Feszültség és áramforrások
Az elektromos generátor átalakítja a nem villamos energia formáját elektromos energiává. Ennek a nem elektromos energiának a felhasználásával a generátorban a mobil töltéseket az elektrosztatikus erők ELLEN mozgatják, amelyek megszakítják az elválasztást. Két olyan párhuzamos folyamattal van dolgunk, amelyek elérik (néhány nagyon érdekes eset kivételével) egy DYNAMIC EGYENSÚLYOT, amelyben az U = VA - VB generátor kapcsain lévő feszültség és az áramkör egyes pontjainak terhelési sűrűsége nem változik az idő múlásával. Mivel az elektromos töltés konzervált, azt eredményezi, hogy ebben az állapotban az áram intenzitása az áramkör bármely szakaszában megegyezik, és ez az I intenzitás időben is állandó. Ez a nagyon különleges állapot a DC mód. Abban a konkrét helyzetben, amikor a generátor kapcsait "üresen hagyják", az I intenzitás értéke nulla.
Hagyjuk el pillanatnyilag a generátor belső ellenállását; mivel az intenzitás az egész áramkörben azonos, később további "ellenállás" behelyezésével vehetjük figyelembe annak hatását. Ez az elhanyagolás lehetővé teszi számunkra, hogy az energiaátalakításra összpontosítsunk. Az egyenáramú rendszerben a potenciálok és az áram nem változnak időben, így amikor a q terhelés áthalad a generátoron, akkor rajta kell végrehajtani a Coulomb-erőkkel szemben ugyanazt a mechanikai dolgot, hogy L felmásszon a potenciál hegyére B-től A-ig. (ábrán látható).
Ha azonban a generátor külső áramkörének tulajdonságai megváltoznak, akkor létrejön egy másik egyenáramú rendszer, amelyben az I időbeni állandó intenzitás eltér az előzőtől.
Ez egy lényeges kérdés, amelyet sajnos szinte az összes tankönyv figyelmen kívül hagy. A válasz: nem, pl. Általában NEM marad változatlan a jelenlegi változásokkor. Gyakori példa a vízesés által hajtott mágneses elektromos generátor. A nyitott (megszakított) áramkörben az áram nulla, és a tengely forgatásakor csak a súrlódási erőket kell leküzdeni: a forgási sebesség nagy és t. ő is nagyszerű. Különböző fogyasztók csatlakoztatásakor az áramváltozás és a tengely forgásakor az intenzitással arányos elektromágneses erőket is le kell győzni. A forgási sebesség drámaian csökken, és ezzel együtt az elektromotoros feszültség összeomlik (figyelem, ez nem a tekercsek ellenállásának további feszültségeséséről szól!). Mivel általában az elektromotoros feszültség függ a forráson átáramló áram nagyságától, a t.e.m. hogy az üres forrás kivezetésein téves a feszültség: a forrás kivezetéseinél lévő üresben a t.m. nulla áramnál, ami nem segít abban, hogy mennyit t a fogyasztó összekapcsolásakor kialakuló áramra.
Vannak azonban bizonyos típusú generátorok, amelyekben pl. gyakorlatilag független I-től, ha ez utóbbi nem lesz túl nagy. Ez az elektrokémiai generátorok esete: bennük a szállított töltés minden része ugyanannyi molekula szétválasztásával és azonos mennyiségű energia felszabadításával készül. Sőt, az akkumulátoroknál (energiával feltölthető akkumulátoroknál) pl. akkor is szinte állandó marad, ha az áram megváltoztatja az irányát, és az akkumulátor fogyasztóvá válik. Az ilyen típusú generátorok megléte és széles körű használata, amelyekben pl. gyakorlatilag független I-től, ideális modell felépítéséhez vezetett, amely a feszültség forrása.
Az (ideális) feszültségforrás két kapcsos áramköri elem (dipólus), amelynek feszültsége a kapcsokon független a rajta átfolyó áramtól.
Most visszaléphetünk, és figyelembe vehetjük a generátor belső ellenállását, feltételezve annak ohmos viselkedését. Jelöljük E-vel. generátor belső ellenállásával. Időegységben az E * I mennyiség villamos energiává alakul, és ezzel egy időben az I * I * r mennyiséget a generátor belsejében lévő Joule-effektus oszlatja el. A fennmaradó energiát a terhelés szállítására használják a generátor kapcsa között, amelyek között U feszültség van. E * I - I * I * r = U * I alapján azonnal következik, hogy U = E - I * r. Ez a kapcsolat megadja nekünk a jogot arra, hogy a generátor számára a következő ábrán látható egyenértékű sémát alkalmazzuk, ideális E értékű feszültségforrás sorozatban, r ellenállással .
