Как проходит вольт амперная характеристика идеальной эдс

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 r₀ 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

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 r₀.

У идеального источника ЭДС внутреннее сопротивление r₀ 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

и представлена на рис. 1.18.

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 r₀ 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 r₀ 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).

Для этой цепи на основании второго закона Кирхгофа можно записать

.

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:

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.

1. Источники напряжения и тока, их вах.

Под источником ЭДС(напряжения) понимается такой идеализированный элемент, напряжение на зажимах которого поддерживается постоянным при любом токе протекающем по нему. В идеальном случае Rвн=0, в реальном – любой источник имеет внутреннее R, величина которого незначительна.

Источник тока – это такой идеализированный элемент эл.цепи, ток через который не зависит от величины напряжения на его зажимах. Идеальный источник тока имеет бесконечное большое Rвн

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — график зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Вольт-амперная характеристика описывает поведение двухполюсника напостоянном токе. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов, поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию и не представляет особого интереса. Для трехполюсных элементов (таких, как транзистор, тиристор или ламповый триод) часто строят семейства кривых, являющимися ВАХ для двухполюсника при так или иначе заданных параметрах на третьем выводе элемента.

2. Получение синусоидальной эдс. Характеристики переменного тока (период, частота, фаза).

Электрические цепи, в которых значения и направления ЭДС, напряжения и тока периодически изменяются во времени по синусоидальному закону, называются цепями синусоидального тока. Иногда их называют просто цепями переменного тока.

Электрические цепи, в которых значения и направления ЭДС, напряжения и тока периодически изменяются во времени по законам, отличным от синусоидального, называются цепями несинусоидального тока.

Получение синусоидальной ЭДС.

Заставим эту катушку вращаться против часовой стрелки с угловой скоростью w . Если обозначить время полного оборота катушки через Т, то ω=2π/T, (рад/с) За некоторый промежуток времени t рамка повернется на угол ωt. Площадь проекции рамки в этом положении S_n=S*cos(ωt+ψ). Рамка и ее проекция на горизонтальную плоскую поверхность пронизываются одним и тем же числом силовых линий магнитной индукции, поэтому обусловленный ими магнитный поток равен:

При вращении катушки число силовых линий, охватываемых ее витками, все время меняется.

Поясним величины, входящие в последнее выражение. Еm – максимальное значение или амплитуда ЭДС. Аргумент синусоидальной функции ω ωt+ψ называется фазой. Угол ψ, определяющий начальное положение рамки и равный фазе в начальный момент времени (при t = 0), – начальная фаза. Фаза с течением времени (при вращении катушки) постоянно меняется. Скорость изменения фазы ω называется угловой или циклической частотой. Время одного цикла изменения фазы (время одного оборота рамки) называется периодом и обозначается T. Количество полных изменений синусоидальной ЭДС в секунду определяет частоту f, измеряемую в герцах (Гц). Один герц соответствует одному полному колебанию в секунду. Связь между частотой и периодом выражается формулой f= 1/T . При частоте 50 Гц: ω=2π/T=2πf=314(c -1 )

Характеристики переменного тока (период, частота, фаза).

Переменным током, наз. Ток переодически меняющийся по величине и направлению. Переменный тока характеризуется амлитудой, периодом, частотой и фазой.

Амплитудой, наз.наибольшее значение, положительное или отрицательное, принимаемое переменным током.

Периодом, наз.время, в течении которого происходит полное колебание тока в проводнике. Частота – величина, обратная периоду.

Фаза характеризует состояние переменного тока с течением времени. При t=0 фаза называется начальной.

Физика. 10 класс

Вольт-амперная характеристика газового разряда. Для изучения разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами. Рассмотрим зависимость силы тока в газе от напряжения, приложенного к электродам трубки, — вольт-амперную характеристику газового разряда ( рис. 205.1 ).

