Zdroje napätia a prúdu
Elektrický generátor prevádza neelektrickú formu energie na elektrickú energiu. Pomocou tejto neelektrickej energie sa v generátore pohybujú mobilné náboje PROTI elektrostatickým silám, ktoré majú tendenciu rušiť ich separáciu. Máme do činenia s dvoma sprievodnými procesmi, ktoré dosahujú (až na niektoré veľmi zaujímavé prípady) DYNAMICKÉ ROVNOVÁHY, pri ktorom sa napätie na svorkách generátora U = VA - VB a hustoty záťaže v každom bode obvodu časom nemenia. Pretože je elektrický náboj zachovaný, vedie to k tomu, že v tomto stave je intenzita prúdu v ktorejkoľvek časti obvodu rovnaká a táto intenzita I je tiež konštantná v čase. Týmto veľmi zvláštnym stavom je režim DC. V konkrétnej situácii, keď sú svorky generátora „ponechané prázdne“, je hodnota intenzity I nulová.
Zanedbajme momentálne vnútorný odpor generátora; keďže intenzita je v celom obvode rovnaká, môžeme neskôr zohľadniť jej efekt vložením ďalšieho „odporu“. Toto zanedbanie nám umožňuje sústrediť sa na premenu energie. V režime jednosmerného prúdu sa potenciály a prúd nemenia v čase, takže vždy, keď zaťaženie q prechádza generátorom, musí sa na ňom proti Coulombovým silám vykonať rovnaká mechanická vec L, aby stúpala na horu potenciálu z B do A (obrázok je znázornený).
Ak sa však zmenia vlastnosti vonkajšieho obvodu generátora, vytvorí sa ďalší režim jednosmerného prúdu, v ktorom sa intenzita I, konštantná v čase, líši od predchádzajúcej.
Toto je zásadná otázka, ktorá sa bohužiaľ takmer vo všetkých učebniciach ignoruje. Odpoveď je nie, t.e.m. Spravidla NEMÁ zostať nezmenený, keď sa zmení súčasný stav. Bežným príkladom je magnetoelektrický generátor poháňaný vodopádom. V otvorenom okruhu (prerušenom) je prúd nulový a jediné sily, ktoré je potrebné prekonať pri otáčaní hriadeľa, sú sily trenie: rýchlosť otáčania je vysoká a t.e.m. ona je tiež super. Pri pripájaní rôznych spotrebičov sa mení prúd a pri otáčaní hriadeľa treba poraziť aj elektromagnetické sily, úmerné intenzite. Rýchlosť otáčania sa dramaticky zníži a s tým sa zrúti elektromotorické napätie (pozor, nejde o ďalší pokles napätia na odpore vinutí!). Pretože vo všeobecnosti elektromotorické napätie závisí od veľkosti prúdu prechádzajúceho zdrojom, definícia t.e.m. že napätie na prázdnych svorkách zdroja je chybné: na prázdnom mieste na svorkách zdroja nájdeme napätie rovné t.e.m. pri nulovom prúde, čo nám nepomáha vedieť, koľko t.e.m. na prúd, ktorý sa stanoví pri pripojení spotrebiteľa.
Existujú však určité typy generátorov, v ktorých je t.e.m. je prakticky nezávislý na mne, ak sa nestane príliš veľkým. To je prípad elektrochemických generátorov: v nich je každá časť transportovaného náboja tvorená disociáciou rovnakého počtu molekúl a uvoľnením rovnakého množstva energie. Navyše pre batérie (batérie, ktoré je možné nabíjať energiou) t.e.m. zostáva takmer konštantný, aj keď prúd zmení smer, z batérie sa stane spotrebiteľ. Existencia a široké použitie týchto typov generátorov, v ktorých t.e.m. je prakticky nezávislý na I, viedol k vytvoreniu ideálneho modelu, ktorý je zdrojom napätia.
(Ideálnym) zdrojom napätia je prvok obvodu s dvoma svorkami (dipól), ktorého napätie na svorkách je nezávislé od prúdu, ktorý nimi preteká.
Teraz sa môžeme vrátiť späť a zvážiť vnútorný odpor generátora za predpokladu jeho ohmického správania. Označujeme do E t.e.m. generátora a s jeho vnútorným odporom. Za jednotku času sa množstvo E * I premení na elektrinu a súčasne sa množstvo I * I * r rozptýli Jouleovým efektom vo vnútri generátora. Zvyšná energia sa použije na prenos záťaže medzi svorkami generátora, medzi ktorými je napätie U. Z E * I - I * I * r = U * I okamžite vyplýva, že U = E - I * r. Tento vzťah nám dáva právo použiť pre generátor ekvivalentnú schému na nasledujúcom obrázku, ideálny zdroj napätia hodnoty E v sérii s odporom hodnoty r .