Nem szabad megfeledkeznünk arról, hogy ez az egyenérték csak akkor érvényesa) i.m. nem függ az intenzitástól és
b) a generátor ohmos viselkedéssel rendelkezik.
Ezt a generátortípust "lineárisnak" hívják, és csak ezzel foglalkoznak a tankönyvek. A fotoelektromos generátor (fotocella) nem felel meg ezeknek a feltételeknek. Nem jellemezhető t.e.m. és belső ellenállás, és nem ábrázolható ideális feszültségforrással, sorozatosan egy ellenállással.
Vannak olyan elektromos generátorok is, amelyekben a terhelések elválasztása (energiaátalakítás) úgy történik, hogy a terhelés áramlása állandó maradjon. Egyszerű példa a Van der Graaf generátor: ha a gumiszalag állandó sebességgel mozog, és a villamosítás körülményeit változatlanul tartják, akkor a nagy gömböt elérő terhelés áramlása állandó marad. Függetlenül a két pólus között külsőleg összekapcsolt vezető ellenállásának értékétől, az áramellátáson az áramkörön keresztül azonos értékű áram folyik. Sőt, ez akkor is megtörténik, ha olyan eszköz van csatlakoztatva, amelynek nincs ohmos viselkedése (dióda vagy a vas jelzőfénye) a pólusok közé. Minden alkalommal, amikor a kapcsok feszültségének értékét, amint láttuk, ekv.-vel egyenlő, a külső áramkör diktálja. A generátort NEM LEHET JELLEMZNI T.E.M. . Ebből a példából kiindulva bemutathatunk egy másik ideális áramköri elemet: áramforrást.
A medvét teljesen jellemzi ennek az áramnak a jelentése és nagysága. A szomszédos ábra egyik szimbóluma használható az áramforráshoz.
A kortárs irodalom túlnyomó része azonban az észak-amerikai szabvány szerint használja a szimbólumot. Sajnos a román mérnökök ügyeltek arra, hogy szisztematikusan használják a feszültségforrás ábrázolására, és semmi jele annak, hogy ez a zavart állapot eltűnik. Ebben a ködben a fizika tankönyvek román szerzői a feszültségforrást "ideális generátornak" nevezik, az áramforrás amerikai szimbólumát használják, és teljesen figyelmen kívül hagyják az áramforrást.
Bizonyos feltételek mellett nullának kell tekintenünk az áramforrás által termelt áramot. Mire kell cserélnünk ezt a forrást? Ha a kapcsok közötti feszültség értékétől függetlenül az áram nulla, akkor az áramkör megszakad.
Mi történik, ha az áramellátást üresen hagyják (a külső ellenállás végtelenné válik)? Ohm törvénye előírja, hogy a terminálok feszültsége is végtelen legyen, ami lehetetlen. Annak érdekében, hogy lássuk, mit mond nekünk ez a matematikai következtetés, gondoljunk csak a Van der Graaf generátorra, amelyhez nem kapcsoltunk semmilyen vezető utat a terminálok között. A terhelés mindig a nagy gömbre érkezik, és a pólusok közötti feszültség mindig állandó sebességgel növekszik. Az egyenáramú rendszer elérése ma lehetetlen. Pontosan erre a lehetetlenségre figyelmeztet bennünket a terminálok feszültségének végtelen jellege: az áramforrás nem működhet vákuumban. Ideális telepítés esetén a feszültség nem növekszik a végtelenségig, egy bizonyos értéken a levegő át van átszúrva. Hasonló nehézség merül fel a feszültségforrás esetében is, ha azt képzeljük, hogy zérus ellenállású vezetővel rövidítettük meg. Ohm törvénye előírja, hogy az intenzitás végtelen legyen, ami lehetetlen. A feszültségforrás nem működhet rövidzárlat üzemmódban.
Az áramforrás fogalmának hasznosságát a következő probléma megoldása is bizonyítja, amelyet a fizikaolimpia megyei szakaszában javasoltak 2003. március 22-én. A végtelen síkhálózat azonos R0 értékű ellenállásokból áll, amelyek hatszögletű cellaszerkezetben vannak összekötve. . Meg kell határozni az E és F pontok közötti egyenértékű ellenállást.