Воздействие внешнего ионизатора ионизирует газ в пространстве между электродами. Одновременно с этим происходит и обратный процесс — превращение ионов в нейтральные атомы (молекулы). При небольшом напряжении между электродами незначительное количество образовавшихся ионов и электронов достигает электродов, создавая электрический ток. Большинство ионов рекомбинирует, не успевая достигнуть электродов. При увеличении напряжения между электродами возрастает количество заряженных частиц, достигших электродов, т. е. сила тока увеличивается. При этом сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, т. е. выполняется закон Ома (участок графика АВ).

При дальнейшем повышении напряжения прямая пропорциональность нарушается (участок графика ВС). Начиная с некоторого значения напряжения (для точки С) все носители электрического заряда, образовавшиеся под воздействием ионизатора, достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом сила тока сохраняет постоянное значение и не зависит от напряжения (участок графика СD). Электрический ток, сила которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.

При достаточно высоком напряжении свободные электроны, ускоряясь под действием электрического поля, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа при соударении с ними. Процесс отрыва от атома (молекулы) газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с этими атомами (молекулами) свободных электронов, называют ионизацией электронным ударом. Возникшие в результате ударной ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых частиц. Такие свободные электроны являются вторичным ионизатором. Это ведёт к лавинообразному нарастанию числа вторичных свободных электронов и положительно заряженных ионов ( рис. 205.2 ), а значит, и увеличению силы разрядного тока. Однако сам разряд всё ещё остаётся несамостоятельным, так как после прекращения действия внешнего ионизатора он продолжается только до тех пор, пока отрицательно заряженные ионы и все электроны (первичные и вторичные) движутся к аноду и достигают его, а положительно заряженные ионы — катода. Несамостоятельному лавинному разряду в газе соответствует участок графика DЕ на рисунке 205.1.

Однако в ряде случаев газовый разряд может существовать и после прекращения действия ионизатора. В этом случае имеющееся между электродами сильное электрическое поле является причиной сохранения газового разряда, который называют самостоятельным.

Что такое идеальный источник тока

Чтобы электрический прибор мог работать, он должен получать питание от источника тока. Идеальным называют источник с нулевым внутренним сопротивлением. Но подобного устройства на практике не существует. Оно является физической абстракцией и обычно используется лишь при расчете электроцепей.

Что такое идеальный источник тока

Реальный источник тока представляет собой объект, в котором происходят сложные процессы. Чтобы упростить ситуацию, выгодно использовать идеальную абстракцию. Её особенность заключается в том, что она обладает только строго определёнными свойствами. Такой подход позволяет упростить проведение расчётов и при этом обеспечивает получение данных имеющих необходимую точность.

Идеальным может быть не только источник тока, но и напряжения. В первом случае рассматривается активный элемент, обеспечивающий нужную силу электротока между его клеммами. При этом принято считать ток абсолютно не зависящим от напряжения. Он может иметь любую, наперёд заданную форму. Идеальный ИТ обладает бесконечно большим внутренним сопротивлением.

Идеальный источник напряжения обеспечивает на своих клеммах разность потенциалов, не зависящую от электротока, протекающего в цепи. У этого источника отсутствует внутреннее сопротивление. В реальности у любого источника ЭДС такое сопротивление есть и в этом заключается отличие реального источника ЭДС от идеального.

Зависимость между электронапряжением на зажимах ИТ и электротоком принято называть внешней характеристикой. Ее график для идеального ИН выражается прямой, параллельной оси токов. Внешняя характеристика идеального ИТ — это параллельная прямая с осью напряжений.

Важно отметить, что идеализированное отображение источников питания имеет существенные недостатки. В качестве примера можно рассмотреть следующую ситуацию. Представим себе цепь с идеальным источником тока, в которой присутствует только нагрузка.

Если повышать величину сопротивления, то выделяемая на резисторе мощность также будет увеличиваться. В рассматриваемой идеализированной ситуации таким образом можно получить бесконечную мощность. Но на практике это невозможно, поскольку мощность любого источника энергии — это величина конечная.

