Чем обусловлено внутреннее сопротивление источника электроэнергии: Чем обусловлено внутреннее сопротивление источника электроэнергии. Внутреннее сопротивление источника тока — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

Почему внутри источника существует внутреннее сопротивление. Реактивное внутреннее сопротивление

Чему равно внутреннее сопротивление источника тока, ЭДС которого равна 30 В, если после включения внешней цепи сопротивлением 6 Ом напряжение на зажимах батареи стало равным 18 В.
Отсюда находим внутреннее сопротивление источника тока.
Здесь и далее внутренним сопротивлением источника тока и подводящих проводов следует пренебречь, если оно не задано в условии.
Здесь тэар при небольшом внутреннем сопротивлении источника тока и соответственно небольшом сопротивлении лампы rgK относительно невелико. Соответственно тзар, определяющееся в основном высоким сопротивлением RgK (получающимся в результате того, что при разряде потенциал сетки оказывается под отрицательным потенциалом относительно катода), становится во много раз больше, чем тзар и длина экспоненциального импульса на выходе (считая продолжительность для половины амплитуды) в несколько десятков раз превышает длительность импульса, по-данного на вход.

Определить электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника тока, если при одном положении движка реостата амперметр показывает 0 2 А, вольтметр — 1 8 В, а при другом положении движка — 0 4 Аи 1 6 В соответственно.

Обозначим через г — внутреннее сопротивление источника тока, через R — сопротивление каждого из вольтметров.
Ничем, так как внутреннее сопротивление источника тока бесконечно велико.
Сначала определим ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

При прохождении тока часть мощности выделяется на внутреннем сопротивлении источника тока.
К каким отрицательным последствиям приводит то, что внутреннее сопротивление источника тока дифференциального каскада имеет конечное значение.
Цепь из двух параллельных ветвей. U (в в течение t сек. равна.| Соотношения между единицами энергии. Мощность, передаваемая нагрузке, будет максимальной при раввщ ве внутреннего сопротивления источника тока и сопротивления нагрузки.
Зачастую серьезные недоразумения возникают у учащихся из-за неумения правильно учитывать влияние внутреннего сопротивления источников тока на режим работы всей электрической цепи. Ряд задач параграфа (например, 383, 385, 386, 392 — 395 и др.) посвящен специально выяснению этого вопроса, а также выяснению вопроса о выборе наиболее выгодных условий работы источников тока.
Кристаллы аммиаката цинка не-электропроводны, и образование этого соединения приводит к увеличению внутреннего сопротивления источника тока.

В любом замкнутом контуре (например, а ] 6, с алгебраическая сумма электродвижущих сил равна алгебраической сумме произведений величин токов на сопротивления отдельных участков цепи. Вычисляя сумму произведений токов на сопротивления отдельных участков цепи, следует учитывать также и внутренние сопротивления источников тока.
Если предположить, что емкость C0z пренебрежимо мала или включить ее в схему четырехполюсника Q, то внутреннее сопротивление источника тока / g можно считать действительным и равным У.
Получили, что максимальная мощность выделяется на нагрузке при условии, что величина внешнего сопротивления цепи R равна внутреннему сопротивлению источника тока.
Здесь под R понимается сопротивление всех резисторов, образующих цепь (сопротивление нагрузки), а под г — внутреннее сопротивление источника тока.

Здесь под R понимается сопротивление всех резисторов, образующих цепь (сопротивление нагрузки), а под т — внутреннее сопротивление источника тока.

Механическая система и ее электрические модели (метод четырехполюсников.