Nesmieme zabúdať, že tento ekvivalent je platný, iba aka) t.e.m. nezávisí od intenzity a
b) generátor má ohmické chovanie.
Tento typ generátora sa nazýva „lineárny“ a je jediný, ktorému sa venujú učebnice. Fotoelektrický generátor (fotobunka) nespĺňa žiadnu z týchto podmienok. Nedá sa charakterizovať t.e.m. a vnútorný odpor a nemôže byť predstavovaný ideálnym zdrojom napätia v sérii s rezistorom.
Existujú aj elektrické generátory, v ktorých sa oddeľuje zaťaženie (premena energie) tak, aby tok zaťaženia zostal konštantný. Jednoduchým príkladom je generátor Van der Graaf: ak sa gumička pohybuje konštantnou rýchlosťou a podmienky, za ktorých dochádza k elektrifikácii, sa nemenia, prietok zaťaženia dosahujúci veľkú guľu zostáva konštantný. Bez ohľadu na hodnotu odporu vodiča pripojeného externe medzi dvoma pólmi, pri prúdovom režime cez obvod bude tiecť prúd rovnakej hodnoty. Toto sa navyše deje, aj keď je medzi póly pripojené zariadenie, ktoré nemá ohmické chovanie (dióda alebo signálne svetlo zo žehličky). Hodnota napätia na svorkách, rovnaká, ako sme videli, s t.e.m., bude zakaždým diktovaná externým obvodom. Generátor NEMÔŽE BYŤ CHARAKTERIZOVANÝ T.E.M. . Vychádzajúc z tohto príkladu môžeme predstaviť ďalší ideálny prvok obvodu: zdroj prúdu.
Medveď je úplne charakterizovaný významom a veľkosťou tohto prúdu. Jeden zo symbolov na susednom obrázku môže byť použitý ako zdroj energie.
Prevažná väčšina súčasnej literatúry však používa tento symbol podľa severoamerického štandardu. Rumunskí inžinieri sa, bohužiaľ, postarali o jeho systematické použitie na predstavovanie zdroja napätia a nič nenasvedčuje tomu, že tento stav zámeny zmizne. V tejto hmle rumunskí autori učebníc fyziky nazývajú zdroj napätia „ideálny generátor“, používajú preň americký symbol zdroja prúdu a zdroj prúdu úplne ignorujú.
Za určitých podmienok musíme považovať prúd produkovaný prúdovým zdrojom za nulový. Čím potrebujeme nahradiť tento zdroj? Ak je bez ohľadu na hodnotu napätia medzi svorkami prúd nulový, potom je obvod prerušený.
Čo sa stane, ak napájací zdroj zostane prázdny (vonkajší odpor bude nekonečný)? Ohmov zákon vyžaduje, aby napätie na svorkách bolo tiež nekonečné, čo je nemožné. Aby sme videli, čo nám tento matematický záver hovorí, zamyslime sa nad generátorom Van der Graafa, ku ktorému sme medzi svorkami nepripojili žiadnu vodivú cestu. Zaťaženie vždy prichádza na veľkú guľu a napätie medzi pólmi sa neustále zvyšuje konštantnou rýchlosťou. Dosiahnutie režimu jednosmerného prúdu je teraz nemožné. Presne na túto nemožnosť nás upozorňuje nekonečný charakter napätia na svorkách: zdroj prúdu nemôže pracovať vo vákuu. V ideálnej inštalácii sa napätie nezvyšuje donekonečna, pri určitej hodnote je vzduch prepichnutý. Podobná ťažkosť nastáva v prípade zdroja napätia, ak si predstavíme, že sme ho skratovali vodičom s nulovým odporom. Ohmov zákon vyžaduje, aby intenzita bola nekonečná, čo je nemožné. Zdroj napätia nemôže pracovať v režime skratu.
Užitočnosť konceptu zdroja prúdu je demonštrovaná aj riešením nasledujúceho problému navrhnutého na okresnej fáze Fyzikálnej olympiády 22. marca 2003. Nekonečná plochá sieť pozostáva z identických odporov hodnoty R0 zapojených v štruktúre šesťuholníkových buniek. . Je potrebné určiť ekvivalentný odpor medzi bodmi E a F.
