно рассматривать, как источник бесконечной мощности. Однако в реальности ток имеет конечное значение, так как падение напряжения на внутреннем сопротивлении при коротком замыкании выводов уравновешивает ЭДС источника. Таким образом, реальный источник ЭДС можно изобразить в виде идеального источника ЭДС с последовательно подключённым пассивным элементом, который ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю цепь.

Источники ЭДС: идеальный (слева) и реальный (справа).

Идеальный источник тока характеризуется тем, что ток протекающий через него не зависит от напряжения, которое присутствует на его выводах, то есть сопротивление внутри источника тока бесконечно велико и поэтому параметры внешних элементов электрической цепи не влияют на ток протекающий через источник.

Таким образом, при бесконечном увеличении сопротивления также увеличивается напряжение на выводах идеального источника тока, поэтому и мощность растёт до бесконечности, то есть получается источник бесконечной мощности. Так как в реальности мощность всё же конечна, то реальный источник тока изображается, как идеальный источник тока с параллельно подключенным пассивным компонентом, характеризующим внутренние параметры источника тока, и ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю цепь.

Источники тока: идеальный (слева) и реальный (справа).

Закон Ома для полной цепи

В предыдущей статье я рассказал о законе Ома, который устанавливает зависимость между напряжением и током, протекающим через участок цепи. Однако при попытке его применить ко всей цепи, содержащей кроме сопротивления ещё и источник напряжения, приводит к неверным результатам, так как реальный источник напряжения, как мы знаем, имеет некоторое внутреннее сопротивление.

Закон Ома для полной цепи.

Поэтому полное сопротивление цепи является суммой внутреннего сопротивления источника энергии R_ВН (обычно небольшого) и внешнего сопротивления нагрузки R_Н (практически всегда значительно большего, чем R_ВН), поэтому для полной цепи закон Ома будет иметь следующий вид

Проанализировав данное выражение можно прийти к следующим практически выводам:

При подключении к источнику питания нагрузки, напряжение источника питания меньше его ЭДС, так как на внутреннем сопротивлении R_ВН источника питания происходит падение некоторого напряжения U_ВН
Следовательно, при отключенной нагрузке напряжение источника питания будет равно ЭДС. Данное приложение используется для измерения ЭДС источников питания.
Напряжение источника питания при подключении различных нагрузок изменяется, причем, чем меньше величина сопротивления нагрузки, тем меньше величина напряжения источника питания, так как разная величина сопротивления нагрузки вызывает разный ток в цепи, а следовательно изменяется падение напряжение на внутреннем сопротивлении источника

В некоторых случаях возникает необходимость в измерении внутреннего сопротивления источника энергии. Это возможно сделать с помощью следующей схемы

Схема для измерения источника энергии.

В начале проводят замер ЭДС источника питания Е, путём размыкая ключа S1, затем замыкая ключ S1 замеряют протекающий по цепи ток I и напряжение источника питания под нагрузкой U_H. Таким образом, вычисляют падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания U_ВН. Тогда, величина внутреннего сопротивления R_ВН будет вычислена, как отношение внутреннего падения напряжения к протекающему в цепи току

Например, при разомкнутом ключе S1 напряжение на выходе источника питания составило U = E = 1,5 В. При замыкании ключа S1 ток составил I = 0,18 А, а напряжение составило U_H = 1,42 В. Тогда внутренне сопротивление R_ВН источника питания составит

КПД источника энергии

Кроме внутреннего сопротивления R_ВН и ЭДС Е источник энергии характеризуется также коэффициентом полезного действия КПД при работе на конкретную нагрузку R_Н.

Коэффициентом полезного действия КПД источника энергии называется отношение мощности приёмника энергии (мощности нагрузки) или полезной мощности Р_Н к мощности источника энергии Р. Как известно мощность выражается произведением напряжения на ток протекающий через источник энергии, то есть по отношению к источнику энергии это будет

где P_BH – мощность потерь внутри источника энергии.

Таким образом, КПД будет равен

Из вышесказанного возникает резонный вопрос, при каком КПД в нагрузку отдается наибольшая мощность? Можно было бы предположить, что максимальная мощность в нагрузку поступает при КПД η = 1 или 100 %, однако в этом случае напряжение U на источнике питания равняется ЭДС Е, то есть ток в цепи равен нулю I = 0, а значит и мощность на нагрузке также равна нулю Р = 0

Данный режим называется режимом холостого хода.

Другой случай, когда КПД η = 0, в этом случае ток имеет максимальное значение и фактически ограничен лишь внутренним сопротивлением источника питания I = E/R_BH. Следовательно, напряжение нагрузки равно нулю U_H = 0 и мощность в нагрузке также нулевая Р = 0

Данный режим называется режимом короткого замыкания.

Не вдаваясь в длинные расчёты сказу сразу, что максимальная мощность на нагрузке выделяется при КПД η = 0,5 или 50 %, в этом случае напряжение на нагрузке равно падению напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания U_H = U_BH, то есть сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника питания.

Данный режим называется режимом согласованной нагрузки.

В данном режиме работает большинство слаботочных устройств автоматики, телемеханики и электросвязи, где низкий КПД не влечёт значительных потерь энергии. Однако в мощных устройствах стараются проектировать устройства так чтобы КПД η = 0,95…0,98.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Зачем нужна ЭДС в электрической цепи

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (то есть любых сил, кроме электростатических и диссипативных) действующих в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока.

Электродвижущая сила (ЭДС) — сила, действующая на электрические заряды со стороны электрических полей неэлектрического происхождения, например, электрических полей, возникающих в результате электромагнитной индукции, при химических реакциях и т. д.

Чтобы подчеркнуть неэлектрическое происхождение ЭДС и их отличие от сил, действующих на заряды со стороны других электрических зарядов, ЭДС часто называют часто называют сторонними ЭДС.

ЭДС, действующая на каком-либо участке цепи, измеряется так же, как и разность потенциалов, той работой, которую совершает эта сила при перемещении электрического заряда, равного единице, по данному участку цепи. Единицей для измерения ЭДС служит вольт.

Существование ЭДС необходимо для поддержания электрических токов, и все так называемые «источники тока» являются, по существу, источниками ЭДС, т. е. устройствами, в которых тем или иным способом создается электрическое поле неэлектрического происхождения.

Роль ЭДС может быть выяснена на простейшем примере цепи, состоящей из гальванического элемента, включенного на проводник с некоторым сопротивлением. Внутри элемента в результате химических реакций действует ЭДС, которая заставляет положительные заряды двигаться на один полюс элемента, а отрицательные — на другой.