Как уже указывалось выше, внутреннее сопротивление источника напряжения (первая система аналогий) должно быть весьма малым, а внутреннее сопротивление источника тока (вторая система аналогий) — весьма большим, по сравнению с сопротивлением модели.
К положительным качествам рассматриваемого преобразователя следует отнести то, что в нем не предъявляется особо жестких требований к переходному сопротивлению ключей, так как величина их переходного сопротивления составляет лишь незначительную часть внутреннего сопротивления источника тока и не оказывает влияния на точность преобразования.
Итак, при последовательном включении п одинаковых источников тока электродвижущая сила образующейся батареи в п раз превышает электродвижущую силу отдельного источника тока, однако в этом случае складываются не только электродвижущие силы, но также и внутренние сопротивления источников тока. Такое включение является выгодным, когда внешнее сопротивление цепи весьма велико в сравнении с внутренним сопротивлением.

Следует отметить, что схема рис. 1 — 2 6 эквивалентна схеме рис. 1 — 1 а только в отношений энергии, выделяющейся в сопротивлении нагрузки R, и не эквивалентна ей в отношении энергии, выделяющейся во внутреннем сопротивлении источника тока.
Но Сумма разностей потенциалов замкнутой цепи равна нулю, сумма сопротивлений всех участков замкнутой цепи — это ее суммарное сопротивление, которое обычно записывают в виде двух слагаемых: R — внешнее (по отношению к источникам) сопротивление иг — внутреннее сопротивление источников тока.
Второй [ IMAGE ] Схема к примеру. В этом уравнении г и г % — внутренние сопротивления источни-ков тока е и е2 — на схеме не показаны; IR, IR2 и IRS — падения напряжения на внешних сопротивлениях цепи; / г, и / г2 — падения напряжений на внутренних сопротивлениях источников тока.
Внутреннее сопротивление источника тока может быть как чисто активным, так и реактивным.
Зависимость р / ро — отношения (выраженного в децибелах звукового давления на поверхности жесткого цилиндра (с высотой, равной его диаметру, куба, сферы к звуковому давлению, имевшему место в поле до их внесения, от отношения dA (или.

/. — диаметра цилиндра или сферы (или ребра куба к длине волны. Параметр семейства кривых — угол Ф между осью цилиндра, куба, сферы и направлением прихода звука. При расчете микрофонных усилителей исходят из следующих соображений. Номинальное сопротивление микрофона является внутренним сопротивлением источника тока на входе усилителя, входное сопротивление усилителя — сопротивлением нагрузки микрофона.
В качестве источников тока в потенциометрии чаще всего применяют аккумуляторы или сухие элементы, значительно реже — стабилизированные источники постоянного тока. Современные потенциометры устроены таким образом, что внутреннее сопротивление источника тока не отражается на работе потенциометра. При работе с сухими батареями и аккумуляторами необходимо учитывать зависимость разрядного тока от времени, которая имеет минимальную крутизну через 10 — 15 мин после включения.
Распределение электрического напряжения вдоль обмотки сверхпроводящего магнита при образовании в нем нормальной зоны.

На самом деле (рис. 9.2) высокий потенциал развивается внутри обмотки, где существует активная компонента напряжения, направленная навстречу индуктивной. Небольшая разность потенциалов между подводящими проводами обусловлена внутренним сопротивлением источника тока, который обычно автоматически отключается при переходе магнита в нормальное состояние. Но даже если это не произойдет, напряжение на источнике тока будет составлять всего лишь несколько вольт по сравнению с сотнями и, возможно, тысячами вольт в нормальной зоне. Поэтому напряжением источника можно пренебречь, но источник тока следует по возможности быстро отключить, чтобы не допустить длительного тепловыделения в обмотке и криостате.