Problém sa dá ľahko zovšeobecniť. Ak sa zachová nekonečný a homogénny charakter siete a z každého uzla sa začnú v n stranách (symetria pri rotácii je rádovo n), bude prúd v strane EF produkovaný pri pripojení oboch zdrojov 2 * I0/n a odpor ekvivalent bude mať za následok Re = 2 * R0/n. Najmä pre štvorcovú bunkovú sieť n = 4 a Re = R0/2.
Pozrime sa teraz, aký nesprávny výsledok vedie autora tohto problému, Dorel Haralamb z Národnej vysokej školy Petru Rares, Piatra Neamt, k stavu zámeny medzi zdrojmi prúdu a napätia, ktorý je v našich učebniciach neustále udržiavaný, takže alternatíva. On pri riešení a stupnici, podľa ktorej chcel hodnotiť „olympionikov“, vykonáva vyššie opísané imaginárne experimenty s NAPÄTNÝMI ZDROJMI: “ „V uzle E. Terminál iného generátora identický s prvým je pripojený k uzlu F. Je zrejmé, že prúd, ktorý„ vychádza “z uzla F. má intenzitu aj I.“ Tieto dve situácie sú znázornené na obrázkoch nižšie), ktoré sme patrí).
Ďalej autor spája oba zdroje súčasne (ako na obrázkoch nižšie) a je presvedčený, že túto poslednú situáciu možno považovať za superpozíciu prvých dvoch: „Spojenie dvoch generátorov do série medzi svorkami E a F. podľa vety o prekrytí, intenzity prúdu injekčne "v E je 2 I."
Ale tu nemožno použiť vetu o superpozícii. Autor profesor zabúda (alebo nikdy nevedel), že zdroj napätia s nulovým napätím JE KRÁTKY OKRUH. Aby sa mohla použiť superpozícia, mal by sa v prvom experimentálnom uzle F skratovať na krúžok v nekonečne a v druhom experimentálnom uzle E by sa malo použiť rovnaké zaobchádzanie, ako je to znázornené na obrázkoch nižšie.
Pretože veta o superpozícii sa nedá použiť v experimentoch predstavených autorom problému, prúdy prechádzajúce cez ideálne zdroje napätia, keď sú pripojené súčasne, sa nerovnajú prúdom prechádzajúcim zdrojom napätia, keď sú pripojené samostatne. Inými slovami, keď spojíme zdroje v sérii medzi E a F, aby sme zmerali ekvivalentný odpor medzi týmito bodmi, prúd nie je ani ja, ani 2 I, ako sa autor domnieva. Ak pripustíme, že som to ja, potom popierame zákon fungovania zdroja napätia (s nulovým vnútorným odporom) a považujeme, bez výslovného vysvetlenia, že príslušné generátory sú v skutočnosti zdrojmi prúdu. Je zrejmé, že prichádzame k správnemu výsledku, ako v našom predchádzajúcom riešení so súčasnými zdrojmi.
Ale autor úlohy ani nejde touto cestou (s deklarovaním zdrojov ako napätia, ale ich použitia ako zdrojov prúdu), pretože sa v elementárnej superpozícii mýli. Nezhromažďuje správne prúdy, ktoré vstupujú (z vonkajšej strany siete) do bodu E: s prvým zdrojom, ktorý sme mali I, s druhým zdrojom máme nulu. Autor úlohy sa domnieva, že súčet týchto dvoch prekrývajúcich sa prúdov je 2 I a dosahuje chybný výsledok Re = R0/3.
Môžeme problém vyriešiť predstavením experimentov s ideálnymi zdrojmi napätia, ako to tvrdí autor? Ak sa pozrieme na konfigurácie s pasivovanými zdrojmi správne (zdroj nulového napätia je ekvivalentný skratu), tak ako sme ich nakreslili vyššie, všimneme si, že rotačná symetria bola zničená prítomnosťou drôtu, ktorý skratuje druhý bod na obvodovom kruhu. Za týchto podmienok už prúd vstrekovaný zdrojom do príslušného uzla NIE JE už rozdelený na tri rovnaké zložky; prúd cez stranu EF je jednoduchý e/R0, ale ďalšie dva prúdy (a implicitne celkový vstrekovaný prúd I) sa nedajú vypočítať. Problém nie je možné vyriešiť použitím zdrojov superpozície a napätia.