Следует различать неуправляемые (независимые) источники и управляемые (зависимые) источники. У неуправляемого идеального источника тока параметры не зависят от того, что происходит в электроцепи. Характеристики управляемого устройства представляют собой функцию от электротока или электронапряжения определённого участка схемы.

На практике управляемые источники тока — это устройства с четырьмя клеммами. На одну пару клемм подаётся управляющий ток или напряжение, а с других двух клемм снимают идеальные параметры, являющиеся функцией входной характеристики. Существует четыре типа подобных узлов:

• Источник напряжения, управление которого осуществляется напряжением. Такой источник сокращенно называется ИНУН. Это вариант (а). Входной сигнал поступает на клеммы, расположенные слева. Напряжение на клеммах справа — это функция управляющего напряжения.
• Источник напряжения, управление которого осуществляется током (ИНУТ). На схеме (б) видно, что на входные клеммы поступает управляющий ток, а справа снимается напряжение, являющееся функцией тока.
• Источник, управление которого осуществляется током, являющимся функцией от управляющего напряжения (ИТУН). Вариант (в).
• Источник, управление которого осуществляется током, являющимся функцией от управляющего тока (ИТУТ). Вариант (г).

Чем идеальный источник отличается от реального

Когда рассматривается идеальный источник тока, предполагается, что он обладает бесконечно большим внутренним сопротивлением. Поэтому на его ток не оказывают влияние те параметры внешней электроцепи, от которых зависит напряжение на зажимах устройства. Реальный элемент питания ведёт себя по-другому: чем больший ток в нем, тем меньше разность потенциалов.

Это можно объяснить следующим образом. Ток представляет собой упорядоченное движение зарядов. Когда источник тока подсоединён к электрической цепи, то электроны перемещаются с одной клеммы на другую. Если ток в цепи сильный, электродвижущая сила хуже справляется с перемещением носителей внутри батареи. Это приводит к уменьшению разности потенциалов.

При подключении электроприборов к электросети они создают для неё нагрузку. Если она значительная, то происходит изменение напряжения и силы тока, с которыми оборудование работает.

Когда рассматривается идеальный источник, то сила тока остаётся не зависящей от напряжения. В большинстве случаев речь идёт о постоянной силе тока, хотя она может изменяться в соответствии с произвольной, заранее определённой функцией. Наличие постоянной характеристики позволяет упростить расчёт схемы.

В реальности идущий по цепи ток зависит от нагрузки. Если она уменьшится, то сила тока может резко возрасти. Этот эффект называется коротким замыканием. Чтобы избежать этого, используют предохранители. Если ток слишком высокий, то выделяется большое количество тепловой энергии. Это приводит к тому, что предохранитель плавится и цепь разрывается.

При внезапном увеличении силы тока может произойти авария, но чрезмерное его уменьшение также способно стать причиной нештатной ситуации. Например, может оказаться, что сила тока недостаточна для нормальной работы прибора.

Как используются идеальные источники

Идеальные схемы иногда используются, когда требуется провести точный расчет реальных электрических приборов. В таких ситуациях замещение производится по строго определённым правилам. Их важно соблюдать, чтобы полученный результат обладал требуемой точностью. Такая замена допустима не во всех случаях, а для очень ограниченного диапазона электротоков и электронапряжений.

Например, управляемые источники нашли применение при построении замещающих схем таких полупроводниковых устройств, как транзисторы. В частности ИТУН можно увидеть в схеме замещения полевого транзистора.

Невозможно построить идеальный ИТ с бесконечно большим внутренним сопротивлением. Но на практике могут применяться устройства, созданные на транзисторах. Их внутреннее сопротивление достигает довольно больших величин. С использованием подобных источников тока строятся схемы дифференциальных и операционных усилителей, цифро-аналоговых преобразователей.