Как составить баланс мощностей в цепи со смешанным сопротивлением

Из
закона сохранения энергии для любой
электрической цепи следует
условие
баланса мощностей.

Суммарная
мощность источников цепи равна суммарной
мощности, потребляемой приемниками.

Знак
мощности будет положителен при совпадении
направлений э.
д. с. E
и тока I,
проходящего через источник, и отрицателен
при взаимно
противоположных направлениях э. д. с. и
тока. Когда направления
тока и э. д. с. совпадают, от источника
за единицу времени в электрическую
цепь поступает мощность, равная EI.
Эта
мощность в
уравнение баланса мощностей входит с
положительным знаком. При
встречном направлении э. д. с. и тока
источник э.
д.
с. потребляет мощность
из цепи. Например, когда источником
является аккумулятор, который
заряжается, или генератор, работающий
в режиме двигателя, мощность EI
расходуется на «химическую» или
механическую работу соответственно. В
этом случае мощность входит в уравнение
баланса с отрицательным знаком. Уравнение
баланса мощностей при питании цепи от
источников э.д.с. имеет вид

(1.19)

Если в электрической
цепи содержатся не только источники
э.д.с., но источники тока, то при составлении
уравнения баланса мощностей необходимо
учитывать энергию, поступающую от
источников тока.

1.4. Методы эквивалентного преобразования схем электрических цепей с пассивными элементами

Часто
при анализе электрических цепей
постоянного тока приходится
иметь дело со сложными разветвленными
цепями. Если такие цепи
состоят из соединения линейных пассивных
элементов, то анализ значительно
упрощается, если в схемах цепей провести
определенные эквивалентные
преобразования. Метод
эквивалентного преобразования схем
заключается
в том, что сложные участки цепи заменяются
более простыми,
им эквивалентными. Преобразование будет
эквивалентным, если
оно не оказывает влияния на режим
остальной, не затронутой преобразованием
части цепи, т. е. если оно не вызывает в
оставшейся части
цепи изменений напряжений и токов.
Примером такого преобразования
может служить замена параллельного или
смешанного соединения
элементов одной ветвью с эквивалентным
сопротивлением.

Рассмотрим
методы эквивалентных преобразований
схем электрических цепей.

Цепь с последовательно
соединенными резисторами. На рис.
1.10,а представлена схема с последовательно
соединенными резисторами. Известно,
что в этом случае через все элементы
цепи проходит одини
тот же ток. Приведем эту схему к
эквивалентной (рис. 1.10,б), в
которой эквивалентное сопротивление
r_{экв
пос} выбрано
таким, чтобы ток в цепи оставался
без изменения. По второму закону Кирхгофаможно записать:

(1.20)

Эквивалентное
сопротивление при последовательном
соединении элементов цепи равно
сумме сопротивлений отдельных элементов.
Напряжение на зажимах последовательно
соединенных приемников распределяется
пропорционально их сопротивлениям.

Ток
в цепи при последовательном соединении
резисторов

(1.21)

а
мощность, подводимая к цепи, равна сумме
мощностей отдельных элементов.

Последовательное
соединение применяют в тех случаях,
когда номи- нальные напряжения приемников
ниже напряжения сети, например в
измерительных приборах для расширения
пределов измерения, в двигателях
постоянного тока для ограничения
пусковых токов и регулирования частоты
вращения и т. д. Однако приемники, как
правило, последовательно не включают,
так как при выходе из строя одного из
них происходит отключение остальных,
что на практике нежелательно. Кроме
того, при последовательном включении
приемников мощность, выделяемая в цепи,
пропорциональна их сопротивлениям, так
как через все приемники проходит один
и тот же ток. Следовательно, прием ники,
рассчитанные на меньшую номинальную
мощность, будут работать с
перегрузкой, а приемники, рассчитанные
на большую номинальную мощность, — с
недогрузкой. Отметим, что приемники с
одинаковыми номинальными
напряжениями и мощностями окажутся в
лучших условиях
работы при последовательном соединении.