Символом Rt на рис. 5.12, а обозначено внутреннее сопротивление источника тока.
Ключ, закорачивающий точку А на землю, с малым сопротивлением в открытом состоянии. Сопротивление открытого ключа обычно пренебрежимо мало по срав-нению с внутренним сопротивлением источника тока. Поэтому падение напряжения на ключе вызывает ничтожную погрешность.
Зависимость зарядного тока гео. На рис. 3 показана зависимость зарядного тока геометрической емкости от времени без учета токов абсорбции. Необходимо отметить, что спад тока в этом случае определяется внутренним сопротивлением источника тока, а не состоянием изоляции.
Хорошо, что при решении задачи Вы воспользовались методом эквивалентного активного двухполюсника. К сожалению, Вы ошиблись в определении значения сопротивления активного двухполюсника R3K: внутреннее сопротивление источника тока бесконечно велико, поэтому пассивный двухполюсник, к которому преобразуется схема рис. 6.13 а, при определении R3K будет содержать два резис-тивных элемента, соединенных последовательно.
К, так как в противном случае в выражении (5.1) должно быть учтено также напряжение непосредственно на входе усилителя. Вторым ограничивающим условием при выводе соотношения (5.1) является предположение о том, что внутреннее сопротивление источника тока весьма мало.
Таким образом, трансформатор изменяет величину сопротивления R в k2 раз. Этим широко пользуются при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников тока.
Основные типы однофазных трансформаторов.| Однофазные трансформаторы большой мощности. Таким образом, трансформатор изменяет величину сопротивления г в k2 раз. Этим свойством широко пользуются ьри разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников тока.
Простей-шая электрическая цепь. Закон Ома справедлив не только для участка, но и для всей электрической цепи. В этом случае в значение R подставляется суммарное сопротивление всех элементов цепи, в том числе и внутреннее сопротивление источника тока. Однако при простейших расчетах цепей обычно пренебрегают сопротивлением соединительных проводников и внутренним сопротивлением источника тока.
Цепь постоянного тока. Напряжение, действующее во внешней электрической цепи источника тока, может быть представлено в виде суммы падений напряжения на отдельных элементах этой цепи. Но ведь ток, циркулирующий в цепи, протекает и через источник тока, который имеет свое сопротивление, называемое внутренним сопротивлением источника тока.

Допустим, есть простейшая электрическая замкнутая цепь, включающая в себя источник тока, например генератор, гальванический элемент или аккумулятор, и резистор, обладающий сопротивлением R. Поскольку ток в цепи нигде не прерывается, то и внутри источника он течет.

В такой ситуации можно сказать, что любой источник обладает некоторым внутренним сопротивлением, препятствующим току. Это внутреннее сопротивление характеризует источник тока и обозначается буквой r. Для или аккумулятора внутреннее сопротивление — это сопротивление раствора электролита и электродов, для генератора — сопротивление обмоток статора и т. д.

Таким образом, источник тока характеризуется как величиной ЭДС, так и величиной собственного внутреннего сопротивления r – обе эти характеристики свидетельствуют о качестве источника.

Электростатические высоковольтные генераторы (как генератор Ван де Граафа или генератор Уимшурста), к примеру, отличаются огромной ЭДС измеряемой миллионами вольт, при этом их внутреннее сопротивление измеряется сотнями мегаом, потому они и непригодны для получения больших токов.

Гальванические элементы (такие как батарейка) — напротив — имеют ЭДС порядка 1 вольта, хотя внутреннее сопротивление у них порядка долей или максимум — десятка Ом, и от гальванических элементов поэтому можно получать токи в единицы и десятки ампер.

На данной схеме показан реальный источник с присоединенной нагрузкой. Здесь обозначены , его внутреннее сопротивление, а также сопротивление нагрузки. Согласно , ток в данной цепи будет равен:

Поскольку участок внешней цепи однороден, то из закона Ома можно найти напряжение на нагрузке:

Выразив из первого уравнения сопротивление нагрузки, и подставив его значение во второе уравнение, получим зависимость напряжения на нагрузке от тока в замкнутой цепи:

В замкнутом контуре ЭДС равна сумме падений напряжений на элементах внешней цепи и на внутреннем сопротивлении самого источника. Зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки в идеальном случае линейна.

