Идеальные источники напряжения (источники ЭДС)

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 р_е 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 p_R 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.