Radioviestintä. Sähkömotorinen voima. Virtalähteen sisäinen vastus

Johtimessa sähkövirta syntyy sähkökentän vaikutuksesta, jolloin vapaat varautuneet hiukkaset liikkuvat tiettyyn suuntaan. Hiukkasvirran tuottaminen on vakava ongelma. Sellaisen laitteen rakentaminen, joka ylläpitää kenttäpotentiaalieroa pitkään yhdessä tilassa, on tehtävä, jonka ihmiskunta pystyi ratkaisemaan vasta 1700-luvun loppuun mennessä.

Ensimmäiset yritykset

Ensimmäiset yritykset "varastoida sähköä" sen jatkotutkimusta ja käyttöä varten tehtiin Hollannissa. Saksalainen Ewald Jürgen von Kleist ja hollantilainen Pieter van Musschenbroek, jotka suorittivat tutkimustaan Leidenin kaupungissa, loivat maailman ensimmäisen kondensaattorin, jota myöhemmin kutsuttiin nimellä "Leyden jar".

Sähkövarauksen kertyminen tapahtui jo mekaanisen kitkan vaikutuksesta. Purkausta oli mahdollista käyttää johtimen kautta tietyn, melko lyhyen ajan.

Ihmismielen voitto niin lyhytaikaisesta aineesta kuin sähkö osoittautui vallankumoukselliseksi.

Valitettavasti purkaus (kondensaattorin synnyttämä sähkövirta) kesti niin lyhyen ajan, että sitä ei voitu luoda. Lisäksi kondensaattorin syöttämä jännite laskee vähitellen, mikä ei jätä mahdollisuutta vastaanottaa pitkäaikaista virtaa.

Oli pakko etsiä toinen tapa.

Ensimmäinen lähde

Italialaisen Galvanin kokeet "eläinsähköstä" olivat alkuperäinen yritys löytää luonnollinen virran lähde luonnosta. Riputtamalla leikattujen sammakoiden jalat rautaristikon metallikoukkuihin hän kiinnitti huomion hermopäätteiden ominaiseen reaktioon.

Toinen italialainen Alessandro Volta kuitenkin kumosi Galvanin johtopäätökset. Kiinnostunut mahdollisuudesta saada sähköä eläinorganismeista, hän suoritti sarjan kokeita sammakoiden kanssa. Mutta hänen johtopäätöksensä osoittautui täysin päinvastaiseksi kuin aikaisemmat hypoteesit.

Volta huomasi, että elävä organismi on vain merkki sähköpurkauksesta. Kun virta kulkee, tassujen lihakset supistuvat, mikä osoittaa potentiaalieron. Sähkökentän lähteeksi osoittautui erilaisten metallien kosketus. Mitä kauempana ne ovat kemiallisten alkuaineiden sarjassa, sitä merkittävämpi vaikutus on.

Erilaisista metalleista valmistetut levyt, jotka oli vuorattu elektrolyyttiliuokseen kastetuilla paperilevyillä, loivat tarvittavan potentiaalieron pitkäksi aikaa. Ja vaikka se oli alhainen (1,1 V), sähkövirtaa voitiin tutkia pitkään. Pääasia, että jännitys pysyi ennallaan yhtä kauan.

Mitä tapahtuu

Miksi tämä vaikutus ilmenee lähteissä, joita kutsutaan "galvaanisoluiksi"?

Kahdella metallielektrodilla, jotka on sijoitettu eristeeseen, on eri rooli. Toinen toimittaa elektroneja, toinen ottaa ne vastaan. Redox-reaktioprosessi johtaa elektronien ylimäärän ilmestymiseen yhdellä elektrodilla, jota kutsutaan negatiiviseksi napaksi, ja puutteeseen toisessa, jota nimitämme lähteen positiiviseksi napaksi.

Yksinkertaisimmissa galvaanisissa kennoissa toisella elektrodilla tapahtuu hapettumisreaktioita ja toisella pelkistysreaktioita. Elektronit tulevat elektrodeille piirin ulkoosasta. Elektrolyytti on ionivirran johdin lähteen sisällä. Vastusvoima säätelee prosessin kestoa.

Kupari-sinkki elementti

On mielenkiintoista pohtia galvaanisten kennojen toimintaperiaatetta kupari-sinkki galvaanisen kennon esimerkillä, jonka toiminta tulee sinkin ja kuparisulfaatin energiasta. Tässä lähteessä kuparilevy asetetaan liuokseen ja sinkkielektrodi upotetaan sinkkisulfaattiliuokseen. Liuokset erotetaan huokoisella välilevyllä sekoittumisen välttämiseksi, mutta niiden on jouduttava kosketuksiin.

Jos piiri on suljettu, sinkin pintakerros hapettuu. Vuorovaikutuksessa nesteen kanssa liuokseen ilmestyy sinkkiatomeja, jotka muuttuvat ioneiksi. Elektrodilla vapautuu elektroneja, jotka voivat osallistua virran muodostukseen.

Kun elektronit ovat joutuneet kuparielektrodille, ne osallistuvat pelkistysreaktioon. Kupari-ionit tulevat liuoksesta pintakerrokseen pelkistysprosessin aikana, ne muuttuvat kupariatomeiksi ja laskeutuvat kuparilevylle.

Tehdään yhteenveto siitä, mitä tapahtuu: galvaanisen kennon toimintaprosessiin liittyy elektronien siirtyminen pelkistimestä hapettavaan aineeseen piirin ulkopuolista osaa pitkin. Reaktiot tapahtuvat molemmilla elektrodeilla. Ionivirta kulkee lähteen sisällä.

