Когда эдс равно напряжению конденсатора

Содержание

1. 4.4. Зарядка конденсатора
2. Что такое конденсатор и для чего он нужен в схемах
3. Общая концепция
4. Принцип работы
5. Конденсатор и цепь постоянного тока
6. Цепь с переменным током
7. Назначение и функции конденсаторов
8. Примеры использования
9. Фазовые искажения

4.4. Зарядка конденсатора

В этом разделе мы решим задачи о зарядке и разрядке конденсатора. Электрическая цепь показана на рис. 4.20. Переключатель S позволяет подсоединять и отсоединять источник тока.

Рис. 4.20. Цепь для зарядки и разрядки конденсатора

Пусть сначала конденсатор емкостью С не заряжен, и мы перебрасываем выключатель в положение а. По цепи пойдет зависящий от времени ток I(t), переносящий положительный заряд на верхнюю пластину конденсатора. Отметим, что хотя ток зарядки и разрядки конденсатора не является постоянным, но рассматривается здесь, поскольку его изменение в данном случае можно считать медленным. Обозначим заряд на этой пластине в момент t через q(t). Напряжение на конденсаторе можно найти как разницу между ЭДС и падением напряжения на нагрузке, то есть

либо как отношение заряда к емкости q/C. Приравнивая эти выражения, получаем первое уравнение процесса зарядки

Согласно закону сохранения заряда, изменение заряда q на обкладках конденсатора происходит только из-за наличия тока I. Поэтому второе уравнение процесса имеет вид

Подставим (4.37) в (4.36):

Мы видим, что у этого уравнения имеется стационарное решение (постоянный заряд на конденсаторе)

При таком заряде на конденсаторе напряжение на нем равно ЭДС источника тока, и ток по цепи не идет

Введем отклонение у заряда на конденсаторе от его стационарного значения

Подставляя это соотношение в (4.38), находим уравнение для функции y(t)

Это уравнение легко интегрируется

Вычисляя интегралы. находим

где y _{— произвольная постоянная интегрирования (значение у в начальный момент времени). Отсюда находим заряд на конденсаторе}

Нам осталось использовать начальное условие: в момент t = 0 конденсатор был не заряжен

Дифференцируя q(t) по времени, находим ток в цепи

Напряжение на конденсаторе U(t) = q(t)/C без труда получается из (4.39)

Таким образом, по мере роста заряда и напряжения на конденсаторе ток в цепи уменьшается. При этом заряд конденсатора стремится к своему стационарному значению

а напряжение на конденсаторе — к ЭДС источника тока. Величина имеет размерность времени и определяет характерное время процесса зарядки. За промежуток ток в цепи уменьшается
в е = 2,72 раза.

На рис. 4.21 показана зависимость заряда на конденсаторе и тока в цепи для конкретных значений R = 1,5 кОм, С = 2 мкФ,

Характерное время процесса равно при этих значениях Из рисунков видно, что уже при временах порядка

конденсатор почти полностью заряжается.

Рис. 4.21. Графики зависимости напряжения на конденсаторе (слева) и тока в цепи (справа)
при зарядке конденсатора емкостью С = 2 мкФ через активное сопротивление R = 1,5 кОм от источника тока с ЭДС 12 В

Рассмотрим теперь процесс разрядки конденсатора. Зарядив его до какого-то заряда

(или, что то же самое, до начального напряжения U _{= q/C), мы перебрасываем переключатель в положение b (см. рис. 4.20). Конденсатор начнет разряжаться, а по цепи пойдет ток. Мы имеем те же самые уравнения за исключением того, что в цепь не включен источник тока. Поэтому в этом случае надо положить в уравнении (4.38). Тогда оно совпадет с тем, что мы ранее решали для y(t), поэтому решения для процесса разрядки конденсатора нам уже известны}

Все эти величины быстро уменьшаются с течением времени: за тот же характерный промежуток

заряд конденсатора, напряжение на нем и ток в цепи падают в 2,72 раза. Отрицательный знак в выражении для тока означает, что ток при разрядке течет в направлении, обратном току при зарядке конденсатора.

Дополнительная информация

Источник

Что такое конденсатор и для чего он нужен в схемах

Конденсатор — это вторая по популярности радиодеталь после резистора. Он важен и незаменим, участвует в формировании сигналов и фильтрации питания. А ведь изначально, самым первым конденсатором была лейденская банка, которая была изобретена в 1745 году. С тех пор конденсаторы стали неотъемлемой частью электроники.

Общая концепция

Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок и диэлектрика между ними. И все, больше ничего. С виду простая радиодеталь, но работает на высоких и низких частотах по-разному.

Обозначается на схеме двумя параллельными линиями.

Принцип работы

Эта радиодеталь хорошо демонстрирует явление электростатической индукции. Разберем на примере.

Если подключить к конденсатору постоянный источник тока, то в начальный момент времени ток начнет скапливаться на обкладках конденсатора. Это происходит за счет электростатической индукции. Сопротивление практически равно нулю.

Электрическое поле за счет электростатической индукции притягивает разноименные заряды на две противоположные обкладки. Это свойство материи называется емкостью. Емкость есть у всех материалов. И даже у диэлектриков, но у проводников она значительно больше. Поэтому обкладки конденсатора выполнены из проводника.

Чем больше емкость — тем больше может накопиться зарядов на обкладках конденсатора, т.е. электрического тока.

Основное свойство конденсатора — это емкость. Она зависит от площади пластин, расстояния между ними и материала диэлектрика, которым заполняют пространство между обкладками.

Когда на обкладках не останется места для электрического тока, то и ток в цепи прекратится. Электростатическая индукция пропадает. Теперь остается электрическое поле, которое держит заряды на своих обкладках и не отпускает их. А электрическому току некуда деваться. Напряжение на конденсаторе станет равным ЭДС (напряжению) источнику тока.

А что будет, если повысить ЭДС (напряжение) источника тока? Электрическое поле начнет все сильнее давить на диэлектрик, поскольку места на обкладках уже нет. Но если напряжение на конденсаторе превысит допустимые знания, то диэлектрик пробьет. И конденсатор станет проводником, заряды освободятся, и ток пойдет по цепи. Как тогда использовать конденсатор для высоких напряжений? Можно увеличить размер диэлектрика и расстояние между обкладками, но при этом уменьшается емкость детали.