Ha megmarad a hálózat végtelen és homogén jellege, és minden csomópontból n oldalon indulnak el (a forgás szimmetriája n nagyságrendű), akkor a két forrás csatlakozásakor keletkező EF oldalon az áram 2 * I0/n lesz, és az ellenállás az ekvivalens Re = 2 * R0/n lesz. Különösen négyzetes cellahálózat esetén n = 4 és Re = R0/2.
Most nézzük meg, milyen hibás eredmény vezet a probléma írójához, Dorel Haralambhoz, a Petru Rares Nemzeti Főiskolától, a Piatra Neamt-től, az áram- és feszültségforrások összetévesztésének állapotától, amelyet tankönyveink folyamatosan tartanak fenn. alternatív. Megoldásában és abban a skálában, amely szerint az "olimpikonokat" értékelni akarta, a fent leírt képzeletbeli kísérleteket hajtja végre FESZÜLTSÉGFORRÁSOKKAL: " "Az E. csomópontban. Az első generátorral megegyező másik generátor kapcsa az F csomóponthoz csatlakozik. Nyilvánvaló, hogy az F. csomópontból" kijövő "áram intenzitása szintén I." A két helyzetet az alábbi rajzok mutatják be tartoznak).
Ezután a szerző mindkét forrást egyidejűleg köti össze (mint az alábbi rajzokon), és úgy véli, hogy ez az utóbbi helyzet az első kettő egymásra helyezésének tekinthető: "A két generátor soros összekapcsolása az E és F terminálok között az átfedéses tétel szerint, az áram intenzitása injektálva "E-ben 2 I."
De a szuperpozíció-tétel itt nem alkalmazható. A szerzőprofesszor elfelejti (vagy soha nem tudta), hogy a nulla feszültségű feszültségforrás RÖVID ÁRAM. A szuperpozíció alkalmazásához az első kísérletben az F csomópontot rövidzárlatba kell kapcsolni a gyűrűhöz a végtelenben, a második kísérletben az E csomópontot ugyanolyan kezeléssel kell alkalmazni, mint az alábbi rajzokon látható.
Mivel a szuperpozíció-tétel nem alkalmazható a probléma szerzője által elképzelt kísérletekben, az ideális feszültségforrásokon egyidejűleg bekapcsolva áthaladó áramok nem egyenlőek azzal, amelyik egyedül csatlakozik. Más szavakkal, amikor E és F között sorba kapcsoljuk a forrásokat az e pontok közötti egyenértékű ellenállás mérésére, akkor az áram nem én vagy 2 I, ahogy a szerző hiszi. Ha elfogadjuk, hogy én vagyok, akkor tagadjuk a feszültségforrás működésének törvényét (nulla belső ellenállással), és úgy gondoljuk, hogy kifejezetten nem mondjuk, hogy a megfelelő generátorok valójában áramforrások. Nyilvánvalóan eljutunk a helyes eredményhez, ahogyan azt a jelenlegi megoldásoknál használtuk jelenlegi forrásokkal.
De a probléma szerzője nem is ezt az utat járja be (a források feszültségként való deklarálásával, hanem áramforrásokként történő használatával), mert elemi tévedésben van a szuperpozícióban. Nem megfelelően gyűjti azokat az áramokat, amelyek belépnek (a hálózaton kívülről) az E pontba: az első forrásnál nálam volt, a másodiknál pedig nulla. A probléma szerzője úgy véli, hogy ennek a két átfedő áramnak az összege 2 I a téves Re = R0/3 eredmény elérése.
Megoldhatjuk-e a problémát ideális feszültségforrásokkal végzett kísérletek elképzelésével, amint azt a szerző állítja? Ha helyesen nézzük a konfigurációkat a passzivált forrásokkal (a nulla feszültségforrás egyenértékű egy rövidzárlattal), ahogy fentebb rajzoltuk őket, akkor észrevesszük, hogy a forgásszimmetriát megsemmisítette a vezeték jelenléte, amely rövidzárlatot jelent a periféria gyűrű másik pontján. Ilyen körülmények között a forrás által a megfelelő csomópontba injektált áramot NO már nem osztja három egyenlő komponensre; az EF oldalon keresztüli áram egyszerű e/R0, de a másik két áram (és implicit módon a teljes I befecskendezett áram) nem számítható. A probléma nem oldható meg szuperpozíciós és feszültségforrásokkal.