Когда электрическое поле зарядов уравновесит действующие в элементе поля неэлектрического происхождения, т. е. когда разность потенциалов (обусловленная зарядами на полюсах) станет равной ЭДС, действующей внутри элемента, дальнейшее движение зарядов прекратится. Значит между полюсами разомкнутого элемента существует разность потенциалов, равная ЭДС элемента.

Присоединим теперь к полюсам элемента проводник. Заряды, скопившиеся на полюсах элемента, создадут в этом проводнике электрическое поле и под действием этого поля в проводнике возникнет электрический ток.

Если бы в элементе не было ЭДС, то заряды, скопившиеся на полюсах, быстро стекли бы по проводнику, электрическое поле в проводнике исчезло бы и вместе с тем прекратился бы электрический ток в нем. Но при наличии ЭДС дело происходит иначе.

Вместо ушедших с полюсов во внешнюю цепь зарядов под действием ЭДС к ним подходят все новые и новые заряды, т. е. ЭДС поддерживает разность потенциалов на полюсах элемента и ток в цепи.

Если бы элемент не обладал внутренним сопротивлением, то все время ЭДС поддерживала бы на полюсах разность потенциалов, равную ЭДС. Но т. к. всякий гальванический элемент (и вообще всякий источник тока) обладает внутренним сопротивлением, то часть ЭДС идет на преодоление внутреннего сопротивления (на продвижение зарядов по проводнику, обладающему сопротивлением, электрические силы должны затрачивать работу).

Поэтому разность потенциалов на полюсах будет меньше ЭДС на величину, равную отнесенной к единице заряда работе затраченной на преодоление внутреннего сопротивления, т е. на величину внутреннего падения напряжения. Это падение напряжения будет тем больше, а значит, разность потенциалов на полюсах элемента тем меньше, чем больше внутрнутреннее сопротивление и чем больше сила тока.

Таким образом, роль ЭДС в электрической цепи сводится к тому, чтобы продвигать заряды внутри источника от отрицательного полюса к положительному, т е. навстречу тем силам электрического поля, которые создаются зарядами, накапливающимися на полюсах источника.

Т. к. электрическое поле зарядов есть поле потенциальное, то когда движущиеся в цепи заряды обходят всю замкнутую цепь, т. е. совершают замкнутый путь, работа сил этого поля должна быть равна нулю.

Электрическое же поле неэлектрического происхождения — это поле непотенциальное, и поэтому работа сил этого поля по замкнутому пути не равна нулю. Именно силы этого поля, т. е. ЭДС, и совершают всю работу, затрачиваемую на поддержание тока во всей цепи.

Ранее ЭлектроВести писали, что крупнейший европейский производитель домашних систем накопления энергии Sonnen ввел в эксплуатацию еще одну виртуальную электростанцию (VPP) в северо-восточной Германии. Её предназначение: оптимизировать интеграцию переменной ветровой энергии в региональную электросеть.

По материалам: electrik.info.

Списывай 😉

Источник тока в электрической цепи.

Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, напряжение на зажимах которого постоянно (не зависит от тока в цепи). Напряжение может быть задано как константа, как функция времени, либо как внешнее управляющее воздействие.

В простейшем случае напряжение определено как константа, то есть напряжение источника ЭДС постоянно.

Формулы и подробности…тут

ЭДС источника тока

Электрический ток возникает в замкнутой цепи под действием источника электрической энергии (источника тока).

Источник электрической энергии представляет собой прибор, преобразующий какой-либо вид энергии в электрическую. Он создает и поддерживает на своих зажимах разность потенциалов. Таким образом в проводящей среде создается электрическое поле, которое и вызывает упорядоченное, направленное движение носителей электрических зарядов, т. е. электрический ток.

Происхождение электрического тока сопровождается непрерывным расходованием энергии на преодоление сопротивления. Эту энергию доставляет источник электрической энергии, в котором происходит процесс преобразования механической, химической, тепловой или других видов энергии в электрическую.

Способность источника электрической энергии создавать и поддерживать на своих зажимах определенную разность потенциалов называется электродвижущей силой, сокращенно э. д. с.

Численно электродвижущая сила измеряется работой, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного положительного заряда по всей замкнутой цепи.

Если источник энергии, совершая работу A, обеспечивает перенос по всей замкнутой цепи заряда q, то его электродвижущая сила (Е) будет равна

За единицу измерения электродвижущей силы в системе СИ принимается вольт (в).

Источник электрической энергии обладает эдс в 1 вольт, если при перемещении по всей замкнутой цепи заряда в 1 кулон совершается работа, равная 1 джоулю.

Два источника ЭДС часто встречаются в электротехнических схемах.

Рассмотрим электрическую цепь, в которой включены два источника ЭДС, например, два аккумулятора.

На рисунке изображена электрическая цепь с двумя источниками ЭДС.
По общефизическому принципу наложения ток в такой цепи равен алгебраической сумме токов, создаваемых в ней каждой из ЭДС, действующих отдельно друг от друга при неизменных сопротивлениях всех участков цепи.
Рассмотрим случай, когда имеем два источника эдс с внутренним сопротивлением r₀₁ + r₀₂. Положим сначала, что в цепи действует только источник с ЭДС E₁. В этом случае получается простейшая цепь, и ток
I₁ = E₁ / r₀₁ + r₀₂ + r
будет направлен ту же сторону, что и ЭДС Е₁. Затем находим ток, который возникнет, если будет действовать ЭДС Е₂;
I₂ = E₂ / r₀₁ + r₀₂ + r
Этот ток будет совпадать по направлению с Е₂.
Результирующий ток в цепи при совместном действии E₁ и E₂ при одинаковом их направлении равен сумме токов I₁ и I₂,
I = I₁ + I₂ = E₁ + E₂ / r₀₁ + r₀₂ + r
При встречном направлении E₁ и E₂ общий ток будет равен разности токов I₁ и I₂, т. е.
I = I₁ — I₂ = E₁ — E₂ / r₀₁ + r₀₂ + r
В последнем случае электрический ток возникает при условии, если E₁ не равен E₂ И будет направлен в сторону действия большей э. д. с. Пусть E₁ больше E₂, В таком случае ток в цепи будет совпадать по направлению с E₁ и окажется направленным навстречу E₂ (направление тока для этого случая показано на рисунке выше).
Электродвижущая сила, направленная противоположно току, называется встречной или противоэлектродвижущей силой.

