Джерела напруги та струму
Електричний генератор перетворює неелектричну форму енергії в електричну. Використовуючи цю неелектричну енергію, в генераторі рухливі заряди переміщуються ПРОТИ електростатичних сил, які мають тенденцію скасувати їх поділ. Ми маємо справу з двома супутніми процесами, які досягають (за винятком деяких дуже цікавих випадків) ДИНАМІЧНОЇ РІВНОВАЖНОСТІ, в якій напруга на клемах генератора U = VA - VB і щільність навантаження в кожній точці контуру з часом не змінюються. Оскільки електричний заряд зберігається, це призводить до того, що в цьому стані інтенсивність струму однакова в будь-якій ділянці кола, і ця інтенсивність I також є постійною в часі. Цей особливий стан - це режим постійного струму. У конкретній ситуації, коли клеми генератора "залишаються порожніми", значення інтенсивності I дорівнює нулю.
Нехтуймо на даний момент внутрішнім опором генератора; оскільки інтенсивність однакова по всій схемі, ми можемо згодом врахувати її вплив, вставивши додатковий «резистор». Це нехтування дозволяє зосередитись на перетворенні енергії. У режимі постійного струму потенціали та струм не змінюються в часі, тому, коли навантаження q проходить через генератор, на ньому повинно виконуватися, проти кулонівських сил, одне і те ж механічне явище L, щоб піднятися на гору потенціалу від B до A (малюнок показано).
Однак, якщо змінюються властивості зовнішнього контуру генератора, встановлюється інший режим постійного струму, при якому інтенсивність I, постійна в часі, відрізняється від попередньої.
Це важливе питання, яке, на жаль, ігнорується майже у всіх підручниках. Відповідь - ні, т. М. Як правило, НЕ залишається незмінним, коли змінюються поточні. Поширений приклад - магнітоелектричний генератор, що приводиться у дію водоспадом. У розімкнутому контурі (з перериванням) сила струму дорівнює нулю, і єдиними зусиллями, які необхідно подолати при обертанні вала, є сили тертя: швидкість обертання висока і т.м.м. вона теж чудова. При підключенні різних споживачів струм змінюється, і при обертанні вала електромагнітні сили, пропорційні інтенсивності, також повинні бути переможені. Швидкість обертання різко зменшиться, і разом з цим електрорушійна напруга впаде (увага, мова не йде про додаткове падіння напруги на опорі обмоток!). Оскільки, загалом, електрорушійна напруга залежить від величини струму через джерело, визначення т.е.м. що напруга на порожніх клемах джерела є помилковим: у порожньому на клемах джерела ми знаходимо напругу, рівну т.м.м. при нульовому струмі, що не допомагає нам знати, скільки т.м.м. до струму, який буде встановлений при підключенні споживача.
Однак існують певні типи генераторів, в яких т.м. вона практично не залежить від I, якщо остання не стає занадто великою. Це стосується електрохімічних генераторів: у них кожна частина транспортуваного заряду здійснюється шляхом дисоціації однакової кількості молекул і виділення однакової кількості енергії. Більше того, для батарей (батарей, які можна зарядити енергією) т.м. він залишається майже постійним, навіть коли струм змінює свій напрямок, акумулятор стає споживачем. Існування та широке використання таких типів генераторів, в яких т.м. практично не залежить від I, що призвело до побудови ідеальної моделі, яка є джерелом напруги.
(Ідеальним) джерелом напруги є елемент ланцюга з двома клемами (диполь), напруга яких на клемах не залежить від струму, що проходить через нього.
Тепер ми можемо повернутися назад і розглянути внутрішній опір генератора, припускаючи його омічну поведінку. Позначаємо через E t.e.m. генератора та з його внутрішнім опором. В одиниці часу величина E * I перетворюється в електрику і одночасно величина I * I * r розсіюється ефектом Джоуля всередині генератора. Залишилася енергія використовується для транспортування навантаження між клемами генератора, між якими знаходиться напруга U. З E * I - I * I * r = U * I відразу випливає, що U = E - I * r. Це співвідношення дає нам право використовувати для генератора еквівалентну схему на наступному малюнку, ідеальне джерело напруги значення Е послідовно з опором значення r .
