Проходив ланцюгом тривалий час, потрібно безперервно підтримувати на полюсах джерела напруги різницю потенціалів. Аналогічно цьому, якщо з'єднати трубкою дві судини з різними рівнямиводи, то вода буде переходити з однієї судини в іншу до тих пір, поки рівні в судинах не зрівняються. Доливаючи воду в одну посудину і відводячи її з іншої, можна домогтися того, що рух води трубкою між судинами буде продовжуватися безперервно.

При роботі джерела електричної енергіїелектрони з анода переходять на катод.

Звідси можна зробити висновок, що всередині джерела електричної енергії діє сила, яка повинна безперервно підтримувати струм у ланцюгу, тобто інакше кажучи, повинна забезпечувати роботу цього джерела.

Причина, яка встановлює та підтримує різницю потенціалів, викликає струм у ланцюгу, долаючи його зовнішній та внутрішній опір, називається (скорочено е. д. с.) та позначається буквою E.

Електрорушійна сила джерел електричної енергії виникає під впливом причин, специфічних для кожного з них.

У хімічних джерелах електричної енергії (гальванічних елементах, акумуляторах) е. д. с. виходить у результаті хімічних реакцій, в генераторах е. д. с. виникає внаслідок , у термоелементах – за рахунок теплової енергії.

Різниця потенціалів, що викликає проходження струму через опір ділянки електричного ланцюга, називається напругоюміж кінцями цієї ділянки. Електрорушійна сила та напруга вимірюються у вольтах. Для виміру е. д. с. та напруги служать прилади - вольтметри (рисунок 1).

Тисячні частки вольта – мілівольти – вимірюються мілівольтметрами, тисячі вольт – кіловольти – кіловольтметрами.

Щоб виміряти е. д. с. джерела електричної енергії необхідно включити вольтметр до затискачів цього джерела при розімкнутому зовнішньому ланцюгу (рисунок 2). Для вимірювання напруги на якійсь ділянці електричного кола вольтметр потрібно включити до кінців цієї ділянки (рисунок 3).

Рисунок 2. Вимірювання вольтметром електрорушійної сили елемента	Рисунок 3. Вимірювання вольтметром напруги на різних ділянках електричного ланцюга

Відео 1. Що таке електрорушійна сила (е. д. с.)

Джерело ЕРС

Рисунок 1 - Позначення на схемах джерела ЕРС (ліворуч) та реального джерела напруги (праворуч)

ДжерелоЕРС (ідеальне джерело напруги) - двополюсник, напругана затискачах якого постійно (не залежить від струму в ланцюзі). Напруга може бути задана як константа, як функція часу, або як зовнішнє вплив, що управляє.

У найпростішому випадку напруга визначена як константа, тобто напруга джерела ЕРС постійно.

Реальні джерела напруги

Малюнок 2

Рисунок 3 - Навантажувальна характеристика

Ідеальне джерело напруги (джерело ЕРС) є фізичною абстракцією, тобто такий пристрій не може існувати. Якщо припустити існування такого пристрою, то електричний струм I, що протікає через нього, прагнув би до нескінченності при підключенні навантаження, опір R Hякої прагне нуля. Але при цьому виходить, що потужністьджерела ЕРС також прагне нескінченності, оскільки . Але це неможливо, тому що потужність будь-якого джерела енергії кінцева.

Насправді, будь-яке джерело напруги має внутрішній опір rщо має зворотну залежність від потужності джерела. Тобто чим більше потужність, тим менший опір (при заданій незмінній напрузі джерела) і навпаки. Наявність внутрішнього опору відрізняє реальне джерело напруги від ідеального. Слід зазначити, що внутрішній опір – це виключно конструктивна властивість джерела енергії. Еквівалентна схема реального джерела напруги є послідовним включенням джерела ЕРС - Е(ідеального джерела напруги) та внутрішнього опору - r.

На малюнку 3 наведено навантажувальні характеристики ідеального джерела напруги (джерела ЕРС) (синя лінія) та реального джерела напруги (червона лінія).

Падіння напруги на внутрішньому опорі;

Падіння напруги на навантаженні.

При короткому замиканні () , тобто вся потужність джерела енергії розсіюється з його внутрішньому опорі. У цьому випадку струм буде максимальним для джерела ЕРС. Знаючи напругу холостого ходуі струм короткого замикання, можна обчислити внутрішній опір джерела напруги:

Джерело струму.