Цепь
с параллельно включенными резисторами.
Рассмотрим
парал- лельно
соединенные приемники (рис. 1.11, а),
т. е. случай, когда приемники находятся
под одним и тем же напряжением, что
наиболее часто используют
на практике. Это удобно, так как не
требуется согласовывать
номинальные данные приемников и имеется
возможность их включать
и выключать независимо друг от друга.
Цепь
рис. 1.11,а состоит из трех параллельных
ветвей. По первому закону
Кирхгофа,

(1.22)

где
Тогда
для эквивалентной схемы (рис.
1.11,б)
Подставляя
полученные значения токов в(1.22)
и сокращая на U,
получим

(1.23)

Уравнение (1.23)
можно переписать для проводимости как

(1.24)

или в общем виде

Следовательно,
при параллельном соединении элементов
электрической цепи эквивалентная
проводимость равна сумме проводимостей
ее отдельных параллельно включенных
ветвей.

При увеличении
числа параллельных ветвей эквивалентная
проводимость цепи возрастает, а
эквивалентное сопротивление г_{экв.
пар = =}1/q_{экв.
пар}
уменьшается, вследствие чего ток в
неразветвленной части цепи возрастает.
При этом увеличивается мощность Р всей
цепи. Мощность, подводимая к цепи с
параллельно включенными резисторами,
равна сумме мощностей ее отдельных
параллельно включенных ветвей :

Получим формулы
эквивалентных сопротивлений для двух
частных случаев, представляющих
практический интерес: для цепи с двумя
параллельно включенными резисторами
с сопротивлениями r₁
и г₂
и цепи с тремя параллельно включенными
резисторами с сопротивлениями r₁,r₂,r_3.

Эквивалентное
сопротивление цепи с двумя параллельно
включенными резисторами

(1.25)

Эквивалентное
сопротивление цепи с тремя параллельно
включенными резисторами:

(1.26)

Следует отметить,
что эквивалентное сопротивление при
параллельном соединении резисторов
будет всегда меньше самого
малого
сопротивления, включенного в
цепь.

Смешанное
соединение резисторов.
Рассмотрим простейшую цепь со смешанным
соединением, т. е. содержащую последовательно
и параллельно включенные резисторы,
которая показана на рис. 1.12, а. Эта цепь
может быть приведена к схеме с одним
эквивалентным сопротивлением r_экв.
см = U
/ I
(рис. 1.12,б). Преобразование схемы удобно
проводить в два приема. Вначале заменяют
сопротивления параллельных ветвей на
эквивалентноеЗатем,
зная, что эквивалентное сопротивление
г_экв.
12
включено последовательно с r,
находят эквивалентное сопротивление
всей цепи со смешанным соединением
резисторов:

После
нахождения эквивалентного r_экв
см можно
определить ток в неразветвленной части
цепи:Для
определения токов в параллельных
ветвяхI₁
и I₂
вначале находят напряжение разветвления

затем
записывают токи в ветвях

Последовательное,
параллельное и смешанное соединения
образуют цепи, которые называются
простыми
цепями постоянного тока.
Распределение токов в простых цепях
постоянного тока, если известны э. д.
с. и сопротивления участков цепи,
производится с использованием закона
Ома. Для сложных многоконтурных
разветвленных цепей, в которых произвольно
размещены резисторы и источники э. д.
с., закона Ома для расчета недостаточно.
В этом случае и используют законы
Кирхгофа.

Пример
1.1. К зажимам
а
и с
схемы подключен вольтметр, имеющий
очень большое, теоретически бесконечно
большое сопротивление (следовательно,
его подключение или отключение не влияет
на режим работы цепи).

Если ток I = 10 А
течет от а
к с,
то показание вольтметра Uac = —18
В;

если ток I=10 А течет
от с
к а,
то Uac = —20 В.

Определить величину
сопротивления R и э. д. с. Е.

Решение.

В первом режиме
U’ac = —18 = —Е + IR = —Е + 10R.

Во втором режиме
Uac
= —20 = —Е — IR= —Е — 10R.

Совместное решение
дает Е = 19 В и R = 0,1 Ом.

Баланс мощностей

Баланс мощностей

Содержание:

Баланс мощностей

Для любой электрической цепи суммарная мощность , развиваемая источниками электрической энергии (источниками тока и ЭДС), равна суммарной мощности , расходуемой потребителями (резисторами):

Мощность, рассеиваемая резистором, , мощность источника ЭДС , мощность источника тока .

