В линейных электрических цепях в качестве источников энергии различают источники Э.Д.С. и источники тока.
Идеальный источник Э.Д.С. имеет неизменное Э.Д.С. и напряжение на выходных зажимах при всех токах нагрузки. У реального источника – Э.Д.С. и напряжение на зажимах изменяются при изменении нагрузки (например, вследствие падения напряжения в обмотках генератора). В электрической схеме это учитывается последовательным включением резистора r0. Идеальный источник напряжения изображен на рис. 1.3.
Напряжение Uab зависит от тока приёмника и равно разности между Э.Д.С. генератора и падением напряжения на его внутреннем сопротивлении r0:
(1.8)
Ток, протекающий по цепи, также зависит от сопротивления нагрузки:
(1.9)
Если принять Э.Д.С. источника его внутреннее сопротивление и сопротивление приёмника не зависящими от тока и напряжения, то внешняя характеристика источника энергии U12 = f(I) и ВАХ приёмника Uab = f(I) будут линейными (рис. 1.4).
По рис. 1.4 видно, что по мере нарастания тока в цепи напряжение на нагрузке возрастает, а, следовательно, уменьшается напряжение на выходных зажимах источника. Иногда при расчете электрических цепей внутреннее сопротивление генератора r0 может оказаться во много раз меньше сопротивления нагрузки. В этом случае r0 можно принять равным нулю, что позволит считать напряжение на зажимах генератора независящим от тока во внешней цепи и равным Э.Д.С. генератора. Для такого генератора эквивалентная схема замещения более простая и содержит лишь источник Э.Д.С., у которого исключается режим короткого замыкания.
Источник с внутренним сопротивлением, равным нулю, называется ИСТОЧНИКОМ НАПРЯЖЕНИЯ.
На практике при исследовании источников Э.Д.С. различают четыре режима работы:
1. РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА - характеризуется отсутствием тока в цепи вследствие того, что RH = . Напряжение на зажимах источника наибольшее и равно Э.Д.С..
2. НОМИНАЛЬНЫЙ РЕЖИМ – режим, при котором ток и напряжение соответствуют значениям, установленным заводом-изготовителем. В этом режиме генератор может длительно работать при максимально допустимой нагрузке, не выходя из строя (то же относится и к приёмнику электроэнергии). Важным показателем рациональной работы источника электрической энергии является К.П.Д. (η). Он определяется отношением мощности на нагрузке P2 к полной мощности P1, вырабатываемой генератором:
. (1.10)
где ∆Р – мощность потерь при передаче электроэнергии от источника к потребителю, Вт.
К.П.Д. может быть выражен через параметры цепи:
. (1.11)
Из этого выражения следует, что К.П.Д. тем выше, чем меньше внутреннее сопротивление источника энергии.
3. РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ - режим, при котором напряжение на выводах источника равно нулю, так как выходные зажимы замкнуты накоротко (RH=0). В этом случае ток в цепи будет ограничен только внутренним сопротивлением источника:
Р2=0 . (1.12)
Для источников с малым внутренним сопротивлением (аккумуляторы, электромагнитные генераторы) режим короткого замыкания опасен и является аварийным.
Для гальванических элементов такой режим работы менее опасен, так как их внутреннее сопротивление относительно велико.
В отличие от режима короткого замыкания на практике часто используют ОПЫТ короткого замыкания, например, для определения параметров трансформаторов, четырёхполюсника и так далее.
4. СОГЛАСОВАННЫЙ РЕЖИМ - это режим, при котором сопротивление внешней нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника. При таком режиме работы в приёмнике выделяется наибольшая мощность, равная половине мощности источника. В этом случае К.П.Д. =0,5. Такой режим используется в измерительных цепях, устройствах средств связи.
При передаче больших мощностей, например по высоковольтным линиям электропередач, работа в согласованном режиме, как правило, недопустима. В таких цепях основным условием является как можно большее повышение К.П.Д., то есть RH>>r0.
В тех случаях, когда внутреннее сопротивление источника очень велико, ток во внешней цепи практически не зависит от сопротивления нагрузки.
В этих случаях источник характеризуется не Э.Д.С., а током и называется источником тока, а создаваемый им ток - задающим.
Источник тока характеризуется бесконечным внутренним сопротивлением и бесконечным значением Э.Д.С., при этом выполняется равенство:
,
где Е и r0 стремятся к бесконечности.
Ток источника тока не зависит от сопротивления внешней цепи RH. При изменении RH изменяется напряжение между выводами источника:
.
На схеме источник тока изображается в виде окружности с двумя стрелками.
Реальный источник тока изображён на рис. 1.6.
Если r0>>RH и I0<<I, то есть источник энергии находится в режиме, близком к короткому замыканию, то можно принять ток I0=0.
Такой источник с внутренним сопротивлением r0 = ∞ (g0=0) называют идеальным источником тока (рис. 1.7).
Его внешняя характеристика представляет собой прямую, параллельную оси ординат (рис. 1.8).