Преобразуя формулу I = I₁ — I₂ = E₁ — E₂ / r₀₁ + r₀₂ + r, находим:
E₁ — E₂ = Ir₀₁ + Ir₀₂ + Ir
откуда следует, что
E₁ = E₂ + Ir₀₁ + Ir₀₂ + Ir
Источник с ЭДС E₁ развивает полную мощность
Р’ = E₁I
и отдает во внешний для него участок цепи мощность
P₁ = P’ — P₀₁ = E₁I — I²r₀₁
так как работает в режиме генератора.
Напряжение на зажимах (БА) источника, работающего в генераторном режиме,
U _БА = E₁ — Ir₀₁ = E₂ + Ir₀₂ + Ir
Произведение Ir есть напряжение U _БВ между точками Б и В электрической цепи на зажимах сопротивления r.
Мощность этого участка
Р = I²r.
Сумма E₂ + Ir₀₂ выражает напряжение U _БА между точками В и А, т. е. на зажимах источника со встречной ЭДС. Таким образом,
U _БА = E₂ + Ir₀₂,
а мощность
Р₂ = E₂I + I²r₀₂ = Р» + Р₀₂
где
Р» = E₂I.
По закону сохранения энергии
P₁ = P + Р₂.
В участке ВА, где действует встречная э. д. с. E₂, электрические силы преодолевают химические или механические силы, и происходит преобразование электрической энергии не только в тепловую, но также в химическую или механическую в зависимости от устройства источника с э. д. с. E₂ (аккумулятор, который в этом случае заряжается, или машина постоянного тока, которая в этом случае работает в режиме электродвигателя).
Таким образом, источник с э. д. с. E₂ является потребителем электрической энергии.
Итак, в общем случае источник э. д. с. может работать генератором или потребителем электрической энергии, а напряжение на его зажимах соответственно будет:
U = Е + (-) Ir₀.

Что такое источник напряжения и источник тока — идеально и практично

A Источник — это устройство, преобразующее механическую, химическую, тепловую или другую форму энергии в электрическую. Другими словами, источник — это активный сетевой элемент, предназначенный для выработки электроэнергии.

В электрической сети доступны различные типы источников: источники напряжения и источники тока. Источник напряжения имеет форсирующую функцию ЭДС, тогда как источник тока имеет форсирующую функцию тока.

Состав:

Источники тока и напряжения далее классифицируются как идеальный источник или практический источник.

Источник напряжения

Источник напряжения — это двухконтактное устройство, напряжение которого в любой момент времени является постоянным и не зависит от тока, потребляемого от него. Такой источник напряжения называется Идеальным источником напряжения и имеет нулевое внутреннее сопротивление.

Практически невозможно получить идеальный источник напряжения.

Источники, имеющие некоторое внутреннее сопротивление, известны как Практический источник напряжения . Благодаря этому внутреннему сопротивлению; Происходит падение напряжения, что приводит к снижению напряжения на клеммах. Чем меньше внутреннее сопротивление (r) источника напряжения, тем ближе он к идеальному источнику.

Символическое изображение идеального и практичного источника напряжения показано ниже.

На рисунке А, показанном ниже, показаны принципиальная схема и характеристики идеального источника напряжения:

На рисунке B, показанном ниже, показаны принципиальная схема и характеристики практического источника напряжения:

Примером источников напряжения являются аккумуляторные батареи и генераторы переменного тока.

Источник тока

Источники тока далее подразделяются на идеальные и практические источники тока.

Идеальный источник тока — это двухконтактный схемный элемент, который подает одинаковый ток на любое сопротивление нагрузки, подключенное к его клеммам. Важно помнить, что ток, подаваемый источником тока, не зависит от напряжения на клеммах источника. У него бесконечное сопротивление.

Практический источник тока представлен как идеальный источник тока, соединенный с сопротивлением параллельно.Символическое изображение показано ниже:

Рисунок C, показанный ниже, показывает его характеристики. На рисунке D, показанном ниже, показаны характеристики практического источника тока.

Примером источников тока являются фотоэлементы, коллекторные токи транзисторов.

ЭДС последовательно и параллельно

Когда используется более одного источника напряжения, они могут быть подключены последовательно или параллельно, аналогично резисторам в цепи. Когда источники напряжения включены последовательно в одном направлении, их внутренние сопротивления складываются, а их электродвижущая сила или ЭДС складываются алгебраически.Эти типы источников напряжения распространены в фонариках, игрушках и других приборах. Обычно ячейки включены последовательно, чтобы обеспечить большую суммарную ЭДС.

Фонарик и лампочка

Последовательное соединение двух источников напряжения в одном направлении. Эта схема представляет собой фонарик с двумя последовательно включенными ячейками (источниками напряжения) и одной лампочкой (сопротивление нагрузки).

Батарея — это соединение нескольких гальванических элементов. Однако недостатком такого последовательного соединения ячеек является то, что их внутреннее сопротивление увеличивается.Иногда это может быть проблематично. Например, если вы поместите в машину две батареи на 6 В вместо обычной батареи на 12 В, вы должны добавить как ЭДС, так и внутреннее сопротивление каждой батареи. Таким образом, у вас будет такая же ЭДС 12 В, хотя внутреннее сопротивление тогда будет удвоено, что вызовет у вас проблемы, когда вы захотите запустить двигатель.

Но, если ячейки противостоят друг другу, например, когда одна вставляется в прибор задом наперед, общая ЭДС меньше, поскольку она представляет собой алгебраическую сумму отдельных ЭДС.Когда он перевернут, он создает ЭДС, которая противодействует другой, и приводит к разнице между двумя источниками напряжения.

Зарядное устройство

Это два источника напряжения, соединенных последовательно с противоположными ЭДС. Ток течет в направлении большей ЭДС и ограничивается суммой внутренних сопротивлений. (Обратите внимание, что каждая ЭДС представлена на рисунке буквой E.) Зарядное устройство, подключенное к аккумулятору, является примером такого подключения.Зарядное устройство должно иметь большую ЭДС, чем батарея, чтобы через него протекал обратный ток.

Когда два источника напряжения с одинаковыми ЭДС соединены параллельно и также подключены к сопротивлению нагрузки, общая ЭДС равна индивидуальным ЭДС. Но общее внутреннее сопротивление уменьшается, поскольку внутренние сопротивления параллельны. Таким образом, параллельное соединение может производить больший ток.

Две одинаковые ЭДС

Два источника напряжения с идентичными ЭДС (каждый помечен буквой E), подключенные параллельно, создают одинаковую ЭДС, но имеют меньшее общее внутреннее сопротивление, чем отдельные источники.Параллельные комбинации часто используются для подачи большего тока.

4.2 Электродвижущая сила: напряжение на клеммах

Напряжение на клеммах

Выходное напряжение устройства измеряется на его клеммах и, таким образом, называется его напряжением на клеммах Vnull Напряжение на клеммах определяется как

4.44 null

, где ноль — внутреннее сопротивление, а ноль — ток, протекающий во время измерения.

null является положительным, если ток течет от положительного вывода, как показано на рисунке 4.9. Вы можете видеть, что чем больше ток, тем меньше напряжение на клеммах. Точно так же верно, что чем больше внутреннее сопротивление, тем меньше напряжение на клеммах.