Мощности, рассеиваемые резисторами, всегда положительные, в то время как мощности источников электрической энергии, в зависимости от соотношения направления падений напряжения и тока в них, могут иметь любой знак. Мощность положительна, когда направление тока через источник тока противоположно падению напряжения на нем. Он питает электрическую цепь. В противном случае источник питания является отрицательным, и вы являетесь потребителем электрической энергии. Следует заметить, что направление падения напряжения всегда противоположно направлению ЭДС, поэтому для источника ЭДС условием положительной мощности является совпадение направлений ЭДС и тока.

Пример расчёта разветвлённой цепи постоянного тока

Рассмотрим решение задачи для цепи, представленной на рис. 1.6, описанными выше методами расчёта.

Дано

1) все неизвестные токи, используя законы Кирхгофа; показать, что баланс мощностей имеет место;

1) Применение законов Кирхгофа. Баланс мощностей.

Всего в схеме семь ветвей =7, ветвей с источниками тока = 1, число неизвестных токов равно , количество узлов — , число уравнений по первому закону Кирхгофа , число уравнений по второму закону Кирхгофа —

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Выберем положительные направления токов и обозначим их стрелками. Выберем и обозначим стрелками направления обхода трёх независимых контуров: Составим систему уравнений по законам Кирхгофа

для узла а ;

для узла b

для узла с или ;

для контура ,

для контура

для контура

Полученные уравнения после подстановки в них числовых значений будут иметь следующий вид:

Решение данной системы:

Баланс мощностей для рассматриваемой цепи

Получено тождество 252 Вт = 252 Вт.

Примечание: падение напряжения на источнике тока определено по второму закону Кирхгофа для контура, содержащего и , как

Баланс мощностей

В любой электрической цепи должен соблюдаться энергетический баланс -баланс мощностей: алгебраическая сумма мощностей всех источников равна арифметической сумме мощностей всех приемников энергии.

В левой части равенства слагаемое берется со знаком «+» если Е и I совпадают по направлению и со знаком если не совпадают.

Если направления ЭДС и тока I в источнике противоположны, то физически это означает, что данный источник работает в режиме потребителя.

На странице -> решение задач по электротехнике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам теоретических основ электротехники (ТОЭ).

Услуги:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Баланс мощностей электрической цепи

Электрическая цепь предполагает передачу определенной мощности от источника к потребителю. При этом, должно сохраняться равновесие, если схема состоит из сопротивлений, индуктивности. Статья раскроет тему, что такое баланс мощностей в простой цепи переменного тока. Будет описан этот показатель для постоянного напряжения, приведены формулы вычисления.

Определение

Вычисление данного параметра в электрической цепи основано на известном законе сохранения энергии. Из него следует, что мгновенные показатели, передаваемые от источника, должны быть равны сумме значений, которую получают потребители.

Баланс для мощностей представляет собой общеизвестный нам закон сохранения энергии. Выражение данного закона в этом случае — сумма всей энергии от источников (генератора или блока питания) равняется сумме, которую получают приемники.

Можно использовать альтернативный вариант. Для него формула при этом имеет вид как на рисунке ниже:

Стоит принять во внимание, что любая электрическая схема имеет сопротивление. Описываемая величина с сопутствующими значениями рассчитывается с учетом разновидности напряжений. Принимая во внимание закон сохранения энергии, стоит учитывать, что по электрической схеме всегда передается энергия.

Назначение

Составление простого баланса мощностей используют для точного определения расхождений между передаваемой и получаемой энергиями. Также, уравнение баланса мощностей применяется для решения многих электротехнических задач.

Переменный ток

Баланс мощностей в простой цепи переменного тока рассчитывается по более сложной формуле. Баланс мощностей в простой цепи синусоидального тока учитывает комплексные, реактивные и активные параметры.

1. Комплексная. Состоит из мощностей передаваемых и получаемых. Необходимо будет выполнить расчет, в котором все слагаемые левой части формулы являются положительными (идут со знаками +), при условии, когда совпадает направление заряженных частиц «Ik» с «ЭДС». Должно соблюдаться правило не совпадения «Jk» с направлением напряжения «Uk». Если условия не соответствуют установленным требованиям, все данные левой части формулы становятся отрицательными. Формула приведена ниже.
2. Активные. Значения, отдающиеся источником равны принимаемым потребителями. Вычисление активной мощности полностью зависит от представленной комплексной энергии. Активное значение является расходуемым, невосполнимым, так как уходит на работу приборов. Данный метод вычисления и его формула представлены ниже.
3. Реактивная мощность источника с потребителем равны. Единственное отличие заключается в том, что этот параметр не растрачиваемый. Данный показатель просто циркулирует по схеме. Формула представлена ниже.