Не можна забувати, що цей еквівалент дійсний лише тоді, колиа) т.м. не залежить від інтенсивності та
б) генератор має омічну поведінку.
Цей тип генератора називається «лінійним» і є єдиним, що розглядається в підручниках. Фотоелектричний генератор (фотоелемент) не відповідає жодній із цих умов. Це не може бути охарактеризовано t.e.m. і внутрішній опір і не може бути представлений ідеальним джерелом напруги послідовно з резистором.
Існують також електричні генератори, в яких поділ навантажень (перетворення енергії) здійснюється таким чином, щоб потік навантаження залишався постійним. Простим прикладом є генератор Ван дер Граафа: якщо гумова стрічка рухається з постійною швидкістю і умови, за яких відбувається електризація, залишаються незмінними, то потік навантаження, що досягає великої сфери, залишається постійним. Незалежно від значення опору провідника, підключеного зовні між двома полюсами, при поточному режимі через ланцюг буде протікати струм однакового значення. Більше того, це відбувається, навіть якщо пристрій, який не має омічної поведінки, підключений між полюсами (діод або сигнальне світло від заліза). Кожного разу значення напруги на клемах, рівне, як ми вже бачили, t.e.m., буде диктуватися зовнішнім ланцюгом. Генератор НЕ МОЖЕ ХАРАКТЕРИСТИКАТИ T.E.M. . Починаючи з цього прикладу, ми можемо представити ще один ідеальний елемент схеми: джерело струму.
Ведмідь повністю характеризується значенням і розмірами цієї течії. Один із символів на сусідній фігурі може бути використаний для джерела живлення.
Переважна більшість сучасної літератури використовує цей символ відповідно до північноамериканських стандартів. На жаль, румунські інженери подбали про те, щоб систематично використовувати його для подання джерела напруги, і немає жодних ознак того, що такий стан плутанини зникне. У цьому тумані румунські автори підручників фізики називають джерело напруги «ідеальним генератором», використовують для нього американський символ джерела струму і повністю ігнорують джерело струму.
За певних умов ми повинні вважати струм, вироблений поточним джерелом, нульовим. Чим нам потрібно замінити це джерело? Якщо незалежно від значення напруги між клемами струм дорівнює нулю, то ланцюг переривається.
Що станеться, якщо блок живлення залишиться порожнім (зовнішній опір стає нескінченним)? Закон Ома вимагає, щоб напруга на клемах також стала нескінченною, що неможливо. Щоб побачити, що говорить нам цей математичний висновок, давайте подумаємо про генератор Ван дер Граафа, до якого ми не підключили жодного провідного шляху між клемами. Навантаження завжди надходить на велику сферу, і напруга між полюсами завжди збільшується з постійною швидкістю. Досягти режиму постійного струму зараз неможливо. Саме про цю неможливість попереджує нас нескінченний характер напруги на клемах: джерело струму не може працювати у вакуумі. В ідеальній установці напруга не збільшується нескінченно, при певному значенні повітря проколюється. Подібна складність виникає у випадку з джерелом напруги, якщо уявити, що ми замкнули його провідником з нульовим опором. Закон Ома вимагає, щоб інтенсивність була нескінченною, що неможливо. Джерело напруги не може працювати в режимі короткого замикання.
Корисність концепції джерела струму також демонструється вирішенням наступної задачі, запропонованої на окружному етапі Олімпіади з фізики, 22 березня 2003 р. Нескінченна площинна мережа складається з однакових резисторів величини R0, з'єднаних у гексагональну клітинну структуру. . Потрібно визначити еквівалентний опір між точками E і F.
