Напон и струјни извори

Електричен генератор претвора неелектрична форма на енергија во електрична енергија. Користејќи ја оваа неелектрична енергија, во генераторот мобилните полнежи се поместуваат ПРОТИВ електростатските сили кои имаат тенденција да го откажат нивното одвојување. Имаме работа со два придружни процеси кои достигнуваат (освен во некои многу интересни случаи) ДИНАМИЧКА РАНОТВОРИЈА во која напонот на терминалите на генераторот U = VA - VB и густините на оптоварување во секоја точка од колото не се менуваат со текот на времето. Бидејќи електричниот полнеж е зачуван, тоа резултира дека во оваа состојба интензитетот на струјата е ист во кој било дел од колото и овој интензитет I е исто така постојан во времето. Оваа многу посебна состојба е режимот DC. Во конкретната ситуација во која терминалите на генераторот се "оставени празни", вредноста на интензитетот I е нула.

Да го занемариме за момент внатрешниот отпор на генераторот; бидејќи интензитетот е ист низ целото коло, подоцна можеме да го земеме предвид неговиот ефект со вметнување на дополнителен „отпорник“. Ова занемарување ни овозможува да се фокусираме на енергетската конверзија. Во режимот на директна струја потенцијалите и струјата не се менуваат со текот на времето, затоа, секогаш кога товарот q поминува низ генераторот, на него мора да се изврши, наспроти силите на Кулон, истата механичка работа L за искачување на планината со потенцијал од Б до А (прикажана слика).

Оваа големина е количина на конвертирана енергија и можеме да го карактеризираме генераторот ВО ОВАА ДР STАВА според големината L/q наречена „електромотивна сила“ на англиски и француски јазик и „електромоторен напон“ (т.е.м.) во романски текстови. Како електричниот потенцијал, т.е.м. се мери во волти. Феноменот е неподвижен, оваа енергија се троши точно за да се поразат кулонските сили, односно да се зголеми потенцијалната енергија со qU. излегува, така што

Меѓутоа, ако се сменат својствата на надворешното коло на генераторот, се воспоставува друг режим на директна струја во кој интензитетот I, постојан во времето, е различен од претходниот.

Ова е суштинско прашање, за жал, игнорирано во скоро сите учебници. Одговорот е не, т.е.м. Обично НЕ останува непроменет кога се менува струјата. Чест пример е магнето-електричен генератор управуван од водопад. Во отворено коло (прекината) струјата е нула и единствените сили што мора да се надминат при ротирање на вратилото се силите на триење: брзината на вртење е голема и т.е.м.м. таа е исто така одлична. При поврзување на разни потрошувачи, струјата се менува и при ротација на вратилото, електромагнетните сили, пропорционални на интензитетот, исто така мора да бидат поразени. Брзината на вртење драматично ќе се намали и со тоа ќе се сруши електромоторниот напон (внимание, не станува збор за дополнителен пад на напон на отпорноста на намотките!). Бидејќи, генерално, електромоторниот напон зависи од големината на струјата низ изворот, дефиницијата за т.е.м. дека напонот на терминалите на празниот извор е погрешен: во празното на терминалите на изворот наоѓаме напон еднаков на т.е.м. при нула струја, што не ни помага да знаеме колку т.е.м. до струјата што ќе се воспостави при поврзување на потрошувачот.

Сепак, постојат одредени видови генератори во кои т.е. практично е независно од јас, ако последното не стане премногу големо. Ова е случај на електрохемиски генератори: во нив секој дел од транспортираниот полнеж е направен со дисоцијација на ист број молекули и ослободување на иста количина на енергија. Покрај тоа, за батерии (батерии што можат да се полнат со енергија) т.е. останува скоро постојан дури и кога струјата ја менува својата насока, батеријата станува потрошувач. Постоење и широко распространета употреба на овие типови генератори, во кои т.е.м. е практично независен од I, доведе до изградба на идеален модел кој е извор на напон.

(Идеален) извор на напон е елемент на колото со два терминали (дипол) чиј напон на терминалите е независен од струјата што минува низ неа.

Изворот на напон се карактеризира целосно со поларитет и големина на овој напон. За него, се користи еден од соседните симболи. Дури и ако оној на цртање б) е асиметричен и можете, според конвенција, да го сметате позитивен терминалот со подолга линија, не потпирајте се на ова и секогаш пишувајте барем знак +. (Пред 30 години романски автори ја користеа спротивната конвенција!).

