Источники тока и напряжения
В теории цепей для представления источников электрической энергии используют две модели: идеальные источники напряжения и идеальные источники тока. С их помощью посредством схем замещения описывают реальные источники электрической энергии.
Идеальные источники напряжения (источники ЭДС)
Идеальный источник напряжения (синонимы — источник ЭДС, генератор ЭДС) представляет собой активный двухполюсник, вырабатывающий напряжение, которое не зависит от тока, протекающего через этот двухполюсник. ЭДС — аббревиатура термина электродвижущая сила. В теории цепей рассматривают источники постоянной ЭДС и источники переменной ЭДС, изменяющейся во времени по определенному закону. Источник ЭДС и его вольтамперная характеристика (ВАХ) показаны на рис. 1.13, а, б. На электрических схемах цепей с гальваническими элементами (батарейками, аккумуляторами) обычно используют особые обозначения для источников постоянной ЭДС (рис. 1.13, в). Если знаки «плюс» и «минус» около полюсов такого элемента не расставлены, следует считать, что электрод, обозначенный длинной полосой, имеет более высокий («плюсовой») потенциал.
|
|
Напряжение между полюсами идеального источника напряжения появляется вследствие действия сторонней силы, которая переносит заряды внутри источника. Причем положительные заряды движутся от полюса с меньшим потенциалом к полюсу с большим потенциалом — от «минуса» к «плюсу». Отрицательные заряды движутся в обратном направлении. В условном обозначении источника ЭДС присутствует стрелка. Она играет роль опорного (условного положительного) направления для источника ЭДС. Условились считать, что электродвижущая сила направлена туда, куда движутся внутри источника положительные заряды, — от «минуса» к «плюсу». Во внешней цепи ток положительных зарядов направлен от вывода «плюс» источника ЭДС к выводу «минус». Перемещение единичного положительного заряда по цепи между этими полюсами сопровождается выполнением работы, численно равной напряжению, которое отсчитывается от «плюса» к «минусу». Такую же работу совершает внутри источника электродвижущая сила. Если направления отсчета напряжения и ЭДС выбраны так, как показано на рис. 1.13, а (стрелки направлены противоположно), то:
u(t) = e(t).
Если стрелки для ЭДС и напряжения на источнике направлены в одну сторону, следует пользоваться равенством:
u(t) = -e(t).
А для мгновенной мощности ре источника ЭДС имеем:
При любом выборе опорных направлений ЭДС и напряжения расчет мгновенной мощности показывает, что для источника ЭДС она отрицательна (энергия отдается), а для подключенной к нему внешней цепи (например, для сопротивления R/ на рис. 1.13, а) — положительна. Действительно, при выбранных на рисунке направлениях тока и напряжения для мгновенной мощности pR на сопротивлении R, получается:
|
|
Так и должно быть — энергия, полученная за определенный интервал времени цепью, подключенной к источнику, должна равняться энергии, отданной в эту цепь сторонними силами.