Между обкладками находится диэлектрик, который препятствует прохождению постоянного тока. Это именно барьер для постоянного тока. Потому, что постоянный ток создает и постоянное напряжение. А постоянное напряжение может создавать электростатическую индукцию только при замыкании цепи, то есть, когда конденсатор заряжается.

Так конденсатор может сохранять энергию до тех пор, пока к нему не подключится потребитель.

Конденсатор и цепь постоянного тока

Добавим в схему лампочку. Она загорится только во время зарядки.

Еще одна важная особенность — когда происходит процесс зарядки током, то напряжение отстает от тока. Напряжение как бы догоняет ток, поскольку сопротивление нарастает плавно, по мере зарядки. Электрические зарядам нужно время, чтобы переместиться к обкладкам конденсатора. Так называется время зарядки. Оно зависит от емкости, частоты и напряжения.

Лампочка затухает при полной зарядке.

Постоянный электрический ток не проходит через конденсатор только после его зарядки.

Цепь с переменным током

А что если поменять полярность на источнике тока? Тогда конденсатор начнет разряжаться, и снова заряжаться, поскольку меняется полярность источника.

Электростатическая индукция возникает постоянно, если электрический ток переменный. Каждый раз, когда ток начинает менять свое направление, начинается процесс зарядки и разрядки.

Поэтому, конденсатор пропускает переменный электрический ток.

Чем выше частота — тем меньше реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора.

Назначение и функции конденсаторов

Конденсатор играет огромную роль как в аналоговой, так и цифровой технике. Они бывают электролитическими и керамическими, и отличаются своими свойствами, но не общей концепцией. Примеры использования:

• Фильтрует высокочастотные помехи;
• Уменьшает и сглаживает пульсации;
• Разделяет сигнал на постоянные и переменные составляющие;
• Накапливает энергию;
• Может использоваться как источник опорного напряжения;
• Создает резонанс с катушкой индуктивности для усиления сигнала.

Примеры использования

В усилителях обычно используются для защиты сабвуферов, фильтрации питания, термостабилизации и разделение постоянной составляющей от переменной. А электролитические в автономных схемах с микроконтроллерами могут долго обеспечивать питание за счет большой емкости.

В данной схеме транзистор VT1 постоянно открыт, чтобы усиливать звук без искажений. Но если вход замнется или на него поступи постоянный ток, то транзистор откроется, перейдет в насыщение и перегреется. Чтобы этого не допустить, нужен конденсатор. С1 позволяет отделить постоянную оставляющую от переменной. Переменный сигнал легко проходит на базу транзистора, а постоянный сигнал не проходит.

Чтобы схема качественно работала, обязательно хорошее питание. Когда схема в пиковые значения потребляет больше тока, то это всегда сильная нагрузка на источник питания. С3 фильтрует помехи по питанию и помогает снизить нагрузку. Чем больше емкость — тем лучше звук, но до определенных значений, все зависит от схемы.

А в блоках питания используется тот же принцип, как и в предыдущей схеме по питанию, но здесь емкость нужна гораздо больше. На этой схеме емкость элеткролита может быть как 1000 мкФ, так и 10 000 мкФ.

Еще на диодный мост можно параллельно включить керамические конденсаторы, которые будут шунтировать схему от высокочастотных наводок и шума сети 220 В.

Фазовые искажения

Конденсатор может искажать переменный сигнал по фазе. Это происходит из-за неверного расчета емкости, общего сопротивления и взаимодействия с другими радиодеталями. Не стоит забывать и о том, что любая радиодеталь имеет как реактивное, так и активное сопротивление.

Источник

Эдс источника тока формула

Сторонние силы. Источники тока. Но при движении зарядов от одного конца к другому концу проводника, разность потенциалов будет уменьшаться до нуля и ток, в конце концов, прекратится рис. Положительные заряды всегда двигаются в сторону уменьшения потенциала, а отрицательные, наоборот — в сторону увеличения потенциала.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Электродвижущая сила.
• От чего зависит эдс. Эдс и напряжение источника электрической энергии
• Связь ЭДС и напряжения
• Open Library — открытая библиотека учебной информации. Эдс закон ома для полной цепи
• Электродвижущая сила и напряжение источника тока
• Чем отличается ЭДС от напряжения: простое объяснение на примере

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Урок 261. Потери энергии в ЛЭП. Условие согласования источника тока с нагрузкой

Электродвижущая сила.

Через источник при этом потечёт максимальный ток ток короткого замыкания:. Из-замалости внутреннего сопротивления ток короткого замыкания может быть весьма большим. Например, пальчиковая батарейка разогревается при этом так, что обжигает руки.

Это напряжение является разностью потенциалов между точками a и b рис. Потенциал точки a равен потенциалу положительной клеммы источника; потенциал точки b равен потенциалу отрицательной клеммы. Поэтому напряжение 3. Мы видим из формулы 3. Идеальный источник тока. Так называется источник с нулевым внутренним сопротивлением. Разомкнутая цепь. Рассмотрим источник тока сам по себе, вне электрической цепи. Смысл этого результата прост: если источник не подключён к цепи, то идеальный вольтметр16, подсоединённый к полюсам источника, покажет его ЭДС.

Нетрудно понять, почему резистор R называется полезной нагрузкой. Представьте себе, что это лампочка. Теплота, выделяющаяся на лампочке, является полезной, так как благодаря этой теплоте лампочка выполняет своё предназначение даёт свет.

Количество теплоты, выделяющееся на полезной нагрузке R за время t, обозначим Qполезн. Если сила тока в цепи равна I, то. Подключение идеального вольтметра не приводит к искажениям тока в цепи. Закон Ома для участка цепи. Немецкий физик Георг Ом — в г. Единица электрического сопротивления в СИ — ом Ом. Электрическим сопротивлением 1 Ом обладает такой участок цепи, на котором при силе тока 1 А напряжение равно 1 В:. Опыт показывает, что электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади S поперечного сечения:.

Постоянный для данного вещества параметр называется удельным электрическим сопротивлением вещества. Экспериментально установленную зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R участка цепи называют законом Ома для участка цепи:.

Сила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению R участка цели.

Последовательное и параллельное соединение проводников. Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно. При последовательном соединении проводников конец первого проводника соединяется с началом второго и т.