График это показывает, но экспериментальные данные на реальном резисторе (крестики возле графика) всегда отличаются от идеала:

Эксперименты и логика показывают, что при нулевом токе нагрузки напряжение на внешней цепи равно ЭДС источника, а при нулевом напряжении на нагрузке ток в цепи равен . Это свойство реальных цепей помогает экспериментально находить ЭДС и внутреннее сопротивление реальных источников.

Экспериментальное нахождение внутреннего сопротивления

Чтобы экспериментально определить данные характеристики, строят график зависимости напряжения на нагрузке от величины тока, затем экстраполируют его до пересечения с осями.

В точке пересечения графика с остью напряжения находится значение ЭДС источника, а в точке пересечения с осью тока находится величина тока короткого замыкания. В итоге внутреннее сопротивление находится по формуле:

Развиваемая источником полезная мощность выделяется на нагрузке. График зависимости этой мощности от сопротивления нагрузки приведен на рисунке. Эта кривая начинается от пересечения осей координат в нулевой точке, затем возрастает до максимального значения мощности, после чего спадает до нуля при сопротивлении нагрузки равном бесконечности.

Чтобы найти максимальное сопротивление нагрузки, при котором теоретически разовьется максимальная мощность при данном источнике, берется производная от формулы мощности по R и приравнивается к нулю. Максимальная мощность разовьется при сопротивлении внешней цепи, равном внутреннему сопротивлению источника:

Это положение о максимальной мощности при R = r, позволяет экспериментально найти внутреннее сопротивление источника, построив зависимость мощности, выделяемой на нагрузке, от величины сопротивления нагрузки. Найдя реальное, а не теоретическое, сопротивление нагрузки, обеспечивающее максимальную мощность, определяют реальное внутреннее сопротивление источника питания.

КПД источника тока показывает отношение максимальной выделяемой на нагрузке мощности к полной мощности, которую в данный момент развивает

Введение

Необходимость введения термина можно проиллюстрировать следующим примером. Сравним два химических источника постоянного тока с одинаковым напряжением:

Несмотря на одинаковое напряжение, эти источники значительно отличаются при работе на одинаковую нагрузку. Так, автомобильный аккумулятор способен отдать в нагрузку большой ток (от аккумулятора заводится двигатель автомобиля, при этом стартер потребляет ток 250 ампер), а от цепочки батареек стартер вообще не вращается. Относительно небольшая емкость батареек не является причиной: одного ампер-часа в батарейках хватило бы для того, чтобы вращать стартер в течение 14 секунд (при токе 250 ампер).

Таким образом, для двухполюсников, содержащих источники (то есть генераторы напряжения и генераторы тока) необходимо говорить именно о внутреннем сопротивлении (или импедансе). Если же двухполюсник не содержит источников, то «внутреннее сопротивление» для такого двухполюсника означает то же самое, что и просто «сопротивление».

Родственные термины

Если в какой-либо системе можно выделить вход и/или выход, то часто употребляются следующие термины:

Физические принципы

Несмотря на то, что на эквивалентной схеме внутреннее сопротивление представлено как один пассивный элемент (причём активное сопротивление , то есть резистор в нём присутствует обязательно), внутреннее сопротивление не сосредоточено в каком-либо одном элементе. Двухполюсник лишь внешне ведёт себя так, словно в нём имеется сосредоточенный внутренний импеданс и генератор напряжения. В действительности внутреннее сопротивление является внешним проявлением совокупности физических эффектов:

Если в двухполюснике имеется только источник энергии без какой-либо электрической схемы (например, гальванический элемент), то внутреннее сопротивление практически чисто активное (если только речь не идет об очень высоких частотах), оно обусловлено физическими эффектами, которые не позволяют мощности , отдаваемой этим источником в нагрузку, превысить определённый предел. Наиболее простой пример такого эффекта — ненулевое сопротивление проводников электрической цепи. Но, как правило, наибольший вклад в ограничение мощности вносят эффекты неэлектрической природы. Так, например, в мощность может быть ограничена площадью соприкосновения участвующих в реакции веществ, в генераторе гидроэлектростанции — ограниченным напором воды и т. д.
В случае двухполюсника, содержащего внутри электрическую схему , внутреннее сопротивление «рассредоточено» в элементах схемы (в дополнение к перечисленным выше механизмам в источнике).

