Эквивалентные схемы источника электрической энергии

Методы расчета электрических цепей основаны на законах Ома и Кирхгофа. Для составления уравнений, характеризующих электрическое со­стояние цепи, задаются определенным направлением токов на отдельных участках. Действительные направления токов могут быть до проведения рас­чета неизвестными. Но они устанавливаются в результате расчета. Если зна­чение какого-либо тока окажется положительным, то это означает, что дейст­вительное его направление совпадает с выбранным. В противном случае, ко­гда значение тока окажется отрицательным, направление тока следует изме­нить на обратное.

В расчетных схемах электрических цепей реальный источник электри­ческой энергии, у которого внутреннее сопротивление r₀ во много раз меньше внешнего сопротивления r (источник напряжения), целесообразно заменять эквивалентной схемой (рисунок 8а), состоящей из последовательно соеди­ненных идеального источника напряжения Е (внутреннее сопротивление равно нулю) и внутреннего сопротивления r₀. Возможность такой замены определяется из условия:

(12)

Рисунок 8 – Эквивалентные схемы источников электрической энергии:

а – источника э. д. с., б – источника тока

Когда внутреннее сопротивление r₀ во много раз больше внешнего со­противления r (источник тока), реальный источник электрической энергии целесообразно заменить эквивалентной схемой (рисунок 8б), состоящей из двух параллельно включенных элементов: идеального источника тока I_к (внутреннее сопротивление равно бесконечно большой величине) и внутрен­него сопротивления r₀. Эта замена вытекает из условия равенства:

которое можно получить, если уравнение (13) поделить на r₀. При этом - ток идеального источника тока; - ток, замыкающийся внутри источника тока через его внутреннее сопротивление r₀.

Работа и мощность электрического тока

Электрическая энергия. В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рисунок 9). В ис­точниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. Так, например, в электрических генераторах проис­ходит превращение механической, в термогенераторах – тепловой, в аккуму­ляторах и гальванических элементах – химической, в фотоэлементах – лучи­стой энергии в электрическую.

Рисунок 9 – Пути превращения энергии:

1 – генератор, 2 – термогенератор, 3, 8 – аккумуляторы, 4 – гальванический элемент, 5 – фотоэлемент, 6 – электродви­гатель, 7 – электрическая печь, 9 – радиостанция, 10 – электрическая лампа

Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии – тепловую, механическую, лучистую и пр.

Работа, произведенная электрическим током за время t при известном напряжении U и силе тока I, равна

(14)

Работа, совершаемая электрическим током в 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии – джоуль (Дж). 1 Дж=1 В•А•с. Джоуль – очень маленькая единица измерения, поэтому на прак­тике приняты более крупные единицы, а именно: 1 ватт-час (Вт•ч)=3600 Дж; 1 киловатт-час (кВт•ч) = 1000 Вт•ч = 3,6•10⁶ Дж; 1 мегаватт-час (МВт•ч) = 1000 кВт•ч = 3,6•10⁹ Дж. Электрическая энергия, потребляемая заводами, фабриками и электрическими локомотивами, а также расходуемая для осве­щения и питания бытовых нагревательных приборов, измеряется обычно в киловатт-часах.

Электрическая мощность. Энергия, получаемая приемником или от­даваемая источником электрической энергии в единицу времени (в течение 1 с), называется мощностью Р

(15)

Используя закон Ома для определения силы тока и напряжения в зави­симости от сопротивления r и проводимости g, можно получить и другие вы­ражения для мощности. Если заменить в формуле (26) напряжение или силу тока

то получим:

;

;

Мощность на участке цепи при токе в 1 А и напря­жении 1 В принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). В технике мощность измеряют более крупными единицами – киловаттами (кВт) и мегаваттами (МВт). 1 кВт = 1000 Вт; 1 МВт = 1000000 Вт.

Потери энергии. При превращении электрической энергии в другие виды энергии или, наоборот, не вся энергия превращается из одного вида в другой; часть ее непроизводительно затрачивается (теряется), например, на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов, т. е. пре­вращается в тепло. Эти потери энергии неизбежны в любой машине или ап­парате.