При этом сила тока I одинакова во всех проводниках, а напряжение U на концах всей цепи равно сумме напряжений на всех последовательно включенных проводниках.

Например, для трех последовательно включенных проводников 1, 2, 3 рис. Из выражений Таким образом,. При последовательном соединении проводников их общее электрическое сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.

Из соотношений При параллельном соединении проводников 1, 2, 3 рис. При этом напряжение U на всех проводниках одинаково, а сила тока I в неразветвленной цепи равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках.

Для трех параллельно включенных проводников сопротивлениями R1, R2 и R3 на основании закона Ома для участка цепи запишем. При параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям всех параллельно включенных проводников. Параллельный способ включения широко применяется для подключения ламп электрического освещения и бытовых электроприборов к электрической сети.

Работа и мощность электрического тока. Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока. Работа А сил электрического поля или работа электрического тока на участке цепи с электрическим сопротивлением R за время равна.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока А ко времени , за которое эта работа совершена:. Если на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения веществ, то работа электрического поля приводит только к нагреванию проводника.

При этом работа электрического тока равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током:.

Закон Электродвижущая сила. Полная работа сил электростатического поля при движении зарядов по замкнутой цепи постоянного тока равна нулю. Следовательно, вся работа электрического тока в замкнутой электрической цепи оказывается совершенной за счет действия сторонних сил, вызывающих разделение зарядов внутри источника и поддерживающих постоянное напряжение на выходе источника тока.

Отношение работы , совершаемой сторонними силами по перемещению заряда q вдоль цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей силой источника ЭДС :. Электродвижущая сила выражается в тех же единицах, что и напряжение или разность потенциалов, т. Закон Ома для полной цепи. Если в результате прохождения постоянного тока в замкнутой электрической цепи происходит только нагревание проводников, то по закону сохранения энергии полная работа электрического тока в замкнутой цепи, равная работе сторонних сил источника тока, равна количеству теплоты, выделившейся на внешнем и внутреннем участках цепи:.

Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна сумме электрических сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи. Выражение Открытая библиотека для школьников и студентов.

Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям. Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию.

В результате работы электрического тока увеличивается скорость колебаний ионов и атомов и внутренняя энергия проводника увеличивается. Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока.

Мы знаем, что работу тока рассчитывают по формуле:. Пользуясь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока, сопротивление участка цепи и время. Закон Ома для полной цепи связывает величину силы тока в ней, величину электродвижущей силы ЭДС и полное сопротивление цепи.

Эту зависимость опытным путем получил Георг Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.

Краснодар, ул. Симферопольская дом 5, офис 9. Заказать обратный звонок. Пн-Вс с до Корзина Корзина пуста Выбрать товар. Главная Разное Эдс закон ома для полной цепи. Мы принимаем:. Симферопольская дом 5, офис 9 8 27 02 8 24 40 Заказать бесплатный звонок. Пн-Вс с до sale les Прoизвoдcтвo и прoдaжa cвeтoдиoдных cвeтильникoв для дoрoг , пaркoв , тoргoвoe , oфиca , cклaдa.

Роль источника тока: разделить заряды за счет совершения работы сторонними силами.

Любые силы, действующие на заряд, за исключением потенциальных сил электростатического происхождения т. Сторонние силы объясняются электромагнитным взаимодействием между электронами и ядрами.

ЭДС — энергетическая характеристика источника. Закон Ома: Сила тока в цепи постоянного тока прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению электрической цепи. Опасно, так как — возрастает. В случае если R растет, то I уменьшается. Тогда з-н Ома запишется в виде:.

Расчет по правилам Кирхгофа см. Алгебраическая сумма сил токов в каждом узле точке разветвления равна 0. В любом замкнутом контуре цепи алгебраическая сумма произведений сил токов в отдельных участках на их сопротивления равна алгебраической сумме ЭДС источников в этих контурах.

Направление токов выбирают произвольно. В случае если после вычислений значение силы тока отрицательно, то направление противоположно. Замкнутый контур обходят в одном направлении. Прoизвoдcтвo и прoдaжa cвeтoдиoдных cвeтильникoв для дoрoг, пaркoв, тoргoвoe, oфиca, cклaдa Карта сайта.

От чего зависит эдс. Эдс и напряжение источника электрической энергии

Закон Ома для замкнутой цепи показывает — значение тока в реальной цепи зависит не только от сопротивления нагрузки, но и от сопротивления источника. Формулировка закона Ома для замкнутой цепи звучит следующим образом: величина тока в замкнутой цепи, состоящей из источника тока, обладающего внутренним и внешним нагрузочным сопротивлениями, равна отношению электродвижущей силы источника к сумме внутреннего и внешнего сопротивлений. Впервые зависимость тока от сопротивлений была экспериментально установлена и описана Георгом Омом в году. Потребители электрического тока вместе с источником тока образуют замкнутую электрическую цепь. Ток, проходящий через потребитель, проходит и через источник тока, а значит, току кроме сопротивления проводника оказывается сопротивление самого источника. Таким образом, общее сопротивление замкнутой цепи будет складываться из сопротивления потребителя и сопротивления источника.

Что такое ЭДС. Во внешней цепи электрического контура электрические заряды двигаются от плюса источника к минусу и создают электрический ток.

Связь ЭДС и напряжения

Содержание: Что такое электродвижущая сила Что такое напряжение Так в чем же отличие Вывод. Под ЭДС понимается физическая величина, характеризующая работу каких-либо сторонних сил, находящихся в источниках питания постоянного или переменного тока. При этом, если имеется замкнутый контур, то можно сказать, что ЭДС равна работе сил по перемещению положительного заряда к отрицательному по замкнутой цепи. Или простыми словами, ЭДС источника тока представляет работу, необходимую для перемещения единичного заряда между полюсами. При этом если источник тока имеющего бесконечную мощность, а внутреннее сопротивление будет отсутствовать позиция А на рисунке , то ЭДС можно рассчитать по закону Ома для участка цепи , так как напряжение и электродвижущая сила в этом случае равны. Однако, реальный источник питания имеет конечное внутреннее сопротивление. Поэтому такой расчет нельзя применять на практике. В этом случае для определения ЭДС пользуются формулой для полной цепи. Однако, эта формула не учитывает сопротивление проводников цепи.