Отсюда также следуют некоторые особенности внутреннего сопротивления:

Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника

Эффект внутреннего сопротивления является неотъемлемым свойством любого активного двухполюсника. Основной результат наличия внутреннего сопротивления — это ограничение электрической мощности, которую можно получить в нагрузке, питаемой от этого двухполюсника.

Пусть, имеется двухполюсник, который может быть описан приведённой выше эквивалентной схемой. Двухполюсник обладает двумя неизвестными параметрами, которые необходимо найти:

ЭДС генератора напряжения U
Внутреннее сопротивление r

В общем случае, для определения двух неизвестных необходимо сделать два измерения: измерить напряжение на выходе двухполюсника (то есть разность потенциалов U out = φ 2 − φ 1 ) при двух различных токах нагрузки. Тогда неизвестные параметры можно найти из системы уравнений:

где U out1 I 1 , U out2 — выходное напряжение при токе I 2 . Решая систему уравнений, находим искомые неизвестные:

Обычно для вычисления внутреннего сопротивления используется более простая методика: находится напряжение в режиме холостого хода и ток в режиме короткого замыкания двухполюсника. В этом случае система () записывается следующим образом:

где U oc — выходное напряжение в режиме холостого хода (англ. open circuit ), то есть при нулевом токе нагрузки; I sc — ток нагрузки в режиме короткого замыкания (англ. short circuit ), то есть при нагрузке с нулевым сопротивлением. Здесь учтено, что выходной ток в режиме холостого хода и выходное напряжение в режиме короткого замыкания равны нулю. Из последних уравнений сразу же получаем:

Измерение

Понятие измерение применимо к реальному устройству (но не к схеме). Непосредственное измерение омметром невозможно, поскольку нельзя подключить щупы прибора к выводам внутреннего сопротивления. Поэтому необходимо косвенное измерение , которое принципиально не отличается от расчёта — также необходимы напряжения на нагрузке при двух различных значениях тока. Однако воспользоваться упрощённой формулой (2) не всегда возможно, поскольку не каждый реальный двухполюсник допускает работу в режиме короткого замыкания.

Иногда применяется следующий простой способ измерения, не требующий вычислений:

Измеряется напряжение холостого хода
В качестве нагрузки подключается переменный резистор и его сопротивление подбирается таким образом, чтобы напряжение на нём составило половину от напряжения холостого хода.

После описанных процедур сопротивление резистора нагрузки необходимо измерить омметром — оно будет равно внутреннему сопротивлению двухполюсника.

Какой бы способ измерения ни использовался, следует опасаться перегрузки двухполюсника чрезмерным током, то есть ток не должен превышать максимально допустимого значениях для данного двухполюсника.

Реактивное внутреннее сопротивление

Если эквивалентная схема двухполюсника содержит реактивные элементы — конденсаторы и/или катушки индуктивности , то расчет реактивного внутреннего сопротивления выполняется также, как и активного, но вместо сопротивлений резисторов берутся комплексные импедансы элементов, входящих в схему, а вместо напряжений и токов — их комплексные амплитуды , то есть расчет производится методом комплексных амплитуд .

Измерение реактивного внутреннего сопротивления имеет некоторые особенности, поскольку оно является комплекснозначной функцией , а не скалярным значением:

Можно искать различные параметры комплексного значения: модуль , аргумент , только вещественную или мнимую часть, а также комплексное число полностью. Соответственно, методика измерений будет зависеть от того, что хотим получить.
Любой из перечисленных параметров зависит от частоты. Теоретически, чтобы получить путем измерения полную информацию о реактивном внутреннем сопротивлении, необходимо снять зависимость от частоты, то есть провести измерения на всех частотах, которые может генерировать источник данного двухполюсника.