Главное отличие рассматриваемой величины — это наличие ненаправленного движения переменного тока по проводникам. Параметр такой схемы может быть увеличен или уменьшен (например, генератором), что может повлиять на конечный результат.

Постоянный ток

В электрической цепи постоянного тока напряжение и мощность всегда одного значения. Поэтому сделать вычисление намного проще. Можно сделать расчет на основе достаточно простого примера.

1. В цепи имеется ЭДС «Е» и резистор «R». При расчете должна быть найдена сила тока.
2. I=E/R. Подставляем имеющиеся значения, получаем I=10/10=1 ампер.
3. Так мы нашли силу тока. Теперь нам будет нужен параметр мощности приемника «R» и источника.
4. Pист=I×E=1×10=10 Ватт. Это значение для источника.
5. Теперь для того, чтобы найти Р для приемника делаем расчет как на рисунке ниже.
6. Теперь составим общий баланс — 10 ватт=10 ватт. Данный подсчет показал, что для представленной схемы сохраняется равновесие.

При вычислении параметров этой схемы имеет смысл учесть расход приемника. Резистор при нагреве выделяет тепло, а значит выполняется преобразование электричества в тепло. Беря во внимание физический закон сохранения, тепло выделяемое резистором также будет равно 10 Ватт.

Заключение

В статье было приведено описание, способ расчета баланса мощностей для постоянного и переменного тока. Для электротехники данный баланс очень важен, ведь с помощью него можно выполнять различные расчеты.

Видео по теме

—> Сайт Георгия Таненгольца —> Главная | —> Мой профиль | —> Регистрация | —> Выход | —> Вход | RSS

—> —>Статистика —>

Баланс напряжений и Вольтамперная характеристика

Сначала прочитайте Что такое электричество и зачем оно нужно и Ток, напряжение, сопротивление. Закон Ома

10. Баланс напряжений.

Если мы получили некоторое количество электрической энергии за счет ЭДС. источника, то при протекании тока израсходуем всю эту энергию во всей цепи.

В простейшей цепи имеется два сопротивления — сопротивление приемника (нагрузки) и сопротивление самого источника. R нагрузки и r источника

ЭДС. источника создает ток в цепи, при этом на нагрузке, и на самом источнике, возникает напряжение. (правильно сказать — падение напряжения)

То есть, напряжение возникает на всех сопротивлениях, где протекает ток, поэтому напряжение возникает как на внешней нагрузке, так и на внутреннем сопротивлении источника.

Е – это ЭДС

E = U + U вн ЭДС равна сумме падений напряжения во внешней цепи на внутреннем сопротивлении источника.

То же самое E = IR + Ir вн

Сумма падений напряжений на нагрузке и внутри источника равна ЭДС. Эту фразу надо выучить.

Из уравнения очевидно, что

Напряжение всегда равно ЭДС минус падение напряжения внутри самого источника.

Напряжение всегда меньше ЭДС. на величину падения напряжения внутри самого источника.

Таким образом, напряжение — это часть Электродвижущей силы, которая действует на внешнюю цепь.

Электрическая энергия, которую создает источник, расходуется в нагрузке и , к сожалению, в самом источнике.

Последнее обстоятельство очень важно понимать.

Ток, созданный источником, проходит по замкнутой цепи, то есть, через нагрузку и через сам источник.

Источник, обладает сопротивлением, оно — то и нагревается, значит, источник, часть созданной электрической энергии тратит на нагрев самого себя.

Следовательно, электрическая энергия, которую можно получить в источнике, не может быть вся израсходована полезно в нагрузке, часть энергии теряется бесполезно в самом источнике. Бесполезно потому, что нагрев самого источника абсолютно не нужен и, в большинстве случаев, вреден.

11. Виды простых электрических цепей.

Простые электрические цепи с несколькими сопротивлениями.

• Цепь с последовательными сопротивлениями.
• Цепь с параллельными сопротивлениями.
• Цепь со смешанным соединением сопротивлений.

Последовательное соединение сопротивлений

При последовательном соединении сопротивлений, между сопротивлениями нет узлов, и ток никуда не ответвляется, поэтому ток через последовательно соединенные сопротивления протекает один и тот же.