Малюнок 1 - схема з умовним позначенням джерела струму

Рисунок 2.1 – Позначення на схемах джерела струму

Малюнок 3 - Генератор струму типу струмове дзеркало, зібраний на біполярних транзисторах

Джерело струму(також генератор струму) - двополюсник, який створює струм, що не залежить від опору навантаження, до якого він приєднаний. У побуті джерелом струму часто неточно називають будь-яке джерело електричної напруги (батарею, генератор, розетку), але в строго фізичному сенсі це не так, більше того, зазвичай використовуються в побуті джерела напруги за своїми характеристиками набагато ближче пензлику ЕРС, ніж до джерела струму.

На малюнку 1 представлена ​​схема заміщення біполярного транзистора, що містить джерело струму (із зазначенням S U бе; стрілка в кружку вказує позитивний напрям струму джерела струму), що генерує струм S U бе, тобто струм, що залежить від напруги на іншій ділянці схеми.

Ідеальне джерело струму

Напруга на клемах ідеального джерела струму залежить тільки від опору зовнішнього ланцюга:

Потужність, що віддається джерелом струму в мережу, дорівнює:

Так як для джерела струму , напруга і потужність, що виділяється ним, необмежено ростуть при зростанні опору.

Реальне джерело струму

Реальне джерело струму, як і джерело ЕРС, в лінійному наближенні може бути описаний таким параметром, як внутрішній опір . Відмінність полягає в тому, що чим більший внутрішній опір, тим ближче джерело струму до ідеального (джерело ЕРС, навпаки, чим ближче до ідеального, тим менший його внутрішній опір). Реальне джерело струму з внутрішнім опором еквівалентний реальному джерелу ЕРС, що має внутрішній опір та ЕРС.

Напруга на клемах реального джерела струму дорівнює:

Сила струму в ланцюзі дорівнює:

Потужність, що віддається реальним джерелом струму в мережу, дорівнює:

Приклади

Джерелом струму є котушка індуктивності, якою йшов струм від зовнішнього джерела, протягом деякого часу () після відключення джерела. Цим пояснюється іскріння контактів при швидкому відключенні індуктивного навантаження: прагнення збереження струму при різкому зростанні опору (поява повітряного зазору) веде до спробою зазору.

Вторинна обмотка трансформатора струму, первинна обмотка якого послідовно включена в потужну лінію змінного струму, може розглядатися як ідеальне джерело струму, тільки не постійного, а змінного. Тому розмикання вторинної ланцюга трансформатора струму неприпустимо; замість цього при необхідності перекомутації в ланцюзі вторинної обмотки без відключення лінії цю обмотку попередньо шунтують.

Застосування

Реальні генератори струму мають різні обмеження (наприклад за напругою з його виході), і навіть нелінійні залежність від зовнішніх умов. Наприклад, реальні генератори струму створюють електричний струм тільки в деякому діапазоні напруги, верхній поріг якого залежить від напруги живлення джерела. Таким чином, реальні джерела струму мають обмеження щодо навантаження.

Джерела струму широко використовуються в аналоговій схемотехніці, наприклад, для живлення вимірювальних мостів, для живлення каскадів диференціальних підсилювачів, зокрема операційних підсилювачів.

Концепція генератора струму використовується уявлення реальних електронних компонентів як еквівалентних схем. Для опису активних елементів для них вводяться еквівалентні схеми, що містять керовані генератори:

Джерело струму, керований напругою (скорочено ІТУН)

Джерело струму, керований струмом (скорочено ТУТ)

Панове, сьогодні мова піде про напруга. Усі не раз чули це слово. Усі щось про нього знають.

Але що саме таке це саме напруга? Що є фізично? Звідки воно береться? На всі ці запитання ми сьогодні спробуємо дати відповідь.

Для початку визначимося з тим, що ж таке це напруга? Класична фізика дає досить складне швидкого розуміння формальне визначення. Воно пов'язане з формальному визначенні потенційної енергії зарядів у полі, власне, потенціалі та його різниці. Все це бадилля підкріплене цілим каскадом формул. На мій погляд цей стан справ ускладнює розуміння саме фізики процесу виникнення напруги і чудова лише з точки зору вирішення академічних завдань, що мало мають відношення до дійсності. Зараз ми постараємося розібратися з напругою, що називається, на пальцях, зрозуміти фізику процесів, що протікають. Багатьом цього буде достатньо. Якщо ж ні - сподіваюся, після цього пояснення формули зі шкільного підручника фізики розумітимуться трохи простіше і швидше.