Open Library — открытая библиотека учебной информации. Эдс закон ома для полной цепи

Под действием сил внешнего электрического поля и при наличии на концах проводника разности потенциалов — в проводнике возникает электрический ток. Источники электрического тока как раз и являются источниками разности потенциалов. В каждом источнике электрической энергии тока существующая разность потенциалов создаётся и поддерживается сторонними неэлектрическими силами. В источнике электрического тока происходит преобразование неэлектрической формы энергии в электрическую энергию. Эта сила в источнике тока называется — электродвижущая сила.

Для поддержания электрического тока в проводнике длительное время, необходимо чтобы от конца проводника, имеющего меньший потенциал учтем, что носители тока предполагаются положительными зарядами постоянно убирались доставляемые током заряды, при этом к концу с большим потенциалом заряды постоянно подводились. То есть следует обеспечить круговорот зарядов.

Электродвижущая сила и напряжение источника тока

На нашем сайте собрано более бесплатных онлайн калькуляторов по математике, геометрии и физике. Не можете решить контрольную?! Мы поможем! Более 20 авторов выполнят вашу работу от руб! Здесь — ЭДС, — работа сторонних сил, — величина заряда. ЭДС — скалярная величина.

Чем отличается ЭДС от напряжения: простое объяснение на примере

Компьютерные сети Системное программное обеспечение Информационные технологии Программирование. Все о программировании Обучение Linux Unix Алгоритмические языки Аналоговые и гибридные вычислительные устройства Архитектура микроконтроллеров Введение в разработку распределенных информационных систем Введение в численные методы Дискретная математика Информационное обслуживание пользователей Информация и моделирование в управлении производством Компьютерная графика Математическое и компьютерное моделирование Моделирование Нейрокомпьютеры Проектирование программ диагностики компьютерных систем и сетей Проектирование системных программ Системы счисления Теория статистики Теория оптимизации Уроки AutoCAD 3D Уроки базы данных Access Уроки Orcad Цифровые автоматы Шпаргалки по компьютеру Шпаргалки по программированию Экспертные системы Элементы теории информации Главная Тексты статей Добавить статьи Контакты ЭДС. Что такое ЭДС? В простейшей электрической цепи на перемещение заряда q по контуру замкнутой цепи рис. При изменении тока изменяется мощность источника Р и. Подставляя в это уравнение значение мощности из формул 2. При изменении сопротивления приемника R изменяет свое значение ток. Следует отметить, что уравнение 2.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника тока равна работе, которую совершают сторонние силы по перемещению единичного.

Электротехника связывает природу электричества со строением вещества и объясняет его движением свободных заряженных частиц под воздействием энергетического поля. Для того чтобы электрический ток протекал по цепи и совершал работу, необходимо иметь источник энергии, совершающий преобразование в электричество:. Все они обладают различными характеристиками.

Для того чтобы разобраться что такое электродвижущая сила источника электрической энергии , необходимо вспомнить, что представляет собой электрический ток и за счёт чего происходит его движение в электрической цепи. Известно, электрический ток движется в цепи за счёт разницы потенциалов. Для того чтобы движение тока не прекращалось, нужно непрерывно обеспечивать эту разницу потенциалов между полюсами источника напряжения, к которому подключена цепь. Подобное явление можно сравнить с трубкой, которая соединена с двумя резервуарами с водой.

Тензор электромагнитного поля Тензор энергии-импульса 4-потенциал 4-ток.

Электрический ток не протекает в медном проводе по той же причине, по которой остаётся неподвижной вода в горизонтальной трубе. Если один конец трубы соединить с резервуаром таким образом, чтобы образовалась разность давлений, жидкость будет вытекать из одного конца. Аналогичным образом, для поддержания постоянного тока необходимо внешнее воздействие, перемещающее заряды. Это воздействие называется электродвижущая сила или ЭДС. Прогресс в понимании электричества на этом историческом этапе очевиден. В поисках истины он обнаружил, что когда два электрода из разных металлов контактируют через электролит, оба заряжаются и остаются заряженными несмотря на замыкание контура нагрузкой.

В разгар учебного года многим ученым деятелям требуется эдс формула для разных расчетов. Эксперименты, связанные с гальваническим элементом, так же нуждаются в информации об электродвижущей силе. Но для начинающих не так-то просто понять, что же это такое.

10.1 Электродвижущая сила – University Physics Volume 2

Глава 10. Цепи постоянного тока

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

• Описывать электродвижущую силу (ЭДС) и внутреннее сопротивление батареи
• Объясните принцип работы батареи

Если вы забудете выключить автомобильные фары, они будут постепенно тускнеть по мере разрядки аккумулятора. Почему они не мигают внезапно, когда энергия батареи заканчивается? Их постепенное затемнение означает, что выходное напряжение батареи уменьшается по мере разрядки батареи. Причина снижения выходного напряжения у разряженных аккумуляторов заключается в том, что все источники напряжения имеют две основные части — источник электрической энергии и внутреннее сопротивление. В этом разделе мы исследуем источник энергии и внутреннее сопротивление.

Введение в электродвижущую силу

Напряжение имеет множество источников, некоторые из которых показаны на рис. 10.2. Все такие устройства создают разность потенциалов и могут подавать ток, если подключены к цепи. Особый тип разности потенциалов известен как электродвижущая сила (ЭДС) . ЭДС вообще не является силой, но термин «электродвижущая сила» используется по историческим причинам. Он был придуман Алессандро Вольта в 1800-х годах, когда он изобрел первую батарею, также известную как гальваническая батарея. Поскольку электродвижущая сила не является силой, эти источники принято называть просто источниками ЭДС (произносится буквами «э-э-э-э»), а не источниками электродвижущей силы.