Полное (эквивалентное) сопротивление цепи равно сумме сопротивлений.

Сумма напряжений на сопротивлениях равна общему напряжению.Напряжение на каждом сопротивлении пропорционально сопротивлению.

Чем больше сопротивление, тем больше на нем напряжение

При последовательном сопротивлении нельзя отключать одно сопротивление, происходит разрыв цепи и все отключится.

Параллельное соединение сопротивлений

Узел — это точка, в которой сходится не менее трех проводов.
При параллельном соединении, сопротивления подключаются под общее напряжение, так, что в каждое сопротивление ответвляется свой ток. Точки подключения сопротивления являются узлами.

1 закон Кирхгоффа .

Сумма токов втекающих в узел равна сумме токов вытекающих из узла.

Алгебраическая сумма токов узла равна 0.

Смысл этого закона очень легко понять, если представить себе провода как трубы, а ток как воду.

Значит, ток разветвляется по этим сопротивлениям и в каждом сопротивлении протекает свой ток.

Сумма токов во всех сопротивлениях равна общему току.

I общ = I 1+ I 2+ I 3

Полное (эквивалентное) сопротивление всей цепи рассчитывается по формуле.

Обратная величина полного сопротивления всей цепи равна сумме обратных величин всех сопротивлений.

g — проводимость

Полная эквивалентная проводимость равна сумме

проводимостей всех ветвей.

Полное сопротивление всей цепи меньше наименьшего из всех параллельно соединенных сопротивлений.

Чем больше сопротивлений соединяется параллельно, тем меньше полное сопротивление цепи, и больше ток, который отдает источник. Это вполне логично, ведь чем больше подключается сопротивлений параллельно, тем больше путей для тока и ему легче идти.

Все сопротивления находятся под одним напряжением .

При параллельном соединении каждое сопротивление можно отключать и подключать, независимо от других.

В реальной практике, в силовых и осветительных сетях, к одному источнику подключается несколько нагрузок, при этом всегда нагрузки подключаются параллельно.

Это удобно, потому что они работают независимо друг от друга и рассчитаны на одно и то же напряжение, и значит, их легко стандартизовать.

Вспомните, сколько лампочек в вашей квартире, и все они подключены к одной паре проводов входящих в квартиру. Все лампочки рассчитаны на напряжение 220 В, и их можно включать и выключать независимо друг от друга.

Например, в автомобиле все потребители: лампочки, моторы и т.п. включены параллельно под напряжение 12 В.

Смешанное соединение это параллельное соединение, только некоторые ветви содержат по несколько последовательно соединенных сопротивлений.

12. Электрическая мощность.

До сих пор с энергией было связано понятие напряжение и ЭДС.

Но все время оговаривалось, что напряжение — это удельная энергия, то есть энергия, которую затрачивает электрическое поле на перенос единичного электрического заряда.

Ток — это количество электрических зарядов протекающих через сечение проводника в единицу времени. Раз в единицу времени, значит, ток это скорость потока всех электрических зарядов участвующих в данном токе.

Теперь если мы возьмем и умножим скорость потока всех электрических зарядов на энергию единичного заряда (напряжение), то получим скорость совершения работы по перемещению всех электрических зарядов.

Скорость совершения работы — это мощность.

Электрическая мощность — это скорость, с которой электрическая энергия превращается в тепло на данном сопротивлении.

Электрическая мощность сопротивления равна произведению тока на напряжение.

Очень важно, что мощность пропорциональна квадрату тока.

Это значит, что если сопротивление меньше, то мощность все равно будет больше, это станет очевидно при решении задач.

P = E I Мощность, которую создает источник, равна произведению ЭДС источника на ток в цепи.

Мощность, которую создает источник и полезная мощность, которая получается на нагрузке, сильно отличаются. Вся мощность выделенная источником не может выделиться на нагрузке. КПД не может быть 100%. Часть мощности источника греет сам источник и, значит, что это мощность потерянная.

P = ( U – Ir вн ) I = U I – I 2 r вн

I 2 r вн – потери мощности в источнике

Мощность обозначается P

Мощность измеряется в Ваттах Вт

Мощность — наиболее важная результирующая характеристика приемника электрической энергии.

Например, лампочка мощность 100 Вт. дает больше света, чем лампочка мощность 75 Вт.

Электрическая энергия определяется как мощность, умноженная на время.