Предположим, что нулевое сопротивление нагрузки подключено к источнику напряжения, как показано на рисунке 4.12. Поскольку сопротивления включены последовательно, общее сопротивление в цепи равно нулю. Таким образом, по закону Ома ток равен

4,45 пустое

Рис. 4.12. Схема источника напряжения и его нули нагрузки Поскольку нуль внутреннего сопротивления включен последовательно с нагрузкой, он может существенно повлиять на напряжение на клеммах и ток, подаваемый на нагрузку.(Обратите внимание, что сценарий E означает ЭДС.)

Из этого выражения видно, что чем меньше внутреннее сопротивление, равное нулю, тем больше ток, подаваемый источником напряжения на его нулевую нагрузку. Когда батареи разряжены, нулевое значение увеличивается. Если значение null становится значительной частью сопротивления нагрузки, то ток значительно снижается, как показано в следующем примере.

Пример 4.4 Расчет напряжения на клеммах, рассеиваемой мощности, тока и сопротивления: напряжение на клеммах и нагрузка

Определенная батарея имеет 12.ЭДС 0-В и внутреннее сопротивление равное нулю. (A) Рассчитайте напряжение на клеммах при подключении к нулевой нагрузке. (b) Какое напряжение на клеммах при подключении к нулевой нагрузке? (c) Какая мощность рассеивается при нулевой нагрузке? (d) Если внутреннее сопротивление вырастает до нуля, найдите ток, напряжение на клеммах и мощность, рассеиваемую нулевой нагрузкой.

Стратегия

Приведенный выше анализ дал выражение для тока с учетом внутреннего сопротивления. Как только ток найден, напряжение на клеммах может быть вычислено с использованием нулевого уравнения. Как только ток найден, также может быть найдена мощность, рассеиваемая резистором.

Решение для (a)

Если ввести данные значения ЭДС, сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления в выражение выше, получим

4.46 null

Введите известные значения в нулевое уравнение, чтобы получить напряжение на клеммах.

4,47 В = ЭДС-Ir = 12,0 В- (1,188 A) (0,100 Ом) = 11,9 VV = ЭДС-Ir = 12,0 В- (1,188 A) (0,100 Ом) = 11,9 В

Обсуждение для (а)

Напряжение на клеммах здесь лишь немного ниже, чем ЭДС, подразумевая, что ноль — это небольшая нагрузка для этой конкретной батареи.

Решение для (b)

Аналогично, с нулевым значением ток

4.48 null

Напряжение на клеммах теперь

4,49 В = ЭДС-Ir = 12,0 В- (20,0 A) (0,100 Ом) = 10,0 В. V = ЭДС-Ir = 12,0 В- (20,0 A) (0,100 Ом) = 10,0 В.

Обсуждение для (б)

Это напряжение на клеммах демонстрирует более значительное снижение по сравнению с ЭДС, что означает, что ноль является большой нагрузкой для этой батареи.

Решение для (c)

Мощность, рассеиваемая нулевой нагрузкой, может быть найдена по формуле null Ввод известных значений дает

4.50 null

Обсуждение для (c)

Обратите внимание, что эту мощность также можно получить с помощью выражений null или null, где null — это напряжение на клеммах (в данном случае 10,0 В).

Решение для (d)

Здесь внутреннее сопротивление увеличилось, возможно, из-за разряда батареи, до точки, в которой оно равно сопротивлению нагрузки. Как и раньше, мы сначала находим ток, вводя известные значения в выражение, что дает

4.51 null

Теперь напряжение на клеммах

4,52 В = ЭДС-Ir = 12,0 В- (12,0 A) (0,500 Ом) = 6,00 В, V = ЭДС-Ir = 12,0 В- (12,0 A) (0,500 Ом) = 6,00 В,

, а мощность, рассеиваемая нагрузкой, равна

4.53 null

Обсуждение для (д)

Мы видим, что увеличившееся внутреннее сопротивление значительно снизило напряжение на клеммах, ток и мощность, подаваемую на нагрузку.

Применение научных практик: внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление батареи можно оценить с помощью простого действия.Схема, показанная на рисунке ниже, включает резистор R, соединенный последовательно с батареей, а также амперметр и вольтметр для измерения тока и напряжения соответственно.

Токи и напряжения, измеренные для нескольких значений R , показаны в таблице ниже. Используя данные, приведенные в таблице, и применив графический анализ, определите ЭДС и внутреннее сопротивление аккумулятора. Ваш ответ должен четко объяснять метод, использованный для получения результата.


Сопротивление	Ток (А)	Напряжение (В)
R _I	3.53	4,24
R _II	2,07	4,97
R _III	1,46	5,27
R _IV	1,13	5,43

Таблица 4.1

Ответ

Нанесите измеренные токи и напряжения на график. Напряжение на клеммах батареи равно ЭДС батареи за вычетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении батареи, или В = ЭДС — Ir. Используя эту линейную зависимость и построенный график, можно найти внутреннее сопротивление и ЭДС батареи. График для этого случая показан ниже. Уравнение: В = –0,50 I +6,0, следовательно, внутреннее сопротивление будет равно 0,5 Ом, а ЭДС — 6 В.

Тестеры батарей

, такие как показанные на рис. 4.15, используют малые нагрузочные резисторы, чтобы намеренно потреблять ток, чтобы определить, падает ли напряжение на клеммах ниже допустимого уровня.Они действительно проверяют внутреннее сопротивление аккумулятора. Если внутреннее сопротивление высокое, батарея разряжена, о чем свидетельствует низкое напряжение на клеммах.

Рисунок 4.15 Эти два тестера батарей измеряют напряжение на клеммах под нагрузкой, чтобы определить состояние батареи. Большое устройство используется техником-электронщиком ВМС США для тестирования больших батарей на борту авианосца USS Nimitz и имеет небольшое сопротивление, которое может рассеивать большое количество энергии.(Фотография ВМС США, сделанная помощником фотографа Джейсоном А. Джонстоном) Небольшое устройство используется на небольших батареях и имеет цифровой дисплей, показывающий допустимое напряжение на их клеммах. (Кейт Уильямсон)

Некоторые батареи можно перезарядить, пропустив через них ток в направлении, противоположном току, который они подают в сопротивление. Это обычно делается в автомобилях и аккумуляторах для небольших электроприборов и электронных устройств и графически представлено на Рисунке 4.16. Выходное напряжение зарядного устройства должно быть больше, чем ЭДС аккумулятора, чтобы через него протекал обратный ток. Это приведет к тому, что напряжение на клеммах батареи будет больше, чем ЭДС, поскольку ноль и ноль теперь отрицательны.