Во некои апликации се смета дека вредноста на идеалниот извор на напон станува нула (феноменот на конверзија на енергија престанува). Со што треба да го замениме еквивалентниот извор на напон? Видовме дека вредноста на напонот што се одржува на терминалите е еднаква на т.е.м., тоа е, сега е ништовно. За да можат потенцијалите на терминалите да бидат еднакви без оглед на струјата, терминалите мора да бидат поврзани едни со други со проводник за нула отпор, т.е. КРАТКО ЦРКА.

Сега можеме да се вратиме и да го разгледаме внатрешниот отпор на генераторот претпоставувајќи го неговото омско однесување. Ние означуваме со Е т.е.м.м. на генераторот и со неговиот внатрешен отпор. Во единицата на времето, количината E * I се претвора во електрична енергија и истовремено количината I * I * r се дисипира со ефектот ouул во внатрешноста на генераторот. Останатата енергија се користи за транспорт на товарот помеѓу терминалите на генераторот меѓу кои има напон U. Од E * I - I * I * r = U * I веднаш следи дека U = E - I * r. Оваа врска ни дава за право да ја користиме за генераторот еквивалентната шема на следната слика, идеален извор на напон од вредност Е во серија со отпор на вредност r .

Не смееме да заборавиме дека овој еквивалент е валиден само ако
а) т.е.м. не зависи од интензитетот и
б) генераторот има омско однесување.
Овој вид генератор се нарекува „линеарен“ и е единствениот адресиран во учебниците. Фотоелектричен генератор (фотоелемент) не исполнува ниту еден од овие услови. Не може да се карактеризира со т.е.м. и внатрешен отпор и не може да биде претставен со идеален извор на напон во серија со отпорник.

Постојат и електрични генератори во кои се прави поделба на оптоварувањата (енергетска конверзија) така што протокот на оптоварување останува постојан. Едноставен пример е генераторот Ван дер Граф: ако гумената лента се движи со постојана брзина и условите под кои се јавува електрификацијата се чуваат непроменети, тогаш протокот на товар што достигнува големата сфера останува постојан. Без оглед на вредноста на отпорноста на спроводникот поврзан надворешно помеѓу двата пола, при тековниот режим низ колото ќе тече струја со иста вредност. Покрај тоа, ова се случува дури и ако уредот што нема омско однесување (диода или сигнално светло од железо) е поврзан помеѓу половите. Секој пат кога вредноста на напонот на терминалите, еднаква, како што видовме, со т.е.м., ќе биде диктирана од надворешното коло. Генераторот НЕ МОNЕ ДА СЕ КАРАКТЕРИЗИРА Т.Е.М. . Поаѓајќи од овој пример, можеме да воведеме уште еден идеален елемент на колото: извор на струја.

Мечката се карактеризира целосно со значењето и големината на оваа струја. Еден од симболите на соседната слика може да се користи за изворот на енергија.

Огромното мнозинство на современата литература, сепак, го користи симболот според стандардите на Северна Америка. За жал, романските инженери се погрижија систематски да го користат за да го претставуваат изворот на напон и нема знаци дека оваа состојба на конфузија ќе исчезне. Во оваа магла, романските автори на учебници по физика го нарекуваат изворот на напон „идеален генератор“, го користат за него американскиот симбол на сегашниот извор и целосно го игнорираат тековниот извор.

Под одредени услови, ние мора да ја сметаме струјата произведена од сегашниот извор. Со што треба да го замениме овој извор? Ако, без оглед на вредноста на напонот помеѓу терминалите, струјата е нула, тогаш колото е прекинато.

Што се случува ако напојувањето остане празно (надворешниот отпор станува бесконечен)? Законот на Ом налага напонот на терминалите да стане бесконечен, што е невозможно. За да видиме што ни кажува овој математички заклучок, да размислиме за генераторот Ван дер Граф на кој не поврзавме никаква спроводлива патека помеѓу терминалите. Товарот секогаш пристигнува на големата сфера и напонот помеѓу половите секогаш се зголемува со постојана брзина. Постигнувањето режим на директна сегашност сега е невозможно. Токму на оваа невозможност нè предупредува бесконечниот карактер на напонот на терминалите: сегашниот извор не може да работи во вакуум. Во идеална инсталација, напонот не се зголемува на неодредено време, по одредена вредност воздухот е прободен. Слична тешкотија се јавува и во случај на изворот на напон ако замислиме дека го скративме со спроводник со нула отпорност. Ом законот налага интензитетот да биде бесконечен, што е невозможно. Изворот на напон не може да работи во режим на краток спој.