Візьмемо два електроди. Наприклад, клеми джерела живлення, або клеми батарейки. Тепер, якщо ми якимось чином створимо такі умови, що на «мінусовій» клемі буде надлишок електронів у порівнянні з «плюсовою» клемою, то можна говорити, що між цими двома клемами існує напруга. Суть виникнення напруги полягає в тому, що частина електронів з однієї клеми (плюсової) переноситься на іншу (мінусову). Чим більше ми електронів перенесемо, тим більше буде створена напруга. Тепер, якщо ми замкнемо між собою ці клеми, то електрони почнуть повертатися з мінусової клеми назад на плюсову, звідки вони були взяті – потече електричний струм. Тобто напруга породжує електричний струм за певних умов.

Напруга, як, думаю, всі з вас знають, вимірюється у вольтах. Однак вольт не входить до основних одиниць системи СІ. Вольт - це 1 Джоуль (одиниця виміру енергії)/1 Кулон (одиниця виміру заряду). Чому це так? Формальний висновок ви можете глянути у підручнику фізики. А якщо пояснювати на пальцях, то все досить просто. Заряди одного знака (зокрема електрони) як ми з вами пам'ятаємо - відштовхуються один від одного. Тому щоб перетягнути електрон з плюсової клеми на мінусову - де й так уже купа електронів - треба зробити певну роботу.Мінусова клема відштовхуєвід себе електрони, а ми їх силоюна неї запихаємо. Це як намагатись ще більше стиснути вже наполовину стиснуту пружину. Важко досить. Напруга в один вольт між клем виникає, коли ми виконуємо роботу в 1 Джоуль при переносі з однієї клеми на іншу заряду в 1 кулон.

Не слід думати, що ця робота відбувається даремно. Ні і ще раз ні! Ця енергія запасається.Після того, як ми замкнемо ланцюг і електрончики побіжать з мінуса назад на плюс - вони від радості, що повертаються додому, вони вже самі можуть зробити деяку роботу- наприклад, нагріти опір чи повертати електродвигун чи ще щось. Так що напруга – це така штука, що завжди готова вирватися назовні з енергією.

Виникає резонне питання – а як же перенести електрони з плюсової клеми на мінусову? Як створити цю саму напругу?Способів досить багато. Наприклад, у батарейках - це перенесення виникає завдяки хімічної реакції. У фотоелементах – завдяки дії енергії світла на напівпровідникові матеріали. У генераторах – завдяки дії магнітного поляна провідники, що переміщуються в ньому. Можливо, пізніше ми торкнемося природи цих речей докладніше.

Ці сили, які беруть участь у перенесенні електронів з плюсу на мінус - називають сторонніми силами.А робота, яка ними здійснюється, очевидно, називатиметься роботою сторонніх сил. І тут сам собою виникає термін ЕРС - електрорушійна сила.

ЕРС - це відношення роботи сторонніх сил щодо переміщення деякого заряду, до цього заряду.По суті ж виходить те саме напруга, тільки, якщо можна так висловитися - з іншого боку. Напруга все-таки виникає у нас між клемами та відкрито для споживача. А ЕРС - це те, що приховано від споживача та характеризує процеси всередині джерела. Ці процеси, ця робота протікає весь час, поки джерело функціонує та підтримує напругу, яку він видає.

Розглянемо трохи докладніше внутрішній пристрій напруги джерела на прикладі простої моделі. Ця модель є послідовним опіром ядра джерела- пристрої, в якому відбуваються різні процеси формування напруги та внутрішнього опору джерела. Безперечно, в реальних пристроях вони невіддільні один від одного. Однак для полегшення розуміння процесів, що відбуваються, їх можна розділити, суть від цього не зміниться. Отже, панове, так зване ядро ​​джерела і видає нам напругу, що дорівнює ЕРС. А ось на клемах джерела живлення - зовні - ми можемо наміряти напругу, як рівну ЕРС, так і менше її.

Розглянемо три різні випадки (Малюнок 1, Малюнок 2, Малюнок 3). У всіх цих малюнках гурток із плюсом і мінусом - це ядро ​​джерела, те, що безпосередньо формує напругу. У ньому якраз і працюють сторонні сили та формується ЕРС. Це саме ядро ​​видає нам напругу точно рівну значенню ЕРС. Опір R1 тут - це внутрішній опір джерела. Зазвичай практично воно становить від часток Ома до одиниць Ом. Зверніть увагу, панове, і ядро ​​E1 і опір R1 обведені пунктиром - вони знаходяться всередині батарейки! А ось опір R2 знаходиться за межами батарейки – це наше корисне навантаження. Наприклад, лампочка. Або плеєр. Або ще що.

Випадок 1- У нас ідеальна батарейка. Цей випадок відповідає малюнку 1. Вона немає внутрішнього опору. У житті, на жаль, таке не зустрінеш, але для розуміння фізики процесів розглянути буде корисно. У цьому випадку навіть при підключеному навантаженні ми матимемо на вихідних клемах батарейки напругу, що дорівнює ЕРС.