Рис. 4.16. Зарядное устройство для автомобильного аккумулятора меняет нормальное направление тока через аккумулятор, обращая вспять его химическую реакцию и пополняя ее химический потенциал.

Подавление обратных ЭДС | Контроль доступа Progeny

Введение

Физический электронный контроль доступа почти всегда включает в себя управление каким-либо электромагнитным запорным устройством.Это может быть мощный магнит или соленоид меньшего размера внутри удара или болта. Все эти устройства подчиняются одним и тем же основным законам физики. Электромагнит будет накапливать энергию при включении и генерировать «обратную ЭДС» или противо-ЭДС (CEMF), когда питание отключено.

При подключении питания через обмотки катушки электромагнита течет ток. Конечный ток покоя определяется сопротивлением постоянному току обмотки катушки и соединительных проводов. Этот ток создает намагничивающее поле, которое выравнивает магнитные домены в металлическом сердечнике электромагнита.Это выравнивание усиливает поле, увеличивая магнитную силу, но при этом сохраняя намного больше энергии.

Когда питание отключено, магнитное поле будет иметь тенденцию к коллапсу и при этом будет генерироваться ЭДС или (ЭДС) в обмотках катушки электромагнита.

Если эта обратная ЭДС не контролируется или не подавляется, она будет генерировать очень большие напряжения, которые, в свою очередь, могут:

Вызывает дугу на контактах, сокращая срок службы переключателя
Создание помех
Повреждение электроники
Причина потери данных

EMF — это аббревиатура от Electro-Motive Force.Этот термин немного вводит в заблуждение, поскольку на самом деле ЭДС не является силой. Это напряжение, возникающее в результате взаимодействия тока в катушке электромагнита и его магнитном поле, когда одно или оба изменяются. Отключенный электромагнит действует как источник тока; создавая любое напряжение, необходимое для поддержания протекания исходного тока.

Подавление обратного ЭДС

Обратную ЭДС нельзя предотвратить, но ее можно контролировать. При подавлении обратной ЭДС цель состоит в предотвращении очень высоких напряжений и контролируемом рассеивании накопленной энергии.Есть несколько способов сделать это, и мы рассмотрим два наиболее распространенных метода, используемых в управлении доступом.

Диод маховика

Термин «маховое колесо» очень уместен. Ток, протекающий в электромагните, очень похож на свободно вращающееся велосипедное колесо. Когда педаль остановлена (отключено напряжение питания), колесо продолжает вращаться.

Диод маховика служит средством торможения маховика. При подаче напряжения питания диод смещен в обратном направлении и фактически отключен от цепи.Когда переключатель размыкается, ток маховика вызывает обратную ЭДС противоположной полярности, и поэтому диод будет проводить. Диод очень хорошо подавляет обратную ЭДС и ограничивает напряжение примерно до одного вольта или около того. Это вполне подходит для небольших соленоидов, подобных тем, которые используются в ударных. Однако они не подходят для дверных магнитов.

Почему диоды не подходят для магнитов

Мощность, рассеиваемая диодом, мала, поскольку прямое падение напряжения меньше вольта.Таким образом, скорость отвода энергии от электромагнита мала (Энергия ≈ Мощность x Время) Таким образом:

Таким образом, меньшие потери мощности через диод будут означать большее время для рассеивания энергии. В результате ток продолжает течь, и магнит дольше удерживает якорь. Это может длиться от одной до двух секунд, что приводит к неприятной задержке открывания двери.

Почему MOV подходят для магнитов и ударов

MOV (VDR) имеет номинальное напряжение.Ниже этого напряжения он имеет очень высокое сопротивление. Таким образом, выбирая MOV с номинальным напряжением, немного превышающим нормальное напряжение питания, его можно безопасно подключать к катушке магнита, и точно так же, как диод не оказывает никакого влияния при подключении источника питания.

Металлооксидный варистор (MOV)

При отключении питания обратная ЭДС повысится до номинального напряжения MOV. В этот момент MOV начнет проводить и ограничивать напряжение чуть выше этого значения.

При ограничении обратной ЭДС падение напряжения обычно составляет порядка 30 В или около того. Используя то же уравнение:

Потери мощности будут в 30 раз больше, чем у диода. В результате энергия теряется примерно в 30 раз быстрее, а магнит освобождает якорь за гораздо меньшее время.

VDR, подходящие для замков на 12 или 24 В, можно приобрести у дистрибьютора, укажите код продукта 0043 (упаковка из 20 шт.).

См. Также: Противоэлектродвижущая сила

Сохранить

Инвертор источника тока — обзор

Инвертор источника тока (CSI)

Термин «инвертор источника тока» уже использовался для описания силовой цепи, показанной на рис.9.24, так что теперь пора объяснить, что означает этот термин.

Возможно, в этом нет необходимости, но мы начнем с того, что отметим, что термин «инвертор источника тока» не означает, что ток в линии связи никогда не изменяется, что читатель, знакомый с источниками тока в других контекстах, особенно с малым энергопотреблением. электроника, может подумать. В данном контексте это означает, что в нормальных рабочих условиях ток не может быть изменен быстро, то есть незначительно в течение одного полного периода формы волны тока двигателя, даже при самой низкой рабочей скорости.Читатель не удивится, узнав, что индуктор связи играет центральную роль в достижении такого положения вещей.

Мы уже много раз говорили в этой книге, что индуктивность в цепи приводит к тому, что форма волны тока становится намного более гладкой, чем форма волны напряжения (см., Например, рис. 8.10), и что чем больше индуктивность, тем плавнее ток. Напомним, что напряжение на катушке индуктивности связано с протекающим через нее током уравнением

v = Ldidtordidt = vL

i.е. скорость изменения тока пропорциональна разности напряжений и обратно пропорциональна индуктивности.

Форма волны выпрямленного выходного напряжения выпрямителя на стороне питания обычно будет такой, как показано (слева) на рис. 9.26, который показывает потенциал верхней части преобразователя (т.е. на левом конце индуктивности) по отношению к дно постоянного тока ссылка. Он имеет значительную пульсацию на частоте, в шесть раз превышающую частоту сети, а среднее (постоянное) напряжение составляет (В _с).

В то же время преобразователь на стороне двигателя (который подключен вверх ногами) инвертирует, и потенциал правого конца индуктора будет таким, как показано справа на рис. 9.26; среднее (постоянное) напряжение (В _м). Обратите внимание, что всякий раз, когда мы хотим, чтобы ток соединения был постоянным, первое требование состоит в том, чтобы среднее напряжение на катушке индуктивности было равно нулю, что означает, что V _s должно быть равно V _m, то есть постоянному току. напряжение одинаковое для обоих преобразователей.Регулятор тока будет регулировать угол включения выпрямителя на стороне питания, чтобы этого добиться. (На практике будет небольшая разница напряжений из-за сопротивления катушки индуктивности.)

