Източници на напрежение и ток
Електрическият генератор преобразува неелектрическа форма на енергия в електрическа енергия. Използвайки тази неелектрическа енергия, в генератора мобилните заряди се преместват ПРОТИВ електростатичните сили, които са склонни да отменят разделянето им. Имаме работа с два съпътстващи процеса, които достигат (с изключение на някои много интересни случаи) ДИНАМИЧЕСКИ РАВНОВОД, при които напрежението на клемите на генератора U = VA - VB и плътностите на натоварването във всяка точка на веригата не се променят с течение на времето. Тъй като електрическият заряд се запазва, в резултат на това интензитетът на тока е еднакъв във всеки участък от веригата и този интензитет I също е постоянен във времето. Това много специално състояние е DC режимът. В конкретната ситуация, в която терминалите на генератора са "оставени празни", стойността на интензитета I е нула.
Нека пренебрегваме за момента вътрешното съпротивление на генератора; тъй като интензивността е еднаква в цялата верига, по-късно можем да вземем предвид нейния ефект, като вмъкнем допълнителен „резистор“. Това пренебрегване ни позволява да се съсредоточим върху преобразуването на енергия. В режима на постоянен ток потенциалите и токът не се променят във времето, така че, когато натоварването q премине през генератора, върху него трябва да се извърши, срещу кулоновските сили, същото механично нещо L, за да се изкачи планината на потенциала от B до A (фигурата е показана).
Ако обаче свойствата на външната верига на генератора се променят, се установява друг режим на постоянен ток, при който интензитетът I, постоянен във времето, се различава от предишния.
Това е съществен въпрос, за съжаление пренебрегван в почти всички учебници. Отговорът е не, t.e.m. Обикновено НЕ остава непроменен, когато текущите промени. Чест пример е магнито-електрически генератор, задвижван от водопад. В отворената верига (прекъсната) токът е нула и единствените сили, които трябва да бъдат преодолени при въртене на вала, са силите на триене: скоростта на въртене е висока и t.e.m. тя също е страхотна. При свързване на различни консуматори токът се променя и при въртенето на вала електромагнитните сили, пропорционални на интензитета, също трябва да бъдат победени. Скоростта на въртене ще намалее драстично и с това електромоторното напрежение ще се срути (внимание, тук не става въпрос за допълнителния спад на напрежението върху съпротивлението на намотките!). Тъй като като цяло електромоторното напрежение зависи от големината на тока през източника, дефиницията на t.e.m. че напрежението на клемите на празния източник е погрешно: в празното на терминалите на източника намираме напрежение, равно на t.e.m. при нулев ток, което не ни помага да разберем колко t.e.m. към тока, който ще бъде установен при свързване на потребителя.
Съществуват обаче някои видове генератори, в които t.e.m. практически е независим от I, ако последният не стане твърде голям. Такъв е случаят с електрохимичните генератори: в тях всяка част от транспортирания заряд се осъществява чрез дисоцииране на един и същ брой молекули и освобождаване на същото количество енергия. Освен това за батерии (батерии, които могат да се презареждат с енергия) t.e.m. тя остава почти постоянна, дори когато токът промени посоката си, батерията се превръща в потребител. Съществуване и широко разпространение на тези видове генератори, при които t.e.m. е практически независим от I, довело до изграждането на идеален модел, който е източник на напрежение.
(Идеалният) източник на напрежение е елемент на веригата с два извода (дипол), чието напрежение на клемите е независимо от протичащия през него ток.
Сега можем да се върнем назад и да разгледаме вътрешното съпротивление на генератора, ако приемем омичното му поведение. Означаваме с E t.e.m. на генератора и с вътрешното му съпротивление. В единица време количеството E * I се превръща в електричество и в същото време количеството I * I * r се разсейва от ефекта на Джоул вътре в генератора. Останалата енергия се използва за транспортиране на товара между клемите на генератора, между които има напрежение U. От E * I - I * I * r = U * I веднага следва, че U = E - I * r. Тази връзка ни дава правото да използваме за генератора еквивалентната схема на следващата фигура, идеален източник на напрежение със стойност Е последователно със съпротивление на стойност r .
Не трябва да забравяме, че този еквивалент е валиден само акоа) t.e.m. не зависи от интензивността и
б) генераторът има омично поведение.
Този тип генератор се нарича "линеен" и е единственият, адресиран в учебниците. Фотоелектричният генератор (фотоклетка) не отговаря на нито едно от тези условия. Не може да се характеризира с t.e.m. и вътрешно съпротивление и не могат да бъдат представени от идеален източник на напрежение последователно с резистор.
Съществуват и електрически генератори, при които разделянето на натоварванията (преобразуване на енергията) се извършва така, че потокът на товара да остане постоянен. Прост пример е генераторът на Ван дер Грааф: ако ластикът се движи с постоянна скорост и условията, при които настъпва електрификацията, остават непроменени, тогава товарният поток, достигащ голямата сфера, остава постоянен. Независимо от стойността на съпротивлението на проводника, свързан външно между двата полюса, при текущия режим през веригата ще тече ток със същата стойност. Нещо повече, това се случва дори ако между полюсите е свързано устройство, което няма омично поведение (диод или сигнална лампа от ютията). Всеки път стойността на напрежението на клемите, равна, както видяхме, с t.e.m., ще бъде продиктувана от външната верига. Генераторът НЕ МОЖЕ ДА БЪДЕ ХАРАКТЕРИСТИЧЕН ОТ T.E.M. . Като започнем от този пример, можем да представим друг идеален елемент на веригата: източник на ток.
Мечката се характеризира изцяло със значението и размера на това течение. Един от символите на съседната фигура може да се използва за източника на захранване.