Малюнок 1 - Ідеальне джерелонапруги

Випадок 2- У нас не ідеальна батарейка. Вона має свій внутрішній опір R1. Але ми не навантажуємо батарейку, нічого до неї не підключаємо. Цей випадок відповідає малюнку 2. Тоді на вихідних клемах батарейки ми також спостерігатимемо напругу U3, що дорівнює ЕРС.

Рисунок 2 – Реальне джерело напруги без навантаження (холостий хід)

Випадок 3- у нас не ідеальна батарейка, і ми її навантажуємо опором R2. По ланцюгу тече струм I. Цей випадок відповідає малюнку 3. І ось у цьому випадку напруга на клемах, яку ми спостерігаємо, не буде рівною ЕРС! Воно буде меншим. Так, джерело Е1 десь у надрах батарейки так само формує напругу U1, рівну ЕРС. Але це напруження ділитьсяміж внутрішнім опором батареї R1 і нашим навантаженням R2. А опір R1, як ми пам'ятаємо, так само знаходиться в надрах батареї і нам, користувачам, воно недоступне. Тому на клемах батареї ми спостерігатимемо напругу, меншу, ніж ЕРС батареї. Цей випадок найчастіше трапляється у житті. І саме він добре ілюструє, чим відрізняється ЕРС джерелаі напруга, що формується джерелом.

Рисунок 3 – Реальне джерело напруги з навантаженням

Отже, панове, короткий результат такий: напруга, що видається джерелом напруги дорівнює ЕРС тоді, коли ми можемо знехтувати внутрішнім опором джерела, а точніше падінням напруги на ньому. Якщо ж на внутрішній напрузі джерела падає будь-яка напруга, очевидно, вихідна напруга, що формується джерелом, буде менше ЕРС. Так, межа між поняттями ЕРС і напруга досить розмита, часто буває плутанина, але, панове, тепер її буде менше.

Торкнемося тепер такого моменту, як напруги знак.Так, напруга може бути як позитивною, так і негативною. Фізики процесу це не змінить. Все залишається в силі – на «негативній» клемі у нас електронів, як і раніше, більше, ніж на «позитивній». Все залежить від того, який електрод ми приймемо за початкову точку відліку, тобто за нуль. А що вважати банкрутом, взагалі кажучи? Прийнято вважати, що нуль у цьому випадку - це наша земля-матінка. Тобто, що відбувається. Ми беремо наш спочатку відв'язаний(не з'єднаний жодними проводами) від землі джерело. І далі одну його клему – на вибір – з'єднуємо із землею. Якщо ми з'єднали із землею негативну клему - отже, на вільній від землі клемі електронів менше, ніж на тій, яку ми заземлили й у нас позитивне джерело. Якщо навпаки – з'єднали із землею позитивну клему – у нас джерело видає негативну напругу. Тільки і всього. Якщо у нас жодна клема джерела не з'єднана із землею, або з будь-якою іншою загальною точкою, прийнятою в даній установці за нуль, то про таке джерело харчування безглуздо говорити – позитивний він чи негативний. Можна лише сказати, що на «негативній» клемі електронів більше, ніж на позитивній, або те, що вона має менший потенціал.

Якщо у нас спочатку джерело живлення сконструйовано таким чином, що одна з його клем підключена до землі – тут взагалі все очевидно.

Поспішаю попередити небезпечну оману. Оскільки ми розглядаємо спочатку відв'язані від землі джерела живлення, то поєднання однієї його клеми із землею не викличе протікання жодного струму! Часто можна зустріти твердження, що якісь там струми потечуть на землю, якщо приєднати до неї одну з клем джерела. Ні, панове, ні і ще раз ні. Нічого там не потече. Ви можете самі переконатися в цьому. Візьміть вольтметр і виміряйте напругу між вашими клемами відв'язаного від землі джерелата землею. Він покаже 0 Вольт, напруги немає. Немає напруги – не буде й струму. Однак якщо джерело живлення підключено до однієї з клем до землі - тоді зовсім інша справа, замикання іншої клеми на землю призведе до короткому замиканнюджерела.

Взагалі ж тема землі та заземлення зовсім не така проста, як здається на перший погляд. Там багато хитрих моментів і підводних каменів, особливо коли мова заходить про заземлення високочастотних ланцюгів, або ланцюгів, в яких протікає дуже великий струм. Однак це тема вже зовсім іншої статті.

А поки що ми закінчуємо. Всім удачі та до нових зустрічей!

Вступайте в нашу