Рисунок 10.2  Различные источники напряжения. а) ветряная электростанция Бразос в Флуванне, штат Техас; (б) Красноярская ГЭС в России; в) солнечная ферма; (d) группа никель-металлогидридных аккумуляторов. Выходное напряжение каждого устройства зависит от его конструкции и нагрузки. Выходное напряжение равно ЭДС только при отсутствии нагрузки. (кредит a: модификация работы Стига Найгаарда; кредит b: модификация работы «vadimpl»/Wikimedia Commons; кредит c: модификация работы «The tdog»/Wikimedia Commons; кредит d: модификация работы «Itrados» /Викисклад)

Если электродвижущая сила вовсе не сила, то что такое ЭДС и что является источником ЭДС? Чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим простую схему 12-вольтовой лампы, подключенной к 12-вольтовой батарее, как показано на рис. 10.3. Аккумулятор можно смоделировать как устройство с двумя клеммами, в котором одна клемма имеет более высокий электрический потенциал, чем вторая клемма. Более высокий электрический потенциал иногда называют положительной клеммой и обозначают знаком плюс. Клемму с более низким потенциалом иногда называют отрицательной клеммой и обозначают знаком минус. Это источник ЭДС.

Рисунок 10.3  Источник ЭДС поддерживает на одной клемме более высокий электрический потенциал, чем на другой клемме, действуя как источник тока в цепи.

Когда источник ЭДС не подключен к лампе, в источнике ЭДС нет чистого потока заряда. Как только батарея подключена к лампе, заряды текут от одной клеммы батареи, через лампу (заставляя лампу загораться) и обратно к другой клемме батареи. Если мы рассмотрим положительный (обычный) ток, положительные заряды покидают положительную клемму, проходят через лампу и входят в отрицательную клемму.

Положительный ток полезен для большинства анализов цепей в этой главе, но в металлических проводах и резисторах наибольший вклад в ток вносят электроны, протекающие в направлении, противоположном положительному току. Поэтому более реалистично рассмотреть движение электронов для анализа схемы на рис. 10.3. Электроны покидают отрицательную клемму, проходят через лампу и возвращаются к положительной клемме. Чтобы источник ЭДС поддерживал разность потенциалов между двумя клеммами, отрицательные заряды (электроны) должны перемещаться от положительной клеммы к отрицательной. Источник ЭДС действует как зарядовый насос, перемещая отрицательные заряды от положительного вывода к отрицательному для поддержания разности потенциалов. Это увеличивает потенциальную энергию зарядов и, следовательно, электрический потенциал зарядов.

Сила электрического поля, действующая на отрицательный заряд, действует в направлении, противоположном электрическому полю, как показано на рис. 10.3. Чтобы отрицательные заряды переместились на отрицательный полюс, над отрицательными зарядами должна быть совершена работа. Для этого требуется энергия, которая возникает в результате химических реакций в аккумуляторе. Потенциал поддерживается высоким на положительной клемме и низким на отрицательной клемме, чтобы поддерживать разность потенциалов между двумя клеммами. ЭДС равна работе, проделанной над зарядом на единицу заряда [латекс]\влево(\эпсилон =\фрак{дВ} {dq}\вправо)[/латекс], когда ток не течет. Поскольку единицей работы является джоуль, а единицей заряда — кулон, единицей ЭДС является вольт [латекс]\left(1\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{V}= 1\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{J/C}\right).[/latex]

Напряжение на клеммах [латекс] {V} _ {\ text {терминал}} [/латекс] батареи — это напряжение, измеренное на клеммах батареи, когда к клемме не подключена нагрузка. Идеальная батарея представляет собой источник ЭДС, который поддерживает постоянное напряжение на клеммах, независимо от тока между двумя клеммами. Идеальная батарея не имеет внутреннего сопротивления, а напряжение на клеммах равно ЭДС батареи. В следующем разделе мы покажем, что реальная батарея имеет внутреннее сопротивление и напряжение на клеммах всегда меньше, чем ЭДС батареи.

Происхождение потенциала батареи

Комбинация химических веществ и состав клемм в батарее определяют ее ЭДС. Свинцово-кислотный аккумулятор, используемый в автомобилях и других транспортных средствах, представляет собой одну из наиболее распространенных комбинаций химических веществ. На рис. 10.4 показан один элемент (один из шести) этой батареи. Катодная (положительная) клемма элемента соединена с пластиной из оксида свинца, тогда как анодная (отрицательная) клемма подключена к свинцовой пластине. Обе пластины погружены в серную кислоту, электролит для системы.

Рисунок 10.4  Химические реакции в свинцово-кислотном аккумуляторе разделяют заряд, направляя отрицательный заряд на анод, соединенный со свинцовыми пластинами. Пластины оксида свинца соединены с положительным или катодным выводом элемента. Серная кислота проводит заряд, а также участвует в химической реакции.

Знание того, как взаимодействуют химические вещества в свинцово-кислотном аккумуляторе, помогает понять потенциал, создаваемый аккумулятором. На рис. 10.5 показан результат одной химической реакции. Два электрона помещаются на анод, что делает его отрицательным, при условии, что катод поставляет два электрона. Это оставляет катод положительно заряженным, потому что он потерял два электрона. Короче говоря, разделение заряда было вызвано химической реакцией.

Обратите внимание, что реакция не происходит, если нет полной цепи, позволяющей доставить два электрона к катоду. Во многих случаях эти электроны исходят от анода, проходят через сопротивление и возвращаются к катоду. Заметим также, что поскольку в химических реакциях участвуют вещества, обладающие сопротивлением, невозможно создать ЭДС без внутреннего сопротивления.

Рисунок 10. 5  В свинцово-кислотном аккумуляторе два электрона направляются на анод элемента, а два электрона удаляются с катода элемента. Химическая реакция в свинцово-кислотном аккумуляторе помещает два электрона на анод и удаляет два электрона с катода. Для продолжения требуется замкнутая цепь, поскольку два электрона должны быть подведены к катоду.

Внутреннее сопротивление и напряжение на клеммах

Величина сопротивления протеканию тока внутри источника напряжения называется внутренним сопротивлением . Внутреннее сопротивление х батареи может вести себя сложным образом. Обычно он увеличивается по мере разрядки аккумулятора из-за окисления пластин или снижения кислотности электролита. Однако внутреннее сопротивление может также зависеть от величины и направления тока через источник напряжения, его температуры и даже его истории. Внутреннее сопротивление перезаряжаемых никель-кадмиевых элементов, например, зависит от того, сколько раз и насколько глубоко они разряжались. Простая модель батареи состоит из идеализированного источника ЭДС [латекс]\эпсилон[/латекс] и внутреннего сопротивления р (рис. 10.6).