Мгновенное напряжение на индуктивности — это разница между двумя формами сигнала на рис. 9.26. Найти разницу будет сложно, потому что две формы сигнала не синхронизированы во времени, но мы можем видеть, что на катушке индуктивности будут существенные напряжения, не в последнюю очередь из-за резких скачков в результате переключения каждого преобразователя питания.Если бы индуктивность отсутствовала, то, следовательно, произошли бы огромные скачкообразные изменения в соединительном токе и резкие колебания крутящего момента двигателя. Следовательно, нам нужно решить, какой «пульсирующий» ток мы можем выдержать, и соответственно выбрать катушку индуктивности. На практике для большинства приложений типична пиковая пульсация, скажем, 5% от номинального тока.

Выбрав индуктор для подавления пульсаций тока, неизбежно, что, когда мы хотим повысить или понизить средний ток для изменения крутящего момента, индуктор будет препятствовать нашим усилиям, и реакция контура управления током будет более вялый.К счастью, в больших двигателях мы обычно не стремимся к широкополосному управлению крутящим моментом, поэтому компромисс приемлем.

Причина описания «текущий источник» теперь должна быть более ясной. Несмотря на переключение тока в звене с одной фазы на другую, при котором мгновенная наведенная э.д.с. сильно отличается, ток звена остается более или менее неизменным, поэтому создается впечатление, что ток звена не зависит от нагрузки, которую мы ему представляем.

Источники постоянного тока

Модель 100 и Модель 101

Модели 100 и 101 представляют собой источники постоянного тока с батарейным питанием, которые обеспечивают очень стабильный выходной ток без шума, обычно присущего приборам с питанием от сети переменного тока.Они хорошо подходят для технического обслуживания в полевых условиях и периодического контроля датчиков, а также для работы в очень чувствительной к шуму среде.

Основное различие между 100 и 101 заключается в их согласованном напряжении: модель 100 с допустимым напряжением 2,5 В хорошо подходит для приложений с кремниевыми диодами, включая Lake Shore DT-470 и 670 диодов. Модель 101 имеет согласованное напряжение 5 В, которое требуется для использования с GaAlAs-диодами Lake Shore TG-120 или если пользователь желает подключить два кремниевых диодных датчика последовательно.Хотя выходной ток обоих устройств предварительно установлен на уровне 10 мкА, пользователь может перепрограммировать устройство на любое значение от 1 мкА до 1 мА, изменив внутренний программирующий резистор.

Модель 102, модель 110CS и модель 120CS

Модели 102, 110CS и 120CS представляют собой прецизионные источники постоянного тока, подходящие для настольного использования. Они могут иметь более высокие выходные токи и соответствующие напряжения, чем их аналоги с батарейным питанием.

Модель 102 обеспечивает отличную производительность при невысокой стоимости.Выходной ток предварительно установлен на 10 мкА, но устройство можно перепрограммировать на любое значение от 1 мкА до 1 мА, заменив программный резистор внутри прибора. Соответствующее напряжение составляет 8 В. Питание устройства осуществляется от внешнего настенного источника переменного тока. Тип источника питания должен соответствовать доступному сетевому напряжению переменного тока и должен быть указан при заказе.

Модель 110CS обеспечивает более высокое соответствие 11 В. Выходной ток может быть изменен извне на любое значение от 1 мкА до 10 мА, подключив программирующий резистор к клеммной колодке на задней панели устройства.Напряжение сети переменного тока выбирается перемычкой внутри блока. Желаемое сетевое напряжение должно быть указано при заказе, но настройка может быть изменена пользователем в любое время.

В модели 120CS выходной ток выбирается поворотным переключателем на передней панели. Одиннадцать фиксированных значений охватывают диапазон от 1 мкА до 100 мА и согласованное напряжение 11 В. Переключаемые приращения 1 × и 3 × соответствуют приблизительным декадным изменениям мощности с резистивной нагрузкой. Для нечетных значений тока резистор программирования может быть подключен к клеммной колодке на задней панели устройства.Этот источник идеально подходит для использования с датчиками сопротивления, где сопротивление может изменяться в зависимости от температуры на целых 6 порядков. Реверсивный переключатель тока позволяет компенсировать термо-ЭДС, что важно при измерении резисторов при низком напряжении. Напряжение сети переменного тока выбирается перемычкой внутри блока. Желаемое сетевое напряжение должно быть указано при заказе, но настройка может быть изменена пользователем в любое время.

Определите значение ЭДС источника тока.Определение электродвижущей силы источника тока компенсационным методом

Цель работы: измерить электродвижущую силу источника тока компенсационным методом.

Приборы и оборудование: установка для измерения электродвижущей силы источника тока компенсационным методом.

Теоретическая информация

Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов. Электрический ток принято характеризовать силой тока — скалярной величиной, определяемой электрическими зарядами, проходящими через поперечное сечение проводника в единицу времени:

.(1)

Единица измерения тока — ампер (А). Если за любые равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковое количество электричества (электрического заряда), то такой ток называется постоянным. Условно направление движения положительных зарядов принимается за направление электрического тока в проводнике (рис. 1а).

Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:

.(2)

Плотность тока — это вектор, направление которого совпадает с упорядоченным движением положительных зарядов.

В 1826 году закон Ома был экспериментально установлен для однородного участка электрической цепи (электрическая цепь на рис. 1b или участки ad, dc, cb на рис. 1а), который гласил, что сила тока в однородном проводнике прямо пропорциональна. пропорционально напряжению на его концах и обратно пропорционально сопротивлению проводника:

, (3)

Сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, его линейных размеров и формы:

, (4)

где — удельное электрическое сопротивление, характеризующее материал проводника; — длина жилы; — площадь сечения проводника.Единица удельного электрического сопротивления — Ом ∙ м. 1 Ом м — это удельное электрическое сопротивление проводника, имеющего электрическое сопротивление 1 Ом при длине 1 м и площади поперечного сечения 1 м 2.

Если подставить в закон Ома выражение (4) для однородный участок электрической цепи (3), получаем

. (5)

Учитывая, что

и,

, а также применяя формулу (2), мы преобразуем уравнение (5) в выражение, которое представляет закон Ома в дифференциальной форме для однородной части электрической цепи:

где — напряженность электростатического поля внутри проводника; — электропроводность материала проводника.

Ввиду того, что положительные носители заряда в каждой точке движутся в направлении вектора, то направления векторов совпадают. Поэтому закон Ома для однородного участка электрической цепи в дифференциальной форме записывается как

Чтобы поддерживать ток в проводнике в течение достаточно длительного времени, необходимо непрерывно снимать принесенные положительные заряды с конца проводника с более низким потенциалом (носители заряда мы считаем положительными) и непрерывно подводить их до конца с высоким потенциалом, т.е.е. необходимо установить цикл положительных зарядов, в котором они двигались бы по замкнутой траектории.