Käytön vaikeus

Periaatteessa mitä tahansa mahdollisista redox-reaktioista voidaan käyttää akuissa. Mutta ei ole niin paljon aineita, jotka pystyvät toimimaan teknisesti arvokkaissa elementeissä. Lisäksi monet reaktiot vaativat kalliita aineita.

Nykyaikaisilla akuilla on yksinkertaisempi rakenne. Kaksi yhteen elektrolyyttiin sijoitettua elektrodia täyttävät astian - akun rungon. Tällaiset suunnitteluominaisuudet yksinkertaistavat rakennetta ja vähentävät akkujen kustannuksia.

Mikä tahansa galvaaninen kenno pystyy tuottamaan tasavirtaa.

Virtaresistanssi ei salli kaikkien ionien ilmestymistä samanaikaisesti elektrodeille, joten elementti toimii pitkään. Ioninmuodostuksen kemialliset reaktiot pysähtyvät ennemmin tai myöhemmin ja alkuaine purkautuu.

Nykyinen lähde on erittäin tärkeä.

Hieman vastustusta

Sähkövirran käyttö toi epäilemättä tieteen ja teknologian kehityksen uudelle tasolle ja antoi sille jättimäisen sysäyksen. Mutta virran virtauksen vastustusvoima estää tällaisen kehityksen.

Toisaalta sähkövirralla on arvokkaita arjessa ja tekniikassa käytettyjä ominaisuuksia, toisaalta siinä on merkittävä vastus. Fysiikka luonnontieteenä yrittää tasapainottaa ja saattaa nämä olosuhteet linjaan.

Virtavastus syntyy sähköisesti varautuneiden hiukkasten vuorovaikutuksesta sen aineen kanssa, jonka läpi ne liikkuvat. Tätä prosessia on mahdotonta sulkea pois normaaleissa lämpötilaolosuhteissa.

Resistanssi

Virtalähteellä ja piirin ulkoosan resistanssilla on hieman erilainen luonne, mutta sama näissä prosesseissa on varauksen siirtämiseen tehtävä työ.

Itse työ riippuu vain lähteen ja sen täytön ominaisuuksista: elektrodien ja elektrolyytin ominaisuuksista sekä piirin ulkoisista osista, joiden vastus riippuu materiaalin geometrisista parametreista ja kemiallisista ominaisuuksista. Esimerkiksi metallilangan vastus kasvaa sen pituuden myötä ja pienenee poikkileikkausalan kasvaessa. Kun ratkaistaan vastuksen vähentämisongelma, fysiikka suosittelee erikoismateriaalien käyttöä.

Tämänhetkinen työ

Joule-Lenzin lain mukaan johtimissa vapautuu resistanssiin verrannollinen määrä lämpöä. Jos lämmön määrää merkitään Q int. , virran voimakkuus I, sen virtausaika t, niin saadaan:

Q sisäinen = I 2 r t,

missä r on virtalähteen sisäinen vastus.

Koko ketjussa, mukaan lukien sen sisäiset ja ulkoiset osat, vapautuu kokonaislämmön määrä, jonka kaava on:

Q yhteensä = I 2 r t + I 2 R t = I 2 (r + R) t,

Fysiikassa tiedetään, kuinka vastus ilmaistaan: ulkoisella piirillä (kaikki elementit paitsi lähde) on vastus R.

Ohmin laki täydelliselle piirille

Otetaan huomioon, että päätyön suorittavat ulkoiset voimat virtalähteen sisällä. Sen arvo on yhtä suuri kuin kentän siirtämän varauksen ja lähteen sähkömotorisen voiman tulo:

q · E = I 2 · (r + R) · t.

Ymmärtämällä, että varaus on yhtä suuri kuin virran voimakkuuden ja sen virtausajan tulo, meillä on:

E = I (r + R).

Syy-seuraus-suhteiden mukaisesti Ohmin lailla on muoto:

I = E: (r + R).

Suljetussa piirissä virtalähteen EMF on suoraan verrannollinen ja kääntäen verrannollinen piirin kokonais (isku)resistanssiin.

Tämän mallin perusteella on mahdollista määrittää virtalähteen sisäinen vastus.

Lähteen purkauskapasiteetti

Lähteiden pääominaisuuksia ovat purkauskapasiteetti. Käytön aikana saatava enimmäissähkön määrä tietyissä olosuhteissa riippuu purkausvirran voimakkuudesta.

Ihannetapauksessa, kun tehdään tiettyjä likiarvoja, purkauskapasiteettia voidaan pitää vakiona.

Esimerkiksi tavallisen akun, jonka potentiaaliero on 1,5 V, purkauskapasiteetti on 0,5 Ah. Jos purkausvirta on 100 mA, se toimii 5 tuntia.

Akkujen latausmenetelmät

Paristojen käyttö tyhjentää ne. pienikokoisten elementtien lataus suoritetaan virralla, jonka voimakkuus ei ylitä kymmenesosaa lähdekapasiteetista.

Seuraavat lataustavat ovat käytettävissä:

käyttämällä vakiovirtaa tietyn ajan (noin 16 tuntia 0,1 akun kapasiteetin virralla);
lataus pienenevällä virralla tiettyyn potentiaalieroon;
epäsymmetristen virtojen käyttö;
lyhyiden lataus- ja purkupulssien peräkkäinen käyttö, jossa ensimmäisen aika ylittää toisen ajan.

Käytännön työ

Tehtävää ehdotetaan: määritä virtalähteen sisäinen resistanssi ja emf.

Suorittaaksesi sen, sinun on varastoitava virtalähde, ampeerimittari, volttimittari, liukusäädinreostaatti, avain ja joukko johtimia.