Электрическая энергия стоит денег, и мы за нее платим.

Лампочка мощность 100 Вт за 1 час превращает в тепло и свет электроэнергию 100 Вт*час. на сумму 12,8 коп.

Лампочка мощностью 75 Вт. за час превращает в тепло и свет электроэнергию 75 вт*час на сумму 9,6 коп.

13. Закон Ома для всей цепи.

Зависимости всех параметров цепи устанавливает закон Ома для всей цепи.

Формула этого закона выводится из баланса напряжений.

( R нагрузки + r внутренее ) –это полное сопротивление цепи

Формула закона Ома для всей цепи

Ток в цепи прямо пропорционален ЭДС источника и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи.

Смысл закона Ома для всей цепи понятен, если понятен баланс напряжений в цепи.

ЭДС — постоянное свойство источника. Она есть или ее нет. Например, если батарейка заряжена, то ее ЭДС равна 1,5 Вольта (это природа веществ, из которых состоит батарейка). ЭДС. автомобильного аккумулятора 12, 6 Вольта. Напряжение, которое получится на нагрузке, при подключении к этим источникам, может оказаться самым разным, но не больше ЭДС

14. Вольтамперная характеристика электрической цепи.

Сколько лампочек можно подключить к одной батарейке?

График зависимости напряжения от величины тока, который отдает источник. называется вольтамперная характеристика источника.

1. Почему может изменяться ток, который отдает источник?

2. Почему нагрузка может потреблять разный ток?

В сущности, это один и тот же вопрос.

Нагрузка — это приемники электрической энергии.

Если нагрузка — это обычная лампочка, то она, конечно, может потреблять ток только одной величины, потому что у нее (в нагретом состоянии) постоянное сопротивление, и тогда сама проблема теряет интерес. Но если мы подключим к источнику несколько лампочек, то каждая лампочка начнет потреблять свой ток. Две лампочку начнут потреблять больше ток, чем одна, три еще больше и т. д.

Итак, чем больше параллельно подключается лампочек к источнику, тем меньше суммарное сопротивление нагрузки, тем больший ток вынужден отдавать источник.

Как будут вести себя приемники электрической энергии и источник электрической энергии, если мы будем увеличивать количество параллельно подключаемых приемников?

То есть, как будет меняться напряжение, если увеличивается ток, который отдает источник?

При увеличении тока, напряжение снижается, почему?

График зависимости напряжения от величины тока, который отдает источник. называется вольтамперная характеристика источника.

Увеличиваем нагрузку, поочередно добавляем лампочки. Общий ток растет

По мере увеличения тока нагрузки напряжение на нагрузке падает .

Ток

Если не включать ни одной лампочки, то напряжение остается равным ЭДС

Такое состояние называется «Холостой ход»

Включаем одну лампочку, появляется ток 1. Напряжение снижается (вертикальный зеленый отрезок) и появляется падение напряжения внутри источника (Вертикальный оранжевый отрезок)

Лампочка горит нормально.

Включаем вторую лампочку, Токи лампочек складываются и общий ток увеличивается. От этого внутри источника увеличивается падение напряжения Ir .

Оранжевая линия длиннее, зеленая короче. Видно, что напряжение на двух лампочках стало ниже, чем было на одной горящей лампочке. Обе лампочки горят, но не так ярко, как горела одна.

Если включать следующие лапочки, то ток будет нарастать, падение напряжения внутри источника становится больше и напряжение на лампочках становится ниже, они горят тусклее. Сам источник начинает греться, так как большой ток на его внутреннем сопротивлении выделяет много тепла.

Последняя лампочка, которую ради интереса можно включить, приводит к тому, что напряжение на лампочках становится равным нулю. То есть вся ЭДС источника тратится на поддержание напряжение внутри источника. То есть падение напряжения внутри источника становится равным ЭДС Если еще включать лампочки, ничего не изменится, ток достиг максимальной величины, а напряжение остается равным нулю. Источник бесполезно греется. Такое состояние называют –«Короткое замыкание».

Как сделать так, чтобы все 5 лампочек, хоть как-то горели? Для этого надо взять другой – более мощный источник. У него должно быть меньше внутреннее сопротивление r вн. Тогда при включении лампочек, падение напряжения внутри источника Ir вн. станет меньше, а значит, напряжение на нагрузке станет больше.

