Лекция № 4 Характеристики цепей постоянного тока

Для того чтобы в электрической цепи протекал ток, необходимо наличие в ней источника энергии, например, гальванического элемента. Один из типов гальванических элементов (рис. 1.7, а) представляет собой две пластины – из меди Cu и из цинка Zn, помещённые в раствор серной кислоты H₂SO₄ → 2H⁺ + SO^-₄.

При протекании в этой системе химических процессов положительные ионы цинка Zn⁺⁺ переходят в раствор серной кислоты, оставляя на цинковой пластине избыток отрицательных свободных зарядов. Одновременно в растворе серной кислоты тяжёлые и малоподвижные ионы цинка оттесняют лёгкие и подвижные положительные ионы водорода Н⁺ к медной пластине, на которой происходит восстановление нейтральных атомов водорода. При этом медная пластина теряет свободные отрицательные заряды, т.е. заряжается положительно. Между разноимённо заряженными пластинами возникает электрическое поле с напряжённостью Е, которое препятствует направленному движению ионов в растворе. При определённом значении напряжённости поля Е = Е₀ накопление зарядов на пластинах прекращается. Напряжение (или разность потенциалов между пластинами), при котором накопление зарядов прекращается, служит количественной мерой сторонней силы (в данном случае химической природы), стремящейся к накоплению заряда.

К0личественную меру сторонней силы принято называть электродвижущей силой (ЭДС). Для гальванического элемента ЭДС E = E₀d = U _abx, где d – расстояние между пластинами; U _abx = φ _ax – φ _bx – напряжение, равное разности потенциалов между выводами пластин в режиме холостого хода, т.е. при отсутствии тока в гальваническом элементе.

Рис. 1.7. Гальванический элемент и схемы его графического изображения:

а – эскизная схема медно-цинкового гальванического элемента; б – условное обозначение; в – схема замещения

Если к выводам элемента подключить нагрузку (приёмник), например резистор, то в замкнутой цепи возникает ток. Направленное движение ионов в растворе кислоты сопровождается их взаимными столкновениями, что создаёт внутреннее сопротивление гальванического элемента постоянному току.

Гальванический элемент, эскизная схема которого изображена на рис. 1.7, а, на принципиальных электрических схемах изображаются как на рис. 1.7., б, на схемах замещения – как на рис. 1.7, в. Для упрощения расчётов на рис. 1.7, в ЭДС Е и внутреннее сопротивление R _вт разделены и соединены последовательно. Стрелка напряжения U_ab указывает направление движения положительных зарядов в нагрузке, если её подключить к гальваническому элементу.

Схема замещения на рис. 1.7, в справедлива для любых других источников электрической энергии постоянного тока, которые отличаются от гальванического элемента физической природой ЭДС и внутреннего сопротивления.

В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления R _вт источника энергии и внешнего сопротивления R _н нагрузки определяют источники напряжения и источники тока.

Рис. 1.8. Схемы замещения электрических цепей:

а – источник напряжения; б – источник тока

Рис. 1.9. Схемы замещения источников электрической энергии:

а – источник с существенным R _вт; б – источник без R _вт; в – источник тока; г – независимый источник напряжения; д – независимый источник тока

Для исследования различных типов источников энергии целесообразно представить электрические цепи в виде схем замещения рис. 1.7, в и рис. 1.8, а.

Свойства источника электрической энергии определяет вольт-амперная характеристика (или внешняя, статическая характеристика), которая представляет собой зависимость напряжения между его выводами U_ab = U от тока I источника, т.е. U(I):

U = E – R_втI = U_x - R_втI,

которой соответствует прямая на рис. 1.9, а. Уменьшение напряжения источника при увеличении тока объясняется увеличением падения напряжения на внутреннем сопротивлении R_вт. При напряжении U = 0 ток источника I равен току короткого замыкания

I_кз: I = I_кз = E/ R_вт.

Участок внешней характеристики при отрицательных значениях тока соответствует зарядке аккумулятора (возобновляемого источника энергии).

Во многих случаях внутреннее сопротивление источника электрической энергии мало по сравнению с сопротивлением нагрузки R _н и справедливо неравенство R_втI < E. В этих случаях напряжение между выводами источника практически не зависит от тока, т.е. U ≈ E = const.

Источник электрической энергии с малым внутренним сопротивлением можно заменить идеализированной моделью, для которой R_вт = 0. Такой идеализированный источник электрической энергии называется идеальным источником ЭДС с одним параметром E = U_x = U. Напряжение между выводами идеального источника ЭДС не зависит от тока, а его внешняя характеристика определяется выражением

U = E = const,

которому соответствует прямая на рис. 1.9, б. Такой источник называется источником напряжения. На этом же рисунке показано изображение идеального источника ЭДС на схемах.

В ряде случаев, в частности в цепях с полупроводниковыми приборами, внутреннее сопротивление источника электрической энергии может быть во много раз больше сопротивления нагрузки R_н (внешний по отношению к источнику части цепи). При выполнении условия R_вт >> R_н в таких цепях ток источника электрической энергии

I ≈ E/R_вт = I_к.з = J = const,

т.е. практически равен току короткого замыкания источника. Источник с большим внутренним сопротивлением можно заменить идеализированной моделью, у которой R_вт → ∞ и Е → ∞ и для которой E/R_вт = J. Такой идеализированный источник электрической энергии называется идеальным источником тока с одним параметром J = I_к.з. Ток источника тока не зависит от напряжениямежду его выводами, а его внешняя характеристика определяется выражением

I = J = const,

которому соответствует прямая на рис. 1.9, в. На этом же рисунке дано изображение источника тока на схемах. Участок внешней характеристики с отрицательным значением напряжения соответствует потреблению источником тока из внешней относительно него цепи.

Дата добавления: 2014-01-07