Käytön avulla voit määrittää virtalähteen sisäisen vastuksen. Tätä varten sinun on tiedettävä sen EMF ja reostaatin vastuksen arvo.

Virtaresistanssin laskentakaava piirin ulkoisessa osassa voidaan määrittää Ohmin laista piiriosalle:

I=U:R,

missä I on virranvoimakkuus piirin ulkoisessa osassa ampeerimittarilla mitattuna; U on jännite ulkoisen vastuksen yli.

Tarkkuuden lisäämiseksi mittaukset tehdään vähintään 5 kertaa. Mitä varten se on? Kokeen aikana mitattua jännitettä, vastusta, virtaa (tai pikemminkin virran voimakkuutta) käytetään edelleen.

Virtalähteen EMF:n määrittämiseksi hyödynnämme sitä tosiasiaa, että sen liittimien jännite kytkimen ollessa auki on melkein yhtä suuri kuin EMF.

Kootaanpa piiri akusta, reostaatista, ampeerimittarista ja sarjaan kytketystä avaimesta. Kytkemme volttimittarin virtalähteen liittimiin. Avattuamme avaimen otamme sen lukemat.

Sisäinen vastus, jonka kaava saadaan Ohmin laista täydelliselle piirille, määritetään matemaattisilla laskelmilla:

I = E: (r + R).
r = E: I - U: I.

Mittaukset osoittavat, että sisäinen vastus on huomattavasti pienempi kuin ulkoinen.

Akkujen ja paristojen käytännön toimintoja käytetään laajalti. Sähkömoottoreiden kiistaton ympäristöturvallisuus on kiistaton, mutta tilavan, ergonomisen akun luominen on modernin fysiikan ongelma. Sen ratkaisu johtaa uuteen autoteknologian kehityskierrokseen.

Pienet, kevyet, suuren kapasiteetin ladattavat akut ovat myös välttämättömiä mobiililaitteissa. Niissä käytetyn energian määrä riippuu suoraan laitteiden suorituskyvystä.

Johtimen ja siten virran päissä tarvitaan ei-sähköisiä ulkoisia voimia, joiden avulla sähkövaraukset erottuvat.

Ulkopuolisten voimien toimesta ovat mitä tahansa voimia, jotka vaikuttavat sähköisesti varautuneisiin hiukkasiin piirissä, lukuun ottamatta sähköstaattisia voimia (eli Coulomb).

Kolmannen osapuolen voimat saavat liikkeelle varautuneita hiukkasia kaikissa virtalähteissä: generaattoreissa, voimalaitoksissa, galvaanikennoissa, akuissa jne.

Kun piiri on suljettu, kaikkiin piirin johtimiin syntyy sähkökenttä. Virtalähteen sisällä varaukset liikkuvat ulkoisten voimien vaikutuksesta Coulombin voimia vastaan (elektronit siirtyvät positiivisesti varautuneesta elektrodista negatiiviseen), ja koko muualla piirissä niitä ohjaa sähkökenttä (katso kuva yllä).

Virtalähteissä varautuneiden hiukkasten erotteluprosessissa erityyppiset energiat muunnetaan sähköenergiaksi. Muunnetun energian tyypin perusteella erotetaan seuraavat sähkömotoriset voimatyypit:

- sähköstaattinen- elektroforikoneessa, jossa mekaaninen energia muunnetaan sähköenergiaksi kitkan avulla;

-termosähköinen- lämpöelementissä - kahden eri metalleista valmistetun johtimen lämmitetyn liitoksen sisäinen energia muunnetaan sähköenergiaksi;

- aurinkosähkö- valokennossa. Tässä tapahtuu valoenergian muuntuminen sähköenergiaksi: kun tiettyjä aineita valaistaan, esimerkiksi seleeniä, kupari(I)oksidia, piitä, havaitaan negatiivisen sähkövarauksen häviäminen;

-kemiallinen- galvaanisissa kennoissa, akuissa ja muissa lähteissä, joissa kemiallinen energia muunnetaan sähköenergiaksi.

Sähkömotorinen voima (EMF)- virtalähteiden ominaisuudet. EMF-käsitteen esitteli G. Ohm vuonna 1827 tasavirtapiireille. Vuonna 1857 Kirchhoff määritteli EMF:n ulkoisten voimien työksi yksikkösähkövarauksen siirron aikana suljettua piiriä pitkin:

ɛ = A st /q,

Missä ɛ — nykyisen lähteen EMF, A st- ulkopuolisten voimien työ, q- siirretyn maksun määrä.

Sähkömoottorivoima ilmaistaan voltteina.

Voimme puhua sähkömoottorivoimasta missä tahansa piirin osassa. Tämä on ulkoisten voimien erityistyö (työ yhden latauksen siirtämiseksi) ei koko piirissä, vaan vain tietyllä alueella.

Virtalähteen sisäinen vastus.

Olkoon yksinkertainen suljettu piiri, joka koostuu virtalähteestä (esim. galvaaninen kenno, akku tai generaattori) ja vastuksesta, jossa on vastus R. Suljetun piirin virta ei katkea missään, joten se on olemassa myös virtalähteen sisällä. Mikä tahansa lähde edustaa jonkin verran vastusta virralle. Sitä kutsutaan virtalähteen sisäinen vastus ja se on merkitty kirjaimella r.

Generaattorissa r- tämä on käämitysvastus galvaanisessa kennossa - elektrolyyttiliuoksen ja elektrodien vastus.