Применение

В большинстве случаев следует говорить не о применении внутреннего сопротивления, а об учете его негативного влияния, поскольку внутреннее сопротивление является скорее негативным эффектом. Тем не менее, в некоторых системах наличие внутреннего сопротивления с номинальным значением является просто необходимым.

Упрощение эквивалентных схем

Представление двухполюсника как совокупность генератора напряжения и внутреннего сопротивления является наиболее простой и часто используемой эквивалентной схемой двухполюсника.

Согласование источника и нагрузки

Согласование источника и нагрузки — это выбор соотношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника с целью достижения заданных свойств полученной системы (как правило, стараются достичь максимального значения какого-либо параметра для данного источника). Наиболее часто используются следующие типы согласования:

Согласование по току и мощности следует использовать с осторожностью, так как есть опасность перегрузить источник.

Понижение высоких напряжений

Иногда к источнику искусственно добавляют большое сопротивление (оно добавляется к внутреннему сопротивлению источника) для того, чтобы значительно понизить получаемое от него напряжение. Однако добавление резистора в качестве дополнительного сопротивления (так называемый гасящий резистор) ведёт к бесполезному выделению мощности на нём. Чтобы не расходовать энергию впустую, в системах переменного тока используют реактивные гасящие импедансы, чаще всего конденсаторы . Таким образом строятся конденсаторные блоки питания. Аналогично, при помощи ёмкостного отвода от высоковольтной ЛЭП можно получить небольшие напряжения для питания каких-либо автономных устройств.

Минимизация шума

При усилении слабых сигналов часто возникает задача минимизации шума, вносимого усилителем в сигнал. Для этого используются специальные малошумящие усилители , однако они спроектированы таким образом, что наименьший коэффициент шума достигается лишь в определенном диапазоне выходного сопротивления источника сигнала. Например, малошумящий усилитель обеспечивает минимальный шум только в диапазоне выходных сопротивлений источника от 1 кОм до 10 кОм; если источник сигнала обладает меньшим выходным сопротивлением (например, микрофон с выходным сопротивлением 30 Ом), то следует применить между источником и усилителем повышающий трансформатор , который повысит выходное сопротивление (а также напряжение сигнала) до необходимого значения.

Ограничения

Понятие внутреннего сопротивления вводится через эквивалентную схему, поэтому имеют силу те же ограничения , что и для применимости эквивалентных схем.

Примеры

Значения внутреннего сопротивления относительны: то, что считается малым, например, для гальванического элемента, является очень большим для мощного аккумулятора. Ниже приведены примеры двухполюсников и значения их внутреннего сопротивления r . Тривиальные случаи двухполюсников без источников оговорены особо.

Малое внутреннее сопротивление

Большое внутреннее сопротивление

Отрицательное внутреннее сопротивление

Существуют двухполюсники, внутреннее сопротивление которых имеет отрицательное значение. В обычном активном сопротивлении происходит диссипация энергии, в реактивном сопротивлении энергия запасается, а затем выделяется обратно в источник. Особенность отрицательного сопротивления в том, что оно само является источником энергии. Поэтому отрицательное сопротивление в чистом виде не встречается, оно может быть только имитировано электронной схемой, которая обязательно содержит источник энергии. Отрицательное внутреннее сопротивление может быть получено в схемах путём использования:

Системы с отрицательным сопротивлением потенциально неустойчивы и поэтому могут быть использованы для построения автогенераторов .

См. также

Ссылки

Литература

Зернов Н. В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. — М. — Л.: Энергия, 1965. — 892 с.
Джонс М. Х. Электроника — практический курс. — М.: Техносфера, 2006. — 512 с. ISBN 5-94836-086-5

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 . Политехнический терминологический толковый словарь