Проблему можна легко узагальнити. Якщо зберегти нескінченний і однорідний характер мережі, і від кожного вузла вони починаються з n сторін (симетрія при обертанні порядку n), сила струму в стороні EF, що виробляється при підключенні обох джерел, становитиме 2 * I0/n, а опір еквівалент призведе до Re = 2 * R0/n. Зокрема, для мережі квадратних комірок n = 4 та Re = R0/2.
Давайте подивимось, до чого помилковий результат призводить автор цієї проблеми Дорел Хараламб з Національного коледжу імені Петру Рареса, П'ятра Нямт, стан плутанини між джерелами струму та напруги, стан, який постійно підтримується нашими підручниками. альтернатива. Він, вирішуючи і шкалу, за якою він хотів оцінити "олімпійців", виконує уявні експерименти, описані вище з ДЖЕРЕЛАМИ НАПРЯГИ: "Він з'єднується з вузлом Е термінал + електричного генератора зі страхом і нульовим внутрішнім опором. "У вузлі E. Термінал іншого генератора, ідентичний першому, підключений до вузла F. Очевидно, струм, який" виходить "з вузла F. Також має інтенсивність I." Ці дві ситуації представлені на кресленнях нижче), які ми належати).
Далі автор з'єднує обидва джерела одночасно (як на кресленнях нижче) і вважає, що цю останню ситуацію можна розглядати як суперпозицію перших двох: "Поєднання двох генераторів послідовно між терміналами E і F. відповідно до теореми про перекриття, інтенсивність струму вводиться "в Е - 2 I."
Але теорему про суперпозицію тут застосувати не можна. Автор-професор забуває (або ніколи не знав), що джерело напруги з нульовою напругою - КОРОТКА ЦІП. Для того, щоб накласти суперпозицію, у першому експерименті вузол F слід короткозамкнути на кільце на нескінченності, а у другому експерименті вузол E слід застосувати так само, як показано на кресленнях нижче.
Оскільки теорема про суперпозицію не може бути застосована в експериментах, які уявляв собі автор задачі, струми, що проходять через ідеальні джерела напруги при одночасному підключенні, не дорівнюють струму, що проходить через джерело напруги при підключенні поодинці. Іншими словами, коли ми послідовно з'єднуємо джерела між E та F для вимірювання еквівалентного опору між цими точками, струм не є ні I, ні 2 I, як вважає автор. Якщо ми визнаємо, що це Я, то ми заперечуємо закон дії джерела напруги (з нульовим внутрішнім опором) і вважаємо, не кажучи прямо, що відповідні генератори насправді є джерелами струму. Очевидно, ми дійшли до правильного результату, як і в попередньому рішенні з поточними джерелами.
Але автор задачі навіть не йде цим шляхом (з оголошенням джерел як напруги, але використання їх як джерел струму), оскільки він елементарно помиляється у суперпозиції. Він неправильно збирає струми, що надходять (поза мережею) в точку Е: з першим джерелом у нас був I, з другим джерелом - нуль. Автор задачі вважає, що сума цих двох струмів, що перекриваються, дорівнює 2 I, досягаючи помилкового результату Re = R0/3.
Чи можемо ми вирішити проблему, уявляючи експерименти з ідеальними джерелами напруги, як стверджує автор? Якщо ми правильно розглянемо конфігурації з пасивованими джерелами (нульове джерело напруги еквівалентно короткому замиканню), як ми намалювали їх вище, ми помічаємо, що обертальна симетрія була зруйнована наявністю дроту, що замикає іншу точку до периферійного кільця. За цих умов струм, що вводиться джерелом у відповідний вузол, більше НЕ ділиться на три рівні компоненти; струм через сторону EF простий e/R0, але інші два струми (і, очевидно, загальний інжектований струм I) не можуть бути розраховані. Проблему не можна вирішити за допомогою джерел суперпозиції та напруги.