Siten virtalähteelle on ominaista EMF-arvot ja sisäinen vastus, jotka määrittävät sen laadun. Esimerkiksi sähköstaattisilla koneilla on erittäin korkea EMF (jopa kymmeniä tuhansia voltteja), mutta samalla niiden sisäinen vastus on valtava (jopa satoja megaohmeja). Siksi ne eivät sovellu suurten virtojen tuottamiseen. Galvaanisten kennojen EMF on vain noin 1 V, mutta myös sisäinen vastus on pieni (noin 1 ohm tai vähemmän). Tämä antaa heille mahdollisuuden saada virrat mitattuna ampeereina.

Tarve ottaa termi käyttöön voidaan havainnollistaa seuraavalla esimerkillä. Verrataan kahta kemiallista tasajännitelähdettä, joilla on sama jännite:

Auton lyijyakku, jonka jännite on 12 volttia ja kapasiteetti 55 Ah
Kahdeksan sarjaan kytkettyä AA-paristoa. Tällaisen akun kokonaisjännite on myös 12 volttia, kapasiteetti on paljon pienempi - noin 1 Ah

Samasta jännitteestä huolimatta nämä lähteet eroavat toisistaan huomattavasti, kun ne toimivat samalla kuormalla. Siten auton akku pystyy syöttämään suuren virran kuormaan (auton moottori käynnistyy akusta, kun taas käynnistin kuluttaa 250 ampeerin virtaa), mutta käynnistin ei pyöri ollenkaan akkuketjusta. Akkujen suhteellisen pieni kapasiteetti ei ole syynä: yksi ampeeritunti akuissa riittäisi pyörittämään käynnistintä 14 sekuntia (250 ampeerin virralla).

Siten lähteitä (eli jännitegeneraattoreita ja virtageneraattoreita) sisältävien kahden pääteverkon osalta on tarpeen puhua erityisesti sisäinen vastus (tai impedanssi). Jos kahden päätelaitteen verkko ei sisällä lähteitä, " sisäinen vastus" sellaiselle kaksipääteiselle verkolle tarkoittaa samaa kuin Vain"vastus".

Aiheeseen liittyvät termit

Jos jossakin järjestelmässä on mahdollista erottaa tulo ja/tai lähtö, käytetään usein seuraavia termejä:

Fyysiset periaatteet

Huolimatta siitä, että vastaavassa piirissä sisäinen vastus esitetään yhtenä passiivielementtinä (ja aktiivinen resistanssi eli vastus on siinä välttämättä läsnä), sisäinen resistanssi ei ole keskittynyt mihinkään yhteen elementtiin. Kahden päätelaitteen verkko vain ulkoisesti käyttäytyy ikään kuin sillä olisi keskitetty sisäinen impedanssi ja jännitegeneraattori. Todellisuudessa sisäinen vastus on ulkoinen ilmentymä joukosta fyysisiä vaikutuksia:

Jos kahden terminaalin verkossa on vain energian lähde ilman sähköpiiriä (esimerkiksi galvaaninen kenno), silloin sisäinen vastus on lähes puhtaasti aktiivinen (ellei puhuta erittäin korkeista taajuuksista), se johtuu fyysisistä vaikutuksista, jotka eivät salli tämän lähteen toimittamaa tehoa kuormitus ylittää tietyn rajan. Yksinkertaisin esimerkki tällaisesta vaikutuksesta on sähköpiirin johtimien nollasta poikkeava resistanssi. Mutta yleensä suurin vaikutus tehonrajoitukseen tulee vaikutuksista ei-sähköinen luonto. Joten esimerkiksi tehossa sitä voidaan rajoittaa reaktioon osallistuvien aineiden kosketuspinta-alalla, vesivoimalan generaattorissa - rajoitetulla vedenpaineella jne.
Jos kyseessä on kahden terminaalin verkko, joka sisältää sisällä sähkökaavio, sisäinen vastus on "hajallaan" piirielementeissä (yllä lähteessä lueteltujen mekanismien lisäksi).

Tämä tarkoittaa myös joitain sisäisen vastuksen ominaisuuksia:

Sisäisen vastuksen vaikutus kaksipääteverkon ominaisuuksiin

Sisäisen vastuksen vaikutus on minkä tahansa aktiivisen kaksipääteverkon olennainen ominaisuus. Sisäisen vastuksen olemassaolon pääasiallinen tulos on rajoittaa sähkötehoa, joka voidaan saada tästä kaksinapaisesta verkosta syötetyssä kuormassa.

Olkoon kahden terminaalin verkko, joka voidaan kuvata yllä olevalla vastaavalla piirillä. Kahden päätelaitteen verkossa on kaksi tuntematonta parametria, jotka on löydettävä:

EMF-jännitegeneraattori U
Sisäinen vastus r

Yleensä kahden tuntemattoman määrittämiseksi on tarpeen tehdä kaksi mittausta: mitata jännite kaksinapaisen verkon lähdössä (eli potentiaaliero U out = φ 2 − φ 1) kahdella eri kuormitusvirralla. Sitten tuntemattomat parametrit löytyvät yhtälöjärjestelmästä:

(jännitteet)

Missä U ulos 1 minä 1, Uout2- lähtöjännite virralla minä 2. Ratkaisemalla yhtälöjärjestelmän löydämme tuntemattomia tuntemattomia:

Tyypillisesti sisäisen resistanssin laskemiseen käytetään yksinkertaisempaa tekniikkaa: löydetään kaksinapaisen verkon jännite tyhjäkäynnissä ja virta oikosulkutilassa. Tässä tapauksessa järjestelmä () kirjoitetaan seuraavasti:

Missä U oc- lähtöjännite lepotilassa (eng. avoin rata), eli nollakuormitusvirralla; Minä sc- kuormitusvirta oikosulkutilassa (eng. oikosulku), eli nollavastuksen alaisena. Tässä otetaan huomioon, että lähtövirta kuormittamattomassa tilassa ja lähtöjännite oikosulkutilassa ovat nolla. Viimeisistä yhtälöistä saamme heti:

(Sisäinen vastus)

Mittaus

Konsepti mittaus soveltuu todelliseen laitteeseen (mutta ei piiriin). Suora mittaus ohmimittarilla on mahdotonta, koska laitteen antureita on mahdotonta kytkeä sisäisiin vastusliittimiin. Siksi epäsuora mittaus on välttämätön, mikä ei pohjimmiltaan eroa laskennasta - kuorman ylittävät jännitteet vaaditaan myös kahdella eri virta-arvolla. Aina ei kuitenkaan ole mahdollista käyttää yksinkertaistettua kaavaa (2), koska jokainen todellinen kaksipääteverkko ei salli toimintaa oikosulkutilassa.