Рисунок 10.6 Батарея может быть смоделирована как идеализированная ЭДС [латекс]\влево(\эпсилон \вправо)[/латекс] с внутренним сопротивлением (r). Напряжение на клеммах батареи равно [латекс]{V}_{\text{терминал}}=\эпсилон-Ir[/латекс].

Предположим, что внешний резистор, известный как сопротивление нагрузки R , подключен к источнику напряжения, такому как батарея, как показано на рис. 10.7. На рисунке представлена ​​модель батареи с ЭДС [латекс]\эпсилон[/латекс], внутренним сопротивлением r и нагрузочный резистор R , подключенный к его выводам. Используя обычный ток, положительные заряды покидают положительную клемму батареи, проходят через резистор и возвращаются к отрицательной клемме батареи. Напряжение на клеммах батареи зависит от ЭДС, внутреннего сопротивления и тока и равно

При заданных ЭДС и внутреннем сопротивлении напряжение на клеммах уменьшается по мере увеличения тока из-за падения потенциала Ir внутреннего сопротивления.

Рисунок 10.7  Схема источника напряжения и его нагрузочного резистора R. Поскольку внутреннее сопротивление r включено последовательно с нагрузкой, оно может существенно повлиять на напряжение на клеммах и ток, подаваемый на нагрузку.

График разности потенциалов на каждом элементе цепи показан на рис. 10.8. По цепи протекает ток I , а падение потенциала на внутреннем резисторе равно Ir . Напряжение на клеммах равно [latex]\epsilon -Ir[/latex], что равно падению потенциала на нагрузочном резисторе [latex]IR=\epsilon -Ir[/latex]. Как и в случае с потенциальной энергией, важно изменение напряжения. Когда используется термин «напряжение», мы предполагаем, что на самом деле это изменение потенциала, или [латекс]\текст{Δ}В[/латекс]. Однако [латекс]\текст{Δ}[/латекс] часто опускается для удобства.

Рисунок 10.8  График зависимости напряжения в цепи аккумулятора от сопротивления нагрузки. Электрический потенциал увеличивает ЭДС батареи из-за химических реакций, совершающих работу над зарядами. В аккумуляторе происходит уменьшение электрического потенциала из-за внутреннего сопротивления. Потенциал уменьшается из-за внутреннего сопротивления [латекс]\влево(\текст{−}Ir\вправо)[/латекс], делая напряжение на клеммах батареи равным [латекс]\влево(\эпсилон -Ir\вправо) [/латекс]. Затем напряжение уменьшается на (IR). Ток равен [латекс]I=\frac{\epsilon}{r+R}.[/latex]

Ток через нагрузочный резистор равен [латекс]I=\frac{\epsilon}{r+R}[/latex]. Из этого выражения мы видим, что чем меньше внутреннее сопротивление r , тем больший ток источник напряжения отдает на свою нагрузку R . По мере разрядки батарей r увеличивается. Если r становится значительной долей сопротивления нагрузки, то ток значительно снижается, как показано в следующем примере.

Пример

Анализ цепи с аккумулятором и нагрузкой

Данная батарея имеет ЭДС 12,00 В и внутреннее сопротивление [latex]0,100\phantom{\rule{0,2em}{0ex}}\text{Ω}[/latex]. (a) Рассчитайте напряжение на его клеммах при подключении к нагрузке [латекс]10,00\текст{-}\текст{Ом}[/латекс]. (b) Каково напряжение на клеммах при подключении к нагрузке [латекс]0,500\текст{-}\текст{Ом}[/латекс]? (c) Какую мощность рассеивает нагрузка [латекс]0,500\текст{-}\текст{Ом}[/латекс]? (d) Если внутреннее сопротивление возрастает до [латекс]0,500\фантом{\правило{0,2em}{0ex}}\текст{Ом}[/латекс], найдите ток, напряжение на клеммах и мощность, рассеиваемую [латексным ]0,500\текст{-}\текст{Ом}[/латекс] нагрузка.

Стратегия

Приведенный выше анализ дал выражение для тока с учетом внутреннего сопротивления. Как только ток найден, напряжение на клеммах можно рассчитать, используя уравнение [латекс] {V} _ {\ текст {терминал}} = \ эпсилон -Ir [/латекс]. Как только ток найден, мы также можем найти мощность, рассеиваемую резистором.

Решение

Показать ответ

1. Ввод заданных значений ЭДС, сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления в приведенное выше выражение дает

   [латекс] I = \ frac {\ epsilon} {R + r} = \ frac {12.00 \ phantom {\ rule {0. 2em} {0ex}} \ text {V}} {10.10 \ phantom {\ rule {0.2 em}{0ex}}\text{Ω}}=1,188\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{A}.[/latex]

   
   Введите известные значения в уравнение [latex]{V}_{\text{terminal}}=\epsilon -Ir[/latex], чтобы получить напряжение на клеммах:
   

   [латекс] {V} _ {\ text {терминал}} = \ epsilon -Ir = 12,00 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {V} \ phantom {\ rule {0.2em} { 0ex}}-\left(1.188\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{A}\right)\left(0.100\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{Ω }\справа)=11,90\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{V}.[/latex]

   
   Напряжение на клеммах здесь лишь немного ниже ЭДС, что означает, что ток, потребляемый этой легкой нагрузкой, незначителен.

2. Аналогично, с [латексом]{R}_{\text{load}}=0,500\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{Ω}[/latex], ток равен

   [латекс] I = \ frac {\ epsilon} {R + r} = \ frac {12.00 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {V}} {0.600 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex }}\text{Ω}}=20.00\phantom{\rule{0. 2em}{0ex}}\text{A}.[/latex]

   
   Напряжение на клеммах теперь
   

   [латекс] {V} _ {\ text {терминал}} = \ epsilon -Ir = 12,00 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {V} — \ left (20,00 \ phantom {\ rule {0.2em}{0ex}}\text{A}\right)\left(0.100\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{Ω}\right)=10.00\phantom{\rule{0.2 em}{0ex}}\text{V}.[/latex]

   
   Напряжение на клеммах демонстрирует более значительное снижение по сравнению с ЭДС, что означает, что [латекс]0,500\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{Ω}[/latex] является большой нагрузкой для этой батареи. «Большая нагрузка» означает большее потребление тока от источника, но не большее сопротивление. 9{2}}{R}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{or}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}IV[/latex], где В  – напряжение на клеммах (в данном случае 10,0 В).