Корисноста на концептот на сегашниот извор се демонстрира и со решавање на следниот проблем, предложен во окружната фаза на Олимпијадата за физика, 22 март 2003 година. Бесконечна рамнинска мрежа се состои од идентични отпорници со вредност R0 поврзани во шестоаголна клеточна структура. . Потребно е да се одреди еквивалентниот отпор помеѓу точките Е и Ф.

Значењето на еквивалентниот отпор Re помеѓу точките E и F на бесконечната мрежа произлегува од соседната слика, каде што поврзавме активен дипол помеѓу овие точки. Така, еквивалентен отпор е односот помеѓу напонот на UEF = VE - VF и струјата I. Решавањето на проблемот ќе мора да ги искористи информациите за симетријата и бесконечноста на мрежата, секој од јазлите е центар на симетрија. Но, начинот на кој мрежата е поврзана на следниот цртеж нема симетрија на ротација. Основната идеја е да се толкува оваа конфигурација како суперпозиција на две ситуации со ротациона симетрија, во која активниот дипол е поврзан само со јазол на мрежата, а другиот терминал е поврзан со „симетричниот“ крај од бесконечност.

За да го решиме проблемот, поврзуваме извор на струја за да внесеме струја со интензитет I0 во јазолот Е (следна слика). Струјата ќе се дистрибуира до бесконечност низ целата мрежа; поради оваа причина, со цел да го затвориме колото, ќе мора да го поврземе другиот терминал на изворот "до бесконечност" замислувајќи спроводлив круг кој ги собира струите достигнати таму преку мрежата.

Д во јазолот Е започнуваат три страни, секоја од отпорноста R0, инјектираната струја се дели на три компоненти. Дали овие компоненти се еднакви? Ако внимателно ја разгледаме мрежата, забележуваме дека таа има симетрија од 3-ти ред кога се ротира околу кој било јазол: при ротација од 360 o/3 = 120, формата на мрежата не се менува. На секоја од трите насоки на страните решетката има бесконечно продолжение. Овие две откритија нè наведуваат да донесеме заклучок: трите струи се еднакви една со друга, имајќи ја вредноста I0/3. Така, во разгледуваната конфигурација, струјата тече низ страната EF од E до F и има вредност I0/3.

Сега го отстрануваме тековниот извор од првиот експеримент (нацртан со црвена боја) и поврзуваме друг извор (нацртан во сино) така што тој од јазолот F извлекува струја I0. Можеме ли да го повториме претходното резонирање за јазолот F? Мрежата е бесконечна, „секој јазол е во неговиот центар“. Ако сакаме поригорозен израз, можеме да го кажеме ова: кога димензиите на мрежата се зголемуваат во сите правци кон бесконечноста, разликата помеѓу поврзувањето на изворот со јазолот Е или со јазолот F станува сè помала и помала. Така заклучуваме дека во оваа ситуација струјата од страната на EF тече од E до F и има вредност I0/3.

Во третиот експеримент ги поврзавме двата извори на енергија истовремено. Можеме ли да ја примениме теоремата на суперпозиција? Таа бара во првиот експеримент струјата што ја инјектира синиот извор да биде нула и така се случи, изворот да не биде поврзан. Слично на тоа, во вториот експеримент струјата што ја инјектира црвениот извор е нула. Теоремата за суперпозиција МОANЕ ДА СЕ ПРИМЕНЕ. Во третиот експеримент, струјата низ секоја страна е збир на струите низ таа страна произведени во првите два експерименти. Особено, за страната EF, вкупната струја тече од E до F и има вредност I0/3 + I0/3 = 2 * I0/3.

Ајде да видиме каков ефект имаат сегашните извори на „бесконечниот прстен“. Синиот овде ја инјектира струјата I0 додека црвениот извор ја извлекува истата струја. Нивниот целосен ефект врз прстенот е нула и изворите може да се исклучат од него без никаква промена во состојбата на колото. Така, стигнуваме до конфигурацијата на следната слика. Сè уште можеме да се откажеме од еден од изворите, поврзувајќи го оној што останал помеѓу јазлите E и F, но оваа промена не би го олеснила пресметувањето на еквивалентниот отпор.