Joskus käytetään seuraavaa yksinkertaista mittausmenetelmää, joka ei vaadi laskelmia:

Avoimen piirin jännite mitataan
Muuttuva vastus kytketään kuormitukseksi ja sen resistanssi valitaan siten, että sen jännite on puolet avoimen piirin jännitteestä.

Kuvattujen toimenpiteiden jälkeen kuormitusvastuksen resistanssi on mitattava ohmimittarilla - se on yhtä suuri kuin kaksinapaisen verkon sisäinen vastus.

Mitä tahansa mittausmenetelmää käytetäänkin, tulee olla varovainen ylikuormittamasta kaksipääteverkkoa liiallisella virralla, eli virta ei saa ylittää tietyn kaksipääteverkon suurinta sallittua arvoa.

Reaktiivinen sisäinen vastus

Jos kaksinapaisen verkon vastaava piiri sisältää reaktiivisia elementtejä - kondensaattoreita ja/tai induktoreja, niin laskeminen Reaktiivinen sisäinen vastus suoritetaan samalla tavalla kuin aktiivinen vastus, mutta vastuksen vastusten sijasta otetaan piiriin kuuluvien elementtien kompleksiset impedanssit ja jännitteiden ja virtojen sijasta otetaan niiden kompleksiset amplitudit, eli laskenta suoritetaan kompleksiamplitudimenetelmällä.

Mittaus reaktanssilla on joitain erityispiirteitä, koska se on kompleksiarvoinen funktio skalaariarvon sijaan:

Voit etsiä erilaisia kompleksiarvon parametreja: moduulia, argumenttia, vain reaali- tai imaginaariosaa sekä koko kompleksilukua. Näin ollen mittaustekniikka riippuu siitä, mitä haluamme saada.
Mikä tahansa luetelluista parametreista riippuu taajuudesta. Teoriassa täydellisen tiedon saamiseksi sisäisestä reaktiivisesta resistanssista mittaamalla on poistettava riippuvuus taajuudella, eli suorita mittaukset klo kaikille taajuudet, jotka tietyn kahden pääteverkon lähde voi tuottaa.

Sovellus

Useimmissa tapauksissa meidän ei pitäisi puhua sovellus sisäinen vastus ja noin kirjanpito sen negatiivinen vaikutus, koska sisäinen vastus on pikemminkin negatiivinen vaikutus. Joissakin järjestelmissä nimellinen sisäinen vastus on kuitenkin välttämätön.

Vastaavien piirien yksinkertaistaminen

Kaksipääteverkon esitys jännitegeneraattorin ja sisäisen resistanssin yhdistelmänä on yksinkertaisin ja useimmin käytetty kaksipääteverkon ekvivalenttipiiri.

Lähde-kuorma-vastaavuus

Lähteen ja kuorman yhteensovittaminen on kuormitusvastuksen ja lähteen sisäisen vastuksen suhteen valinta tuloksena olevan järjestelmän määritettyjen ominaisuuksien saavuttamiseksi (yleensä ne yrittävät saavuttaa minkä tahansa parametrin maksimiarvon annettu lähde). Yleisimmin käytetyt sovitustyypit ovat:

Virran ja tehon sovitusta tulee käyttää varoen, koska on olemassa vaara, että lähde ylikuormitetaan.

Korkean jännitteen alennus

Joskus lähteeseen lisätään keinotekoisesti suuri vastus (se lisätään lähteen sisäiseen resistanssiin), jotta siitä saatavaa jännitettä voidaan merkittävästi vähentää. Kuitenkin vastuksen lisääminen lisävastuksena (ns. sammutusvastus) johtaa siihen, että sille varataan turhaa tehoa. Energian tuhlaamisen välttämiseksi AC-järjestelmät käyttävät reaktiivisia vaimennusimpedansseja, useimmiten kondensaattoreita. Näin rakennetaan kondensaattorin virtalähteet. Vastaavasti käyttämällä kapasitiivista liitäntää suurjännitelinjasta voit saada pieniä jännitteitä minkä tahansa autonomisen laitteen virransyöttöön.

Melun minimoiminen

Heikkoja signaaleja vahvistettaessa syntyy usein tehtävänä minimoida vahvistimen signaaliin tuoma kohina. Tätä tarkoitusta varten erityinen matalakohinaiset vahvistimet Ne on kuitenkin suunniteltu siten, että pienin kohinaluku saavutetaan vain signaalilähteen lähtöimpedanssin tietyllä alueella. Esimerkiksi pienikohinainen vahvistin tuottaa minimaalisen melun vain lähteen lähtöimpedanssialueella 1 kΩ - 10 kΩ; jos signaalilähteellä on pienempi lähtöimpedanssi (esimerkiksi mikrofoni, jonka lähtöimpedanssi on 30 ohmia), lähteen ja vahvistimen välillä tulisi käyttää porrasmuuntajaa, joka lisää lähtöimpedanssia (sekä signaalin jännite) vaadittuun arvoon.