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

   [латекс]I=\frac{\epsilon}{R+r}=\frac{12. 00\phantom{\rule{0.2em}{ 0ex}}\text{V}}{1.00\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{Ω}}=12.00\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{A} .[/латекс] 9{2}\left(0,500\phantom{\rule{0,2em}{0ex}}\text{Ω}\right)=72,00\phantom{\rule{0,2em}{0ex}}\text{W.}[ /латекс]

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

Значение

Внутреннее сопротивление батареи может увеличиться по многим причинам. Например, внутреннее сопротивление перезаряжаемой батареи увеличивается по мере увеличения количества перезарядок батареи. Повышенное внутреннее сопротивление может иметь два последствия для батареи. Во-первых, напряжение на клеммах уменьшится. Во-вторых, батарея может перегреться из-за увеличения мощности, рассеиваемой внутренним сопротивлением.

Проверьте свое понимание

Если вы подсоедините провод непосредственно к двум клеммам батареи, эффективно закоротив клеммы, батарея начнет нагреваться. {2}r\right)[/latex]. Мощность рассеивается в виде тепла.

Тестеры аккумуляторов

Тестеры аккумуляторов, подобные показанным на рис. 10.9, используют небольшие нагрузочные резисторы для преднамеренного отбора тока, чтобы определить, падает ли потенциал на клеммах ниже допустимого уровня. Хотя измерить внутреннее сопротивление батареи сложно, тестеры батарей могут обеспечить измерение внутреннего сопротивления батареи. Если внутреннее сопротивление высокое, батарея слабая, о чем свидетельствует низкое напряжение на клеммах.

Рисунок 10.9  Тестер батарей измеряет напряжение на клеммах под нагрузкой, чтобы определить состояние батареи. (a) Техник по электронике ВМС США использует тестер батарей для проверки больших батарей на борту авианосца USS Nimitz. Тестер батареи, который она использует, имеет небольшое сопротивление, которое может рассеивать большое количество энергии. (b) Показанное небольшое устройство используется на небольших батареях и имеет цифровой дисплей для индикации допустимого напряжения на клеммах. (кредит a: модификация работы Джейсона А. Джонстона; кредит b: модификация работы Кейта Уильямсона)

Некоторые аккумуляторы можно заряжать, пропуская через них ток в направлении, противоположном току, который они подают в электроприбор. Это обычно делается в автомобилях и в батареях для небольших электроприборов и электронных устройств (рис. 10.10). Выходное напряжение зарядного устройства должно быть больше, чем ЭДС аккумулятора, чтобы ток через него изменил направление. Это приводит к тому, что напряжение на клеммах батареи больше, чем ЭДС, поскольку [латекс]V=\эпсилон -Ir[/латекс] и I теперь отрицательный.

Рисунок 10.10  Зарядное устройство автомобильного аккумулятора меняет нормальное направление тока через аккумулятор, обращая его химическую реакцию и восстанавливая его химический потенциал.

Важно понимать последствия внутреннего сопротивления источников ЭДС, таких как батареи и солнечные элементы, но часто анализ цепей выполняется с напряжением на клеммах батареи, как мы делали в предыдущих разделах. Напряжение на клеммах обозначается просто как V без нижнего индекса «терминал». Это связано с тем, что внутреннее сопротивление батареи трудно измерить напрямую, и оно может меняться со временем.

Резюме

• Все источники напряжения состоят из двух основных частей: источника электрической энергии, который имеет характеристическую электродвижущую силу (ЭДС) и внутреннее сопротивление r . ЭДС — это работа, совершаемая на один заряд для поддержания постоянной разности потенциалов источника. ЭДС равна разности потенциалов на клеммах, когда ток не течет. Внутреннее сопротивление r источника напряжения влияет на выходное напряжение при протекании тока.
• Выходное напряжение устройства называется его терминальным напряжением [латекс] {V} _ {\ текст {терминал}} [/латекс] и определяется как [латекс] {В} _ {\ текст {терминал}} = \ epsilon -Ir[/latex], где I — электрический ток, положительный при протекании от положительного вывода источника напряжения, а r — внутреннее сопротивление.

Концептуальные вопросы

Какое влияние окажет внутреннее сопротивление перезаряжаемой батареи на энергию, используемую для перезарядки батареи?

Показать решение

Часть энергии, используемой для перезарядки батареи, будет рассеиваться в виде тепла на внутреннем сопротивлении.

Батарея с внутренним сопротивлением Ом и ЭДС 10,00 В подключена к нагрузочному резистору [латекс]R=r[/латекс]. По мере старения батареи внутреннее сопротивление увеличивается втрое. Насколько уменьшился ток через нагрузочный резистор?

Показать, что мощность, рассеиваемая нагрузочным резистором, максимальна, когда сопротивление нагрузочного резистора равно внутреннему сопротивлению батареи. 9{3}}\right]=0,\phantom{\rule{0.5em}{0ex}}r=R\hfill \end{массив}[/latex]

Проблемы

Автомобильный аккумулятор с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением [latex]0,050\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{Ω}[/latex] заряжается током 60 А. Обратите внимание, что в этом процессе батарея заряжается. а) Чему равна разность потенциалов на его выводах? б) С какой скоростью рассеивается тепловая энергия в батарее? в) С какой скоростью электрическая энергия превращается в химическую?

Наклейка на радиоприемнике с батарейным питанием рекомендует использовать перезаряжаемый никель-кадмиевый элемент (nicads), хотя он имеет ЭДС 1,25 В, тогда как щелочной элемент имеет ЭДС 1,58 В. Радио имеет сопротивление [латекс]3,20\фантом{\правило{0,2em}{0ex}}\текст{Ом}[/латекс]. а) Нарисуйте принципиальную схему радиоприемника и его батареи. Теперь рассчитайте мощность, подаваемую на радио (b) при использовании элементов nicad, каждый из которых имеет внутреннее сопротивление [латекс] 0,0400 , и (c) при использовании щелочного элемента, имеющего внутреннее сопротивление [латекс] 0,200 \ фантом {\ правило {0,2 em} {0ex}} \ текст {Ом} [/латекс]. (d) Насколько существенной кажется эта разница, если учесть, что эффективное сопротивление радиоприемника уменьшается при увеличении громкости?