Ние знаеме, во експериментот со двата тековни извори поврзани, струјата преку страната ЕФ; тој е 2 * I0/3. Од законот на Ом за овој дел од колото, веднаш заклучуваме дека потенцијалот на јазолот Е е поголем од потенцијалот на јазолот F со U = 2 * I0 * R0. Но, кој еквивалентен отпор го „гледа“ надворешното коло (двата внесени извори) помеѓу јазлите Е и Ф? Струјата што ја носи EF диполот е I0 додека напонот на диполските терминали ја има горната вредност. Од законот на Ом наоѓаме еквивалентен отпор Re = 2 * R0/3.

Проблемот може лесно да се генерализира, Ако се задржи бесконечниот и хомоген карактер на мрежата и од секој јазол тие започнуваат во n страни (симетријата при вртење е од редот n), струјата во страната EF произведена при поврзување на двата извори ќе биде 2 * I0/n и отпорот еквивалентот ќе резултира во Re = 2 * R0/n. Особено, за мрежа со квадратни ќелии, n = 4 и Re = R0/2.

Ајде да видиме сега кој погрешен резултат го води авторот на овој проблем, Дорел Хараламб од Националниот колеџ Петру Рарес, Пјатра Неамт, состојбата на конфузија помеѓу изворите на струја и напон, состојба што постојано ја одржуваат нашите учебници алтернатива. Тој, во решавањето и скалата според која сакаше да ги оцени „Олимпијците“, ги изведува имагинарните експерименти опишани погоре со ИЗВОРИТЕ НА НАПОН: "Во јазолот Е. Терминалот на друг генератор идентичен со првиот е поврзан со јазолот Ф. Очигледно, струјата што" излегува "од јазолот Ф. Има интензитет и јас." припаѓаат).

Следно, авторот ги поврзува двата извора истовремено (како на цртежите подолу) и верува дека оваа последна ситуација може да се смета како суперпозиција на првите два: „Поврзување на двата генератори во серија помеѓу терминалите Е и Ф според теоремата на преклопување, интензитет на струјата“ инјектира "во Е е 2 јас".

Но, теоремата на суперпозиција не може да се примени тука. Авторот професор заборава (или никогаш не знаеше) дека извор на напон со нула напон Е КРАТКО КРУГ. За да се примени суперпозицијата, во првиот експеримент јазолот F треба да биде краток спој до прстенот во бесконечност, а во вториот експеримент на јазолот Е треба да се примени истиот третман како што се гледа на цртежите подолу.

Бидејќи теоремата на суперпозиција не може да се примени во експериментите замислени од авторот на проблемот, струите што минуваат низ идеалните извори на напон кога се поврзани истовремено не се еднакви на оние што минуваат низ извор на напон кога се поврзани сами. Со други зборови, кога ги поврзуваме изворите во серија помеѓу E и F за да се измери еквивалентниот отпор помеѓу овие точки, струјата не е ниту јас ниту 2 I, како што верува авторот. Ако прифатиме дека тоа сум јас, тогаш го негираме законот за работа на изворот на напон (со нула внатрешен отпор) и сметаме, без изрично да кажеме, дека соодветните генератори се всушност тековни извори. Очигледно, стигнуваме до точен резултат, како и во претходното решение со сегашните извори.

Но, авторот на проблемот дури и не го следи овој пат (со декларацијата на изворите како напон, туку нивната употреба како струјни извори) затоа што тој е основен погрешен во суперпозицијата. Тој не ги собира правилно струите што влегуваат (од надвор од мрежата) во точката Е: со првиот извор што го имавме јас, со вториот извор имаме нула. Авторот на проблемот верува дека збирот на овие две струи што се преклопуваат е 2 I достигнувајќи погрешен резултат Re = R0/3.

Можеме ли да го решиме проблемот со замислување експерименти со идеални извори на напон, како што тврди авторот? Ако правилно ги погледнеме конфигурациите со пасивираните извори (изворот на нула напон е еквивалентен на краток спој), како што ги нацртавме погоре, ќе забележиме дека ротационата симетрија е уништена со присуството на жицата што ја крати другата точка до периферниот прстен. Под овие услови, струјата што ја инјектира изворот во соодветниот јазол НЕ е веќе поделена на три еднакви компоненти; струјата преку страната EF е едноставна e/R0, но другите две струи (и, имплицитно, вкупната инјектирана струја I) не можат да се пресметаат. Проблемот не може да се реши со употреба на извори на суперпозиција и напон.

---