Rajoitukset

Sisäisen vastuksen käsite otetaan käyttöön ekvivalenttipiirin kautta, joten samat rajoitukset ovat voimassa kuin vastaavien piirien sovellettavuus.

Esimerkkejä

Sisäiset vastusarvot ovat suhteellisia: se, mitä pidetään pienenä esimerkiksi galvaanisen kennon tapauksessa, on erittäin suuri tehokkaalle akulle. Alla on esimerkkejä kahden terminaalin verkoista ja niiden sisäisen vastuksen arvoista r. Triviaaleja kahden pääteverkon tapauksia ei lähteitä on erikseen mainittu.

Matala sisäinen vastus

Korkea sisäinen vastus

Negatiivinen sisäinen vastus

On olemassa kaksipääteverkkoja, joiden sisäinen vastus on negatiivinen merkitys. Normaalissa aktiivinen vastus, energiahäviö tapahtuu, sisään reaktiivinen Resistanssissa energia varastoidaan ja vapautetaan sitten takaisin lähteeseen. Negatiivisen vastuksen erikoisuus on, että se itsessään on energian lähde. Siksi negatiivista vastusta ei esiinny puhtaassa muodossaan, se voidaan simuloida vain elektronisella piirillä, joka sisältää välttämättä energialähteen. Negatiivinen sisäinen vastus voidaan saavuttaa piireissä käyttämällä:

elementtejä, joilla on negatiivinen differentiaalivastus, kuten tunnelidiodit

Negatiivisen vastuksen omaavat järjestelmät ovat mahdollisesti epävakaita ja siksi niitä voidaan käyttää itseoskillaattorien rakentamiseen.

Katso myös

Linkit

Kirjallisuus

Zernov N.V., Karpov V.G. Radiotekniikan piirien teoria. - M. - L.: Energia, 1965. - 892 s.
Jones M.H. Elektroniikka - käytännön kurssi. - M.: Teknosfääri, 2006. - 512 s. ISBN 5-94836-086-5

Huomautuksia

Wikimedia Foundation. 2010.

Ammattikorkeakoulun terminologinen selittävä sanakirja

Kaksipääteverkko ja sitä vastaava piiri

Kaksinapaisen verkon sisäinen resistanssi on impedanssi kaksinapaisen verkon vastaavassa piirissä, joka koostuu jännitegeneraattorista ja sarjaan kytketystä impedanssista (katso kuva). Konseptia käytetään piiriteoriassa, kun todellinen lähde korvataan ideaalisilla elementeillä, eli siirrytään vastaavaan piiriin.

Johdanto

Katsotaanpa esimerkkiä. Henkilöautossa emme saa virtaa junaverkkoon tavallisesta lyijyakusta, jonka jännite on 12 volttia ja kapasiteetti 55 Ah, vaan kahdeksasta sarjaan kytketystä akusta (esim. AA-kokoinen, kapasiteetti noin 1 Ah). Yritetään käynnistää moottori. Kokemus osoittaa, että akkukäyttöisenä käynnistysakseli ei käänny yhtään astetta. Lisäksi edes solenoidirele ei toimi.

On intuitiivisesti selvää, että akku "ei ole tarpeeksi tehokas" tällaiseen sovellukseen, mutta sen ilmoitettujen sähköisten ominaisuuksien - jännitteen ja varauksen (kapasiteetti) - huomioon ottaminen ei anna kvantitatiivista kuvausta tästä ilmiöstä. Jännite on sama molemmissa tapauksissa:

Akku: 12 volttia

Galvaaniset kennot: 8·1,5 volttia = 12 volttia

Kapasiteetti on myös varsin riittävä: yksi ampeeritunti akussa riittää pyörittämään käynnistintä 14 sekuntia (250 ampeerin virralla).

Vaikuttaa siltä, että Ohmin lain mukaan virran tulisi olla samassa kuormassa sähköisesti identtisillä lähteillä. Todellisuudessa tämä ei kuitenkaan ole täysin totta. Lähteet käyttäytyisivät samalla tavalla, jos ne olisivat ihanteellisia jännitegeneraattoreita. Todellisten lähteiden ja ideaaligeneraattoreiden välisen eron kuvaamiseen käytetään sisäisen vastuksen käsitettä.

Vastus ja sisäinen vastus

Kaksinapaisen verkon pääominaisuus on sen vastus (tai impedanssi). Aina ei kuitenkaan ole mahdollista luonnehtia kahden terminaalin verkkoa pelkällä resistanssilla. Tosiasia on, että termiä resistanssi voidaan soveltaa vain puhtaasti passiivisiin elementteihin, eli niihin, jotka eivät sisällä energialähteitä. Jos kaksinapainen verkko sisältää energialähteen, niin "resistanssin" käsite ei yksinkertaisesti sovellu siihen, koska Ohmin laki formulaatiossa U=Ir ei täyty.

Siten lähteitä (eli jännitegeneraattoreita ja virtageneraattoreita) sisältävissä kaksipääteverkoissa on tarpeen puhua erityisesti sisäisestä resistanssista (tai impedanssista). Jos kahden päätelaitteen verkko ei sisällä lähteitä, niin "sisäinen vastus" tarkoittaa tällaiselle kaksipääteiselle verkolle samaa kuin pelkkä "vastus".

Aiheeseen liittyvät termit

Jos jossakin järjestelmässä on mahdollista erottaa tulo ja/tai lähtö, käytetään usein seuraavia termejä:

Tuloresistanssi on kahden terminaalin verkon sisäinen vastus, joka on järjestelmän tulo.