Показать раствор

а.

б. 0,476 Вт; в. 0,691 Вт; д. По мере снижения [латекса]{R}_{L}[/латекс] разница в мощности уменьшается; поэтому при более высоких объемах существенной разницы нет.

Автомобильный стартер имеет эквивалентное сопротивление [латекс]0,0500\phantom{\rule{0,2em}{0ex}}\text{Ом}[/латекс] и питается от батареи 12,0 В с [латекс] 0,0100\text{-}\text{Ом}[/latex] внутреннее сопротивление. а) Чему равен ток в двигателе? б) Какое напряжение к нему приложено? в) Какая мощность подается на двигатель? (d) Повторите эти расчеты для случаев, когда соединения батареи подвержены коррозии, и добавьте [латекс] 0,09.00\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{Ω}[/latex] в схему. (Значительные проблемы возникают из-за даже небольшого нежелательного сопротивления в низковольтных сильноточных приложениях.)

(a) Каково внутреннее сопротивление источника напряжения, если его потенциал на клеммах падает на 2,00 В при увеличении подаваемого тока. на 5,00 А? (b) Можно ли найти ЭДС источника напряжения с помощью предоставленной информации?

Показать решение

а. [латекс] 0,400 \ фантом {\ правило {0.2em} {0ex}} \ текст {Ω} [/латекс]; б. Нет, есть только одно независимое уравнение, поэтому только р можно найти.

Человек с сопротивлением тела между руками [латекс] 10,0 \ фантом {\ правило {0,2em} {0ex}} \ text {k} \ text {Ω} [/латекс] случайно схватил клеммы 20,0 кВ источник питания. (НЕ делайте этого!) (a) Нарисуйте принципиальную схему, чтобы представить ситуацию. (b) Если внутреннее сопротивление источника питания равно [latex]2000\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{Ω}[/latex], какова сила тока через его тело? в) Какая сила рассеивается в его теле? (d) Если источник питания необходимо сделать безопасным, увеличив его внутреннее сопротивление, каким должно быть внутреннее сопротивление, чтобы максимальный ток в этой ситуации был 1,00 мА или меньше? (e) Не повлияет ли эта модификация на эффективность источника питания для управления устройствами с низким сопротивлением? Объясните свои рассуждения.

Автомобильный аккумулятор с ЭДС 12,0 В имеет напряжение на клеммах 16,0 В при зарядке током 10,0 А. а) Чему равно внутреннее сопротивление аккумулятора? б) Какая мощность рассеивается внутри батареи? в) С какой скоростью (в [латекс]\текст{°}\текст{С}\текст{/}\текст{мин}[/латекс]) будет увеличиваться его температура, если его масса 20,0 кг и удельная теплоемкость [латекса] 0,300\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{ккал/кг}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}·\text{°}\text{C }[/latex], при условии отсутствия утечек тепла?

Показать раствор

а. [латекс] 0,400 \ фантом {\ правило {0.2em} {0ex}} \ текст {Ω} [/латекс]; б. 40,0 Вт; в. [латекс] 0,0956 \ фантом {\ правило {0.2em} {0ex}} \ текст {°C/мин} [/латекс]

Глоссарий

электродвижущая сила (ЭДС)

энергия, произведенная на единицу заряда, полученная от источника, производящего электрический ток

внутреннее сопротивление

величина сопротивления протеканию тока в источнике напряжения

разность потенциалов

разность электрических потенциалов между двумя точками электрической цепи, измеренная в вольтах

снижение потенциала

потеря потенциальной электрической энергии при протекании тока через резистор, провод или другой компонент

напряжение на клеммах

разность потенциалов, измеренная на клеммах источника при отсутствии нагрузки

Лицензии и атрибуты

Электродвижущая сила. Автор : Колледж OpenStax. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/10-1-electromotive-force. Лицензия : CC BY: Attribution . Условия лицензии : Скачать бесплатно по адресу https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/1-introduction

Внутреннее сопротивление | Батареи и другие источники питания

Внутреннее сопротивление | Батареи и другие источники питания

В электрических цепях, которые мы рассматривали до сих пор, мы рассматривали источник напряжения, питающий цепь, как источник напряжения. идеальный источник напряжения. то есть:

• Мы предположили, что напряжение, подаваемое в цепь, остается постоянным, независимо от величины тока, протекающего через нее. поставляется.
• Мы также предположили, что энергия преобразуется в тепло только за счет сопротивления во внешней цепи.

На практике это не так, так как:

1. Напряжение на клеммах батареи уменьшается по мере увеличения тока, подаваемого в цепь.
   Одинаково для всех реальных источников напряжения. (Однако разработчики источников питания производят стабилизированные источники питания, в которых обратная связь схемы используются для поддержания относительно постоянного выходного напряжения).
2. Все блоки питания нагреваются во время использования, что свидетельствует о том, что часть энергии, которую они обеспечивают, на самом деле потребляется. преобразуется в тепло внутри самого блока питания!

Это показано на анимации ниже.

Это изменение напряжения питания потенциально трудно объяснить, особенно если принять во внимание фактическое причины изменения будут зависеть от типа используемого источника питания.
Например:

• Для батареи: напряжение падает, потому что скорость химических реакций, передающих заряд на клеммы батареи, не может соответствовать скорости, с которой заряд покидает клеммы, чтобы течь по цепи.
• Для генератора: ток создает более сильные магнитные поля внутри генератора, которые замедляют работу генератора и уменьшают напряжение питания.

К счастью, мы можем избежать этих подробностей и, независимо от фактического характера источника питания, мы можем представить его с помощью модель блока питания, полностью состоящая из простых электрических компонентов. Один из способов сделать это — представить власть питание как идеальный источник напряжения (ЭДС) последовательно с внутренним сопротивлением. Когда эта модель источника питания применяется к внешней цепи, ток цепи также протекает через внутреннее сопротивление. Это приводит к внутреннему падению напряжения внутри источника питания, что снижает напряжение на клеммах источника питания. Мощность, рассеиваемая внутренним сопротивлением, представляет собой тепло, выделяемое в источнике питания. Это показано на анимации ниже.

Напряжение на клеммах (В) равно ЭДС.