Электротехника и электроника. - Немцов М.В.
Скачать (прямая ссылка):
2.6. Источники электрической энергии постоянного тока. Электродвижущая сила
Рассмотрим источник электрической энергии постоянного тока на примере гальванического элемента (рис. 2.10, а), представляющего собой две пластины — из меди Cu и цинка Zn, помещенные в раствор серной кислоты. Чистая кислота не проводит электрического тока. Но при растворении ее в дистиллированной воде она распадается на ионы, заряженные положительно и отрицательно
H2SO4 ->2Н+ + SO2"
Раствор кислоты, щелочи или соли в дистиллированной воде или другом растворителе называют электролитом, а процесс распада химических соединений под действием растворителя на ионы — электролитической диссоциацией.
Вследствие химических процессов положительные ионы цинка Zn2+ переходят в раствор серной кислоты, оставляя на цинковой пластине избыток отрицательных свободных зарядов. Одновременно в растворе серной кислоты тяжелые и малоподвижные положительные ионы цинка Zn2+ оттесняют легкие и подвижные положительные ионы водорода H+ к медной пластине, на поверхности которой происходит восстановление нейтральных атомов водорода. При этом медная пластина теряет свободные отрицательные заряды, т.е. заряжается положительно.
Между разноименно заряженными пластинами возникает однородное электрическое поле напряженностью Z', которое препятствует направленному движению ионов в растворе. При значении напряженности поля накопление зарядов на пластинах
прекращается. Напряжение, равное разности потенциалов между пластинами, при котором накопление зарядов прекращается, служит количественной мерой сторонней силы (в данном случае химической природы), стремящейся к накоплению заряда.
Электродвижущей силой (ЭДС) называется количественная мера сторонней силы. Для гальванического элемента ЭДС Нравна
E=F0d=Uabx,
где d — расстояние между пластинами; Uabx= Vax- Vbx — напряжение, равное разности потенциалов между выводами пластин в режиме холостого хода, т.е. при отсутствии тока в гальваническом элементе.
Если к выводам гальванического элемента подключить приемник, например резистор, то в замкнутой цепи возникнет ток. Направленное движение ионов в растворе кислоты сопровождается их взаимными столкновениями, что создает внутреннее сопротивление гальванического элемента постоянному току. Гальванический элемент, эскизное изображение которого дано на рис. 2.10, а, а обозначение на принципиальных схемах — на рис. 2.10, б, можно представить схемой замещения (рис. 2.10, в), состоящей из последовательно включенных ЭДС E источника и ре-зистивного элемента сопротивлением Rm, равным его внутреннему сопротивлению. Стрелка ЭДС указывает направление движения положительных зарядов в гальваническом элементе под действием сторонних сил. Стрелка напряжения Uab указывает направление движения положительных зарядов под действием сил электрического поля в приемнике, если его подключить к гальваническому элементу.
Схема замещения на рис. 2.10, в справедлива для любых других источников электрической энергии постоянного тока, которые отличаются от гальванического элемента физической природой ЭДС и внутреннего сопротивления.
2.7. Источник ЭДС и источник тока
Источник ЭДС и источник тока являются частными случаями источника электрической энергии.
Рассмотрим процессы в цепи, состоящей из источника электрической энергии и подключенного к нему резистора с сопротивлением нагрузки RH. Представим источник электрической энергии схемой замещения на рис. 2.10, в, а всю цепь — схемой на рис. 2.11, а.
Свойства источника электрической энергии определяет вольт-амперная, или внешняя, характеристика — зависимость напряжения между его выводами Uab = Uот тока / источника, т.е. U(I)
29
U= E-R^l= Ux- RmI, (2.6)
которой соответствует прямая на рис. 2.12, а. Уменьшение напряжения источника при увеличении тока объясняется увеличением падения напряжения на его внутреннем сопротивлении RBT. При напряжении U = 0 ток источника равен току короткого замыкания: /= /к = E/R^.
Участок внешней характеристики при отрицательных значениях тока соответствует потреблению источником энергии из внешней относительно него цепи, например зарядке аккумулятора.
Источник ЭДС. Если внутреннее сопротивление источника электрической энергии во много раз меньше сопротивления цепи нагрузки, то напряжение источника по (2.6) при токе по закону Ома /= R/(Rm + AH) и значениях сопротивлений R„ » Rm практически равно ЭДС
RF F
U = E- " =Е--—-- ? = const.
Rm + RH 1 + ЛН/ЛВТ
Источник электрической энергии с малым внутренним сопротивлением можно заменить идеализированной моделью, для которой Rm = 0. Такой идеализированный источник электрической энергии называется идеальным источником ЭДС и характеризуется одним параметром E=Ux=U. Напряжение между выводами идеального источника ЭДС не зависит от тока, а его внешняя характеристика определяется выражением
и=Е = саа&, (2.7)
которому соответствует прямая на рис. 2.12, б. Такой источник называется также источником напряжения. На этом же рисунке показано обозначение идеального источника ЭДС на схемах.