Lähtöresistanssi on kahden terminaalin verkon sisäinen resistanssi, joka on järjestelmän lähtö.

Fyysiset periaatteet

Huolimatta siitä, että vastaavassa piirissä sisäinen vastus esitetään yhtenä passiivielementtinä (ja aktiivinen resistanssi eli vastus on siinä välttämättä läsnä), sisäinen resistanssi ei ole keskittynyt mihinkään yhteen elementtiin. Kaksinapainen verkko käyttäytyy vain ulkoisesti ikään kuin siinä olisi keskitetty sisäinen impedanssi ja jännitegeneraattori. Todellisuudessa sisäinen vastus on ulkoinen ilmentymä joukosta fyysisiä vaikutuksia:

Jos kaksinapaisessa verkossa on vain energialähde ilman sähköpiiriä (esimerkiksi galvaaninen kenno), sisäinen vastus on puhtaasti aktiivinen, se johtuu fyysisistä vaikutuksista, jotka eivät salli tämän lähteen syöttämää tehoa kuorma ylittää tietyn rajan. Yksinkertaisin esimerkki tällaisesta vaikutuksesta on sähköpiirin johtimien nollasta poikkeava resistanssi. Mutta yleensä suurin vaikutus tehonrajoitukseen tulee ei-sähköisistä vaikutuksista. Joten esimerkiksi kemiallisessa lähteessä tehoa voidaan rajoittaa reaktioon osallistuvien aineiden kosketuspinta-alalla, vesisähkögeneraattorissa - rajoitetulla vedenpaineella jne.

Kun kyseessä on kaksinapainen verkko, joka sisältää sähköpiirin sisällä, sisäinen vastus "hajaantuu" piirielementteihin (yllä lähteessä lueteltujen mekanismien lisäksi).

Tämä tarkoittaa myös joitain sisäisen vastuksen ominaisuuksia:

Kahden pääteverkon sisäistä vastusta ei voi poistaa

Sisäinen vastus ei ole vakaa arvo: se voi muuttua ulkoisten olosuhteiden muuttuessa.

Sisäisen vastuksen vaikutus kaksipääteverkon ominaisuuksiin

Sisäisen vastuksen vaikutus on minkä tahansa kahden terminaalisen verkon olennainen ominaisuus. Sisäisen vastuksen olemassaolon pääasiallinen tulos on rajoittaa sähkötehoa, joka voidaan saada tästä kaksinapaisesta verkosta syötetyssä kuormassa.

Jos kuorma, jonka resistanssi on R, kytketään lähteeseen, jossa on jännitegeneraattorin E emf ja aktiivinen sisäinen vastus r, kuorman virta, jännite ja teho ilmaistaan seuraavasti.

Laskeminen

Laskennan käsite koskee piiriä (mutta ei todellista laitetta). Laskelma on annettu puhtaasti aktiivisen sisäisen resistanssin tapauksessa (reaktanssierot käsitellään alla).

Olkoon kahden terminaalin verkko, joka voidaan kuvata yllä olevalla vastaavalla piirillä. Kahden päätelaitteen verkossa on kaksi tuntematonta parametria, jotka on löydettävä:

EMF-jännitegeneraattori U

Sisäinen vastus r

Yleensä kahden tuntemattoman määrittämiseksi on tarpeen tehdä kaksi mittausta: mitata kaksinapaisen verkon lähdön jännite (eli potentiaaliero Uout = φ2 − φ1) kahdella eri kuormavirralla. Sitten tuntemattomat parametrit löytyvät yhtälöjärjestelmästä:

missä Uout1 on lähtöjännite virralla I1, Uout2 on lähtöjännite virralla I2. Ratkaisemalla yhtälöjärjestelmän löydämme tuntemattomia tuntemattomia:

missä Uoc on lähtöjännite avoimen piirin tilassa, eli nollakuormitusvirralla; Isc - kuormitusvirta oikosulkutilassa, eli kuormalla, jolla on nollavastus. Tässä otetaan huomioon, että lähtövirta kuormittamattomassa tilassa ja lähtöjännite oikosulkutilassa ovat nolla. Viimeisistä yhtälöistä saamme heti:

Mittaus

Mittauksen käsite koskee todellista laitetta (mutta ei piiriä). Suora mittaus ohmimittarilla on mahdotonta, koska laitteen antureita on mahdotonta kytkeä sisäisiin vastusliittimiin. Siksi tarvitaan epäsuora mittaus, joka ei pohjimmiltaan eroa laskennasta - kuorman yli vaaditaan myös jännitteitä kahdella eri virta-arvolla. Aina ei kuitenkaan ole mahdollista käyttää yksinkertaistettua kaavaa (2), koska jokainen todellinen kaksipääteverkko ei salli toimintaa oikosulkutilassa.

Usein käytetään seuraavaa yksinkertaista mittausmenetelmää, joka ei vaadi laskelmia:

Avoimen piirin jännite mitataan

Muuttuva vastus kytketään kuormitukseksi ja sen resistanssi valitaan siten, että sen jännite on puolet avoimen piirin jännitteestä.

Kuvattujen toimenpiteiden jälkeen kuormitusvastuksen resistanssi on mitattava ohmimittarilla - se on yhtä suuri kuin kaksinapaisen verkon sisäinen vastus.

Reaktiivinen sisäinen vastus

Jos kaksinapaisen verkon ekvivalenttipiiri sisältää reaktiivisia elementtejä - kondensaattoreita ja/tai induktoreja, niin reaktiivisen sisäisen resistanssin laskenta suoritetaan samalla tavalla kuin aktiivinen, mutta vastusten vastusten sijaan kompleksiimpedanssit piiriin kuuluvista elementeistä otetaan, ja jännitteiden ja virtojen sijasta otetaan niiden kompleksiamplitudit, eli laskenta suoritetaan kompleksiamplitudimenetelmällä.