По-голямата част от съвременната литература обаче използва символа съгласно северноамериканския стандарт. За съжаление румънските инженери се погрижиха да го използват систематично за представяне на източника на напрежение и няма признаци това състояние на объркване да изчезне. В тази мъгла румънските автори на учебници по физика наричат източника на напрежение „идеален генератор“, използват за него американския символ на текущия източник и напълно игнорират текущия източник.
При определени условия трябва да считаме тока, произведен от текущия източник, за нула. С какво се нуждаем, за да заменим този източник? Ако, независимо от стойността на напрежението между клемите, токът е нула, тогава веригата се прекъсва.
Какво се случва, ако захранването остане празно (външното съпротивление става безкрайно)? Законът на Ом изисква напрежението на клемите също да стане безкрайно, което е невъзможно. За да видим какво ни казва това математическо заключение, нека помислим за генератора на Ван дер Грааф, към който не сме свързали никакъв проводящ път между терминалите. Товарът винаги пристига върху голямата сфера и напрежението между полюсите винаги се увеличава с постоянна скорост. Постигането на режим на постоянен ток вече е невъзможно. Именно при тази невъзможност ни предупреждава безкрайният характер на напрежението на клемите: източникът на ток не може да работи във вакуум. В идеална инсталация напрежението не се увеличава безкрайно, при определена стойност въздухът се пробива. Подобна трудност възниква в случая на източника на напрежение, ако си представим, че сме го късо с проводник с нулево съпротивление. Законът на Ом изисква интензивността да бъде безкрайна, което е невъзможно. Източникът на напрежение не може да работи в режим на късо съединение.
Полезността на концепцията за токов източник се демонстрира и чрез решаване на следния проблем, предложен на окръжния етап на Олимпиадата по физика, 22 март 2003 г. Безкрайна равнинна мрежа се състои от еднакви резистори с R0 стойност, свързани в шестоъгълна клетъчна структура. . Необходимо е да се определи еквивалентното съпротивление между точките E и F.
Проблемът може лесно да бъде обобщен, Ако се запази безкрайният и хомогенен характер на мрежата и от всеки възел те започват от n страни (симетрията при въртене е от порядък n), токът в страна EF, произведен при свързването на двата източника, ще бъде 2 * I0/n и съпротивлението еквивалентът ще доведе до Re = 2 * R0/n. По-специално за квадратна клетъчна мрежа n = 4 и Re = R0/2.
Нека видим сега какъв грешен резултат води авторът на този проблем, Дорел Хараламб от Националния колеж „Петру Рарес“, Пиатра Нямт, състоянието на объркване между източниците на ток и напрежение, състояние, постоянно поддържано от нашите учебници, така че алтернатива. Той, при решаването и скалата, според която искаше да оцени "олимпийците", извършва въображаемите експерименти, описани по-горе с НАПРЕЖЕНИЕ ИЗТОЧНИЦИ: " "Във възел E. Терминалът на друг генератор, идентичен на първия, е свързан с възел F. Очевидно е, че токът, който" излиза "от възел F. има също интензитет I." Двете ситуации са представени на чертежите по-долу), които ние принадлежа).
След това авторът свързва и двата източника едновременно (както е показано на чертежите по-долу) и вярва, че тази последна ситуация може да се разглежда като суперпозиция на първите две: „Свързване на двата генератора последователно между терминали E и F. съгласно теоремата за припокриване, интензитет на тока“ инжектиран "в Е е 2 I."
Но тук не може да се приложи теоремата за суперпозицията. Авторът професор забравя (или никога не е знаел), че източник на напрежение с нулево напрежение Е КРАТКА КРУГА. За да се приложи суперпозицията, при първия експеримент възелът F трябва да бъде късо съединен към пръстена на безкрайност, а при втория експеримент възелът Е трябва да се приложи същата обработка, както се вижда на чертежите по-долу.
Тъй като теоремата за суперпозицията не може да бъде приложена в експериментите, замислени от автора на задачата, токовете, преминаващи през идеалните източници на напрежение при едновременно свързване, не са равни на този, преминаващ през източник на напрежение, когато е свързан самостоятелно. С други думи, когато свързваме източниците последователно между E и F, за да измерим еквивалентното съпротивление между тези точки, токът не е нито аз, нито 2 I, както смята авторът. Ако приемем, че това е аз, тогава отричаме закона за работа на източника на напрежение (с нулево вътрешно съпротивление) и считаме, без да казваме изрично, че съответните генератори всъщност са източници на ток. Очевидно стигаме до правилния резултат, както в предишното ни решение с текущи източници.
Но авторът на проблема дори не следва този път (с декларирането на източниците като напрежение, но използването им като източници на ток), защото той елементарно греши в суперпозицията. Той не събира правилно токовете, които влизат (извън мрежата) в точка Е: с първия източник, който имахме I, с втория източник имаме нула. Авторът на проблема смята, че сборът от тези два припокриващи се тока е 2 I, достигайки грешния резултат Re = R0/3.
Можем ли да разрешим проблема, като си представим експерименти с идеални източници на напрежение, както твърди авторът? Ако разгледаме правилно конфигурациите с пасивираните източници (нулевият източник на напрежение е еквивалентен на късо съединение), както ги нарисувахме по-горе, забелязваме, че ротационната симетрия е била разрушена от наличието на проводник, късо свързващ другата точка към периферния пръстен. При тези условия токът, инжектиран от източника в съответния възел, НЕ е вече разделен на три равни компонента; токът през страната на EF е просто e/R0, но другите два тока (и по подразбиране общият инжектиран ток I) не могат да бъдат изчислени. Проблемът не може да бъде разрешен с помощта на суперпозиция и източници на напрежение.