В замкнутой электрической цепи есть участки, в которых положительные заряды движутся в направлении увеличения потенциала, то есть против электростатического поля. Движение таких зарядов возможно только с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними. Природа внешних сил различна, поскольку их появление обусловлено переменными магнитными полями, а также химическими, диффузионными, световыми процессами, происходящими в источниках тока.

Основной характеристикой внешних сил является их электродвижущая сила (ЭДС) — это физическая величина, численно равная работе внешних сил

для перемещения одиночного положительного заряда:

где

— вектор напряженность поля внешних сил;

— вектор смещения заряда. Единица измерения ЭДС — В (Вольт).

Если источник тока замкнуть на внешнюю нагрузку, равномерно распределенную по контуру, то потенциал будет линейно уменьшаться с расстоянием от положительного электрода батареи (рис.2).

Преобразование электрического тока во внутреннюю энергию вызывает нагрев проводника. Дж. Джоуль и Э. Ленц экспериментально установили, что количество тепла, выделяемого в проводнике, пропорционально квадрату тока в сопротивлении проводника и времени протекания тока.

. (6)

Используя закон Джоуля-Ленца, выводится закон Ома для неоднородного участка электрической цепи, который учитывает влияние электростатических и внешних сил на движущийся положительный заряд.

Согласно закону сохранения энергии количество тепла, выделяемого в неоднородной электрической цепи (электрическая цепь на рис. 1в), равно сумме работы сил электрического поля и работы внешних сил текущий источник:

, (7)

где — работа сил электростатического поля;

— работа внешних сил. Сторонние силы выполняют положительную работу по перемещению положительного заряда, если направления сторонних сил и электрического тока совпадают (рис.3), в противном случае — работа внешних сил отрицательная.

Учитывая, что полное сопротивление на неоднородном участке электрической цепи складывается из внешнего и внутреннего сопротивлений, и приравнивая выражения (6), (7), получаем

С учетом формулы (1) преобразуем выражение в виде:

Приведем полученное выражение к заряду и получим закон Ома для неоднородного участка электрической цепи

При использовании этого закона необходимо учитывать правило знаков: направление обхода участка цепочки определяет индексацию потенциалов. ЭДС источника тока принимают со знаком плюс, если направление внешних сил и обходной участок электрической цепи совпадают (рис. 4а), в противном случае — наоборот (рис. 4б).

Если цепь замкнута, т.е.е.

, то получаем закон Ома для замкнутой электрической цепи (электрическая схема на рис. 1а).

На практике ЭДС источника тока невозможно напрямую измерить обычным вольтметром, потому что вольтметр измеряет только разность потенциалов и на выводах источника. Из выражения (8) следует, что ЭДС источника тока можно найти через разность потенциалов на выводах источника (

, если сила тока на участке электрической цепи равна нулю.Это условие реализуется компенсационным методом. Необходимая для компенсации разность потенциалов получается с помощью потенциометра (рис. 5). Потенциометр — это калиброванный провод, намотанный на изолирующее основание, по которому может скользить контакт (такое устройство называется реохордом). Перемещая контакт C из точки A в B , вы можете получить любую разность потенциалов от 0 до

(

абсолютное значение всегда меньше ЭДС вспомогательного источника).

Суть метода компенсации состоит в том, что измеренная ЭДС неизвестного источника тока (рис. 5) компенсирует напряжение на месте потенциометра (реохорда). Компенсация достигается перемещением контакта потенциометра C (рис. 6) до тех пор, пока гальванометр G не покажет нулевой ток.

Обозначим потенциалы на концах рехорда

потенциалов на концах источника тока через и.Предположим, что в определенном положении контакта C на потенциометре ток не течет через гальванометр G и источник тока с ЭДС, тогда

, поэтому

Согласно закону Ома

, (10)

где — сила тока в потенциометре,

— сопротивление участка АС.

Приравнивая выражения (9) и (10), получаем

Чтобы не производить источник тока для определения неизвестной ЭДС, измерения тока и сопротивления

прибегают к сравнению неизвестной ЭДС с известной.Для этого включите вместо источника с ЭДС (рис. 6) источник с известной ЭДС (ЭДС нормального источника тока). Компенсация снова достигается перемещением подвижного контакта C к нулю гальванометра. В результате ЭДС источника тока определяется как

. (11)

В условиях компенсации ток течет только по цепи, включая потенциометр. В этом случае сила тока будет такой же. Разделим равенства (10) на (11), уменьшив силу тока, получим условие:

.(12)

Ввиду того, что потенциометр изготовлен из однородной проволоки, электрическое сопротивление которой определяется по формуле (4), подставим эту формулу в выражение (12) и выразим ЭДС тока источник исследуемый

, (13)

, где

длины участков, на которых происходит компенсация ЭДС неизвестного источника тока и нормального источника тока соответственно.

Также следует учитывать, что нормальные элементы быстро выходят из строя при прохождении через них больших токов, поэтому в цепь гальванометра вносится дополнительное сопротивление, ограничивающее силу тока через нормальный элемент и гальванометр.

Описание установки

Наряд на работу

Таблица 1

где

, г. — диаметр проволоки реохорда (0,4 мм).

где — значение, указанное на установке.

Определите абсолютную погрешность измерения ЭДС неизвестного источника тока по формуле

Запишите окончательный результат измерения как

контрольных вопросов

Что такое электрический ток, сила тока, плотность тока?

Выведите закон Ома для неоднородного участка электрической цепи и получите из него закон Ома для полностью замкнутого и однородного участка электрической цепи.

В чем физический смысл ЭМП? Что такое внешние силы? Какова их цель?

4 Что компенсирует неизвестную ЭДС, когда гальванометр достигает нуля?

5. Если в схеме компенсации источник заменен другим источником с такой же ЭДС, но с большим внутренним сопротивлением, то в каком направлении следует сдвинуть ползунок рехорда для восстановления компенсации?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

Цель работы: измерить электродвижущую силу источника тока компенсационным методом.

Теоретическая информация

. (1)

Единица измерения тока — ампер (А).Если за любые равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковое количество электричества (электрического заряда), то такой ток называется постоянным. Условно направление движения положительных зарядов принимается за направление электрического тока в проводнике (рис. 1а).

.(2)

, (3)

Сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, его линейных размеров и формы:

, (4)

Если подставить в закон Ома выражение (4) для однородный участок электрической цепи (3), получаем

. (5)

Учитывая, что

и,

для перемещения одиночного положительного заряда:

где

— вектор напряженность поля внешних сил;

— вектор смещения заряда. Единица измерения ЭДС — В (Вольт).