Sisäisellä reaktanssimittauksella on joitain erityispiirteitä, koska se on kompleksiarvoinen funktio skalaariarvon sijaan:

Voit etsiä erilaisia kompleksiarvon parametreja: moduulia, argumenttia, vain reaali- tai imaginaariosaa sekä koko kompleksilukua. Näin ollen mittaustekniikka riippuu siitä, mitä haluamme saada.

8.5 Virran lämpövaikutus

8.5.1. Nykyinen lähdevirta

Virtalähteen kokonaisteho:

P yhteensä = P hyödyllinen + P häviö,

missä P hyödyllinen - hyötyteho, P hyödyllinen = I 2 R; P-häviöt - tehohäviöt, P-häviöt = I 2 r; I - virran voimakkuus piirissä; R - kuormitusvastus (ulkoinen piiri); r on virtalähteen sisäinen vastus.

Kokonaisteho voidaan laskea jollakin kolmesta kaavasta:

P täynnä = I 2 (R + r), P täynnä = ℰ 2 R + r, P täynnä = I ℰ,

missä ℰ on virtalähteen sähkömotorinen voima (EMF).

Nettoteho- tämä on teho, joka vapautuu ulkoisessa piirissä, ts. kuormalla (vastus), ja sitä voidaan käyttää joihinkin tarkoituksiin.

Nettoteho voidaan laskea jollakin kolmesta kaavasta:

P hyödyllinen = I 2 R, P hyödyllinen = U 2 R, P hyödyllinen = IU,

missä I on virran voimakkuus piirissä; U on jännite virtalähteen navoissa (liittimissä); R - kuormitusvastus (ulkoinen piiri).

Tehohäviö on teho, joka vapautuu virtalähteestä, ts. sisäisessä piirissä, ja se käytetään itse lähteessä tapahtuviin prosesseihin; Tehohäviötä ei voi käyttää muihin tarkoituksiin.

Tehohäviö lasketaan yleensä kaavalla

P-häviöt = I 2 r,

missä I on virran voimakkuus piirissä; r on virtalähteen sisäinen resistanssi.

Oikosulun aikana hyötyteho menee nollaan

P hyödyllinen = 0,

koska kuormitusvastusta ei ole oikosulun sattuessa: R = 0.

Kokonaisteho lähteen oikosulun aikana on sama kuin häviöteho ja se lasketaan kaavalla

P täynnä = ℰ 2 r,

missä ℰ on virtalähteen sähkömotorinen voima (EMF); r on virtalähteen sisäinen resistanssi.

Hyödyllistä voimaa on enimmäisarvo siinä tapauksessa, että kuormitusvastus R on yhtä suuri kuin virtalähteen sisäinen vastus r:

R = r.

Suurin hyötyteho:

P hyödyllinen max = 0,5 P täynnä,

missä Ptot on virtalähteen kokonaisteho; P täynnä = ℰ 2 / 2 r.

Selkeä laskentakaava suurin hyötyteho seuraavasti:

P hyödyllinen max = ℰ 2 4 r .

Laskelmien yksinkertaistamiseksi on hyödyllistä muistaa kaksi seikkaa:

jos kahdella kuormitusvastuksella R 1 ja R 2 vapautuu sama hyötyteho piirissä, niin sisäinen vastus virtalähde r suhteutetaan ilmoitettuihin resistanssiin kaavan avulla

r = R1R2;

jos suurin hyötyteho vapautuu piirissä, niin virta I * piirissä on puolet oikosulkuvirrasta i:

I * = i 2.

Esimerkki 15. Kun kennoparisto on oikosulussa 5,0 ohmin resistanssiin, se tuottaa 2,0 A virran. Akun oikosulkuvirta on 12 A. Laske akun suurin hyötyteho.

Ratkaisu . Analysoidaanpa ongelman tila.

1. Kun akku on kytketty vastukseen R 1 = 5,0 Ohm, virtapiirissä virtaa voimakkuudeltaan I 1 = 2,0 A, kuten kuvassa 1 on esitetty. a, joka määräytyy Ohmin lain mukaan koko piirille:

I 1 = ℰ R 1 + r,

missä ℰ - nykyisen lähteen EMF; r on virtalähteen sisäinen vastus.

2. Kun akku on oikosulussa, virtapiirissä kulkee oikosulkuvirta kuvan 1 mukaisesti. b. Oikosulkuvirta määräytyy kaavan mukaan

missä i on oikosulkuvirta, i = 12 A.

3. Kun akku on kytketty resistanssiin R 2 = r, virtapiirissä virtaa voima I 2, kuten kuvassa 2 on esitetty. in , määräytyy Ohmin lain mukaan koko piirille:

I 2 = ℰ R2 + r = ℰ 2 r;

tässä tapauksessa suurin hyötyteho vapautuu piirissä:

P hyödyllinen max = I 2 2 R 2 = I 2 2 r.

Siten suurimman hyötytehon laskemiseksi on tarpeen määrittää virtalähteen sisäinen vastus r ja virran voimakkuus I 2.

Virran voimakkuuden I 2 löytämiseksi kirjoitamme yhtälöjärjestelmän:

i = ℰ r, I 2 = ℰ 2 r)

ja jaa yhtälöt:

i I 2 = 2.

Tämä tarkoittaa:

I 2 = i 2 = 12 2 = 6,0 A.

Lähteen r sisäisen resistanssin löytämiseksi kirjoitamme yhtälöjärjestelmän:

I 1 = ℰ R 1 + r, i = ℰ r)