График вольтамперной характеристики более мощного источника показан синей линией. Чтобы сделать такой источник, надо увеличить его размеры или, например, взять вместо тонкой батарейки, более толстую.

Когда ток достигает максимального значения, и напряжение падает до нуля, то это режим короткого замыкания

Такой характер зависимости справедлив для любых источников электрической энергии.

15. Режимы работы источника электрической энергии.

Рассматривают три режима работы электрической цепи

Холостой ход, короткое замыкание и номинальный режим.

Любая цепь может оказаться в любом из указанных режимов.

Это зависит от того какую нагрузку подключают к данному источнику, иначе говоря, это зависит от того какое соотношение получится между сопротивлением (нагрузки) внешней цепи и внутренним сопротивлением источника.

Холостой ход. — Все нагрузки отключены. Сопротивление нагрузки бесконечно больше внутреннего сопротивления источника.

В этом случае напряжение на выводах источника рано ЭДС источника.

О напряжении на нагрузке нет речи — нагрузка отключена.

Ток в цепи равен 0. Цепь разомкнута.

Источник работает, но для него это холостой ход

На холостом ходу ток равен 0.

Напряжение равно ЭДС

Мощность, которую отдает источник, равна 0.

На поддержание рабочего режима холостого хода, к сожалению, надо тратить некоторую небольшую внешнюю энергию, то есть на электростанции, например, надо сжигать небольшое количество угля, чтобы генератор крутился.

Номинальный режим.

Рассмотрим режим работы цепи, когда подключили малую нагрузку (одна лампочка).

— сопротивление нагрузки сравнимо с внутренним сопротивлением источника

— напряжение на нагрузке меньше величины ЭДС.на величину падения напряжения внутри источника

— напряжение еще довольно близко по величине к величине ЭДС

— мощность, которую создает источник, практически вся используется в нагрузке

— К.П.Д. довольно высок.

Этот режим можно назвать номинальным рабочим режимом с высоким К.П.Д.

Это режим, которому обычно соответствуют паспортные (данные) параметры источника: рабочее напряжение на нагрузке, ток, мощность.

В силовых и осветительных сетях короткое замыкание — это аварийный режим, и его допускать нельзя.

• включена очень большая нагрузка (например много лампочек одновременно), сопротивление нагрузки упало до нуля. То есть, сопротивление нагрузки бесконечно меньше сопротивления источника.

— напряжение на нагрузке упало до 0

— все напряжение создается только внутри источника

— мощность, которая выделяется на нагрузке, равна 0

— источник создает огромную электрическую мощность, но она вся тратится внутри самого источника на его нагрев, и источник может сгореть.

Холостой ход бесполезен, так как, при холостом ходе не работают никакие полезные нагрузки. В силовых и осветительных цепях холостой ход следует рассматривать как режим ожидания. В электронных схемах холостой ход применяют часто для поддержания максимального уровня напряжения сигнала.

Короткое замыкание бесполезно, так как нагрузки, хотя и подключены, они тоже не работают, потому что напряжение на них равно 0 и никакой полезной мощности выделить нельзя. Лапочки просто не горят. В электронных схемах режим короткого замыкания применяется для маломощных источников для поддержания стабильного тока сигнала.

Короткое замыкание — это такой режим, когда источник просто не может обеспечить работу нагрузки, говорят, что источник не тянет, не хватает мощности источника.

То есть, цепь должна работать в режиме когда нагрузка подключена но не слишком большая для данного источника. Такой режим называется – номинальный или рабочий . Все нагрузки работают под расчетным напряжением и источник не перегревается.

Баланс мощностей является следствием закона сохранения энергии — суммарная мощность вырабатываемая (генерируемая) источниками электрической энергии равна сумме мощностей потребляемой в цепи.

Баланс мощностей используют для проверки правильности расчета электрических цепей. 

Здесь мы рассмотрим баланс для цепей постоянного тока.

Например. У нас есть электрическая цепь.

Мы нашли все токи.

Для проверки правильности решения  составляем баланс мощностей.

Источники E1 и E2 вырабатывают электрическую энергию, т.к. направление ЭДС и тока в ветвях с источниками совпадают (если  ЭДС и ток в ветвях направлены в противоположную сторону, то источник ЭДС потребляет энергию и его записывают со знаком минус). Баланс мощностей для заданной цепи запишется так:

С учетом погрешности расчетов баланс мощностей получился.