. (6)

, (7)

где — работа сил электростатического поля;

С учетом формулы (1) преобразуем выражение в виде:

Приведем полученное выражение к заряду и получим закон Ома для неоднородного участка электрической цепи

Если цепь замкнута, т.е.е.

, то получаем закон Ома для замкнутой электрической цепи (электрическая схема на рис. 1а).

(

абсолютное значение всегда меньше ЭДС вспомогательного источника).

Обозначим потенциалы на концах рехорда

, поэтому

Согласно закону Ома

, (10)

где — сила тока в потенциометре,

— сопротивление участка АС.

Приравнивая выражения (9) и (10), получаем

Чтобы не производить источник тока для определения неизвестной ЭДС, измерения тока и сопротивления

. (11)

.(12)

, (13)

, где

Описание установки

Наряд на работу

Таблица 1

где

, г. — диаметр проволоки реохорда (0,4 мм).

где — значение, указанное на установке.

Определите абсолютную погрешность измерения ЭДС неизвестного источника тока по формуле

Запишите окончательный результат измерения как

контрольных вопросов

Что такое электрический ток, сила тока, плотность тока?

В чем физический смысл ЭМП? Что такое внешние силы? Какова их цель?

4 Что компенсирует неизвестную ЭДС, когда гальванометр достигает нуля?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

Лабораторная работа No.8

Тема: « Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока ».

Цель: научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника электрической энергии.

Оборудование: 1. Амперметр лабораторный;

2. Источник электрической энергии;

3. Провода соединительные,

4. Набор сопротивлений 2 Ом и 4 Ом;

5.Переключатель однополюсный; ключ.

Теория.

Возникновение разности потенциалов на полюсах любого источника является результатом разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение связано с работой внешних сил.

Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда от источников тока, называются внешними силами .

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока свою работу выполняют внешние силы, действующие внутри источников тока.

Физическая величина, равная отношению работы A st внешних сил при движении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

ЭДС определяется работой, совершаемой внешними силами при перемещении одиночного положительного заряда.

Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольт [IN].

Для измерения ЭДС источника нужно присоединить к нему вольтметр холостого хода .

Источник тока — это проводник, который всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называется , полное сопротивление источника и обозначает r .

Если цепь разомкнута, то работа внешних сил превращается в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия расходуется на движение зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней части цепи с сопротивлением r, i.е. ε = IR + Ir .

Если цепь состоит из внешней части с сопротивлением R и внутренним сопротивлением r, то по закону сохранения энергии ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешней и внутренней частях цепи. цепь, потому что при движении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение, где IR — напряжение на внешней части цепи, а Ir — напряжение во внутренней части цепи.

Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:

Эта формула выражает закон Ома для полной цепи : сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешней и внутренней частей цепи.

ε и r можно определить эмпирически.

Часто источники электроэнергии соединяются между собой для питания цепи.Подключение источников к батарее может быть последовательным и параллельным.

При последовательном соединении два соседних источника соединены противоположными полюсами.

То есть, для последовательного соединения батарей положительный полюс первой батареи подключается к «плюсу» электрической цепи. Положительная клемма второй батареи и т. Д. Соединяется с ее отрицательной клеммой. Отрицательная клемма последней батареи подключена к «минусу» цепи.

Батарея, полученная в результате последовательного соединения, имеет ту же емкость, что и одиночная батарея, и напряжение такой батареи равно сумме напряжений включенных в нее батарей. Те. если батареи имеют одинаковое напряжение, то напряжение батареи равно напряжению одной батареи, умноженному на количество батарей в батарее.

1. ЭДС аккумулятора равна сумме ЭДС отдельных источников ε = ε 1 + ε 2 + ε 3

2 . Суммарное сопротивление батареи источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников r батареи = r 1 + r 2 + r 3

Если к аккумулятору подключено n одинаковых источников, то ЭДС аккумулятора ε = nε 1, а сопротивление r аккумулятора = nr 1

При параллельном подключении все положительные и все отрицательные полюса двух или n источников.

То есть при параллельном подключении батареи соединяются таким образом, что положительные клеммы всех аккумуляторов подключаются к одной точке цепи (″ плюс ″), а отрицательные клеммы всех аккумуляторов подключаются к другой точке цепи. цепь (″ минус ″).

Подключайте только параллельно источников из той же ЭДС . Батарея, полученная при параллельном включении, имеет такое же напряжение, как и одиночная батарея, и емкость такой батареи равна сумме емкостей включенных в нее батарей.Те. если батареи имеют одинаковую емкость, то емкость батареи равна емкости одной батареи, умноженной на количество батарей в батарее.

1. ЭДС батареи тех же источников равна ЭДС одного источника. ε = ε 1 = ε 2 = ε 3

2. Импеданс батареи меньше, чем импеданс одного источника r батареи = r 1 / n
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома

Электрическая энергия, запасенная в батарее, равна сумме энергий отдельных батарей (произведение энергий отдельных батарей, если батареи одинаковые), независимо от того, как батареи подключены — параллельно или последовательно. серии.

Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по той же технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Следовательно, поскольку при параллельном подключении емкость аккумулятора равна сумме емкостей включенных в него аккумуляторов, то есть увеличивается, то внутреннее сопротивление уменьшается.

Рабочий процесс.

1. Составьте таблицу: 2. Считайте шкалу амперметра и определите цену за одно деление.
3.Подключите электрическую цепь в соответствии со схемой, показанной на рисунке 1. Установите переключатель в среднее положение.

Рисунок 1.
4. Замкните цепь, добавив меньшее сопротивление R 1 1. Разомкнутая цепь.
5. Замкните цепь, добавив большее сопротивление R 2. Запишите ток I 2. Разомкнутая цепь.
6. Рассчитайте значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии.
закон Ома для полной цепочки для каждого случая: и
Отсюда получаем формулы для вычисления ε и r:
7.Результаты всех измерений и расчетов записываем в таблицу.
8. Сделайте вывод.
9. Ответьте на контрольные вопросы.
ТЕСТОВЫЕ ВОПРОСЫ.
1. Раскройте физический смысл понятия «электродвижущая сила источника тока».
2. Определите сопротивление внешней части цепи, используя результаты измерений и закон Ома для всей цепи.
3. Объясните, почему внутреннее сопротивление увеличивается при последовательном соединении батарей и уменьшается при параллельном по сравнению с сопротивлением r 0 одной батареи.
4. В каком случае вольтметр, подключенный к клеммам генератора, показывает ЭДС генератора, а в каком — напряжение на концах внешнего участка цепи? Можно ли считать это напряжение также напряжением на концах внутреннего участка цепи?
Возможность снятия мерок.