Источники электропитания. Модель источника электропитания.
Источники электропитания бывают разные. Это всем известные солевые и алкалиновые батарейки, различные аккумуляторы, электрогенераторы всех мастей. Их часто называют источниками энергии.
Начнем сначала. Это никакие не источники энергии в полном понимании этого слова. Существование источника энергии запрещено законом сохранения энергии. Правильнее было бы называть их преобразователями одного вида энергии в другой.
Неплохо бы, походя дать определение понятия энергия. Это будет важно для дальнейшего повествования, так как автор испытывает глубочайшее уважение к закону сохранения энергии, и часто будет им пользоваться для описания процессов в электрических цепях. Никто не знает, что такое энергия, и в природе не существует точного определения этого термина. Дать определение энергии, это то-же самое, что дать определение Богу. Никто не знает, откуда она взялась, и кто в первый и единственный раз, нарушил закон ее сохранения, создав мир, который нас окружает. Далее я буду придерживаться следующего определения: Энергия – это скалярная физическая величина, которая является единой мерой существования и движения различных форм материи и мерой перехода (движения) одних форм материи в другие. Основным законом для энергии, является закон ее сохранения. Он гласит: Суммарная энергия замкнутой системы не изменяется во времени. Заинтересовавшимся значением понятия «энергия» советую ознакомиться с теоремой Нётер. Теорема Эмми Нётер утверждает, что каждой непрерывной симметрии физической системы соответствует некоторый закон сохранения. Так, закон сохранения энергии соответствует однородности времени, закон сохранения импульса — однородности пространства, закон сохранения момента импульса — изотропии пространства, закон сохранения электрического заряда — калибровочной симметрии и т. Д.) но, это на любителя.
Батарейки и аккумуляторы превращают энергию химических связей, составляющих их веществ в энергию электрического тока (электромагнитного поля). Причем аккумуляторы умеют делать и обратное – превращать энергию протекающего через них тока в энергию химических связей. Электрогенераторы превращают механическую энергию в электрическую. Интересующихся устройством батареек и электрогенераторов отсылаем к школьному курсу химии и физики (если конечно сейчас этому учат в школе). Что же такое электрическая энергия? Интуитивно все ясно, это типа что то в розетке. Чтобы ответить на этот вопрос более точно, нужно знать, что является носителем этой энергии. Например, носителем кинетической энергии является брошенный камень. Кто то, совершил над ним работу, замахнувшись посильнее или раскрутив пращу, и сообщил ему механическую энергию движения, которая называется кинетической. Носителями электрической энергии являются не камень и даже не электроны. Носителем электрической энергии является электромагнитное поле. Или каждая его составляющая по отдельности.
Всем известно, что материя (на определенном уровне проявления своих свойств) состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, которые называются электронами и протонами, и которые являются источниками электрического поля. Это поле удерживает их друг возле друга в виде устойчивых систем, которые мы называем атомами. Не вдаваясь в подробности устройства атомов, будем считать, что они состоят из одного положительного протона и быстро вращающегося вокруг него электрона. Электрон удерживается вокруг протона электрическим полем, и не падает за счет центробежной силы. Многие возразят, что из-за движения по круговой орбите, электрон будет все время излучать, и превращая в излучение, энергию вращения, падать. И он действительно постоянно излучает волну, однако он же ее и поглощает. Таким образом, система остается в равновесии. Не спрашивайте почему.
Рассмотрим, как человек может превращать мускульную энергию в энергию электрического поля собственными руками. Все видели забавный опыт – если натереть шарик о волосы, то он прилипнет к руке. Это происходит потому, что при трении, происходит разделение зарядов, а разноименные заряды притягиваются. Тоже самое, можно проделать с бумажками, которые прыгают к пластмассовой расческе. Эти явления родственны тем, которые происходят на атомном уровне, между разноименно заряженными протоном и электроном. Давайте поподробнее разберемся в этих явлениях. Трение приводит к разделению зарядов. Мы, как бы, отрываем электроны от одного тела (волос) и переносим их на другое тело (шарик) При этом, между разноименными зарядами на поверхности тел возникает электрическое поле. Оно проявляет себя в виде силы, которая притягивает шарик и ладонь друг к другу, или действует на другие заряженные тела, вроде бумажек, мелких соринок или волос. Сила, действующая между зарядами определяется законом Кулона [Был открыт Шарлем Кулоном в 1785г. Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона: Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Формулировка закона в скалярном виде имеет вид 
где 
соответственно заряды и расстояние между ними]. Когда мы поднимаем камень с земли, мы чувствуем, какой он тяжелый, и как земля его тянет к себе. При этом в гравитационном поле запасается потенциальная энергия, которая может высвободиться, если мы отпустим камень. Сила тяжести разгонит камень во время падения, и возле земли, вся потенциальная энергия гравитационного поля превратится в кинетическую энергию летящего камня. Если он упадет на палец, мы почувствуем эту энергию на себе. Между тем, когда мы отрываем заряды от волос, или начинаем оттаскивать шарик от себя, происходит то же самое, только вместо гравитационной силы притяжения действует электростатическая. Она очень мала, чтобы ее почувствовать, потому, что сила притяжения пропорциональна величине заряда, а он не велик, но она есть, и ее можно измерить. Разделяя разноименные заряды, которые притягиваются друг к другу, мы совершаем работу, аналогичную той, которую совершаем при поднятии камня. Допустим, что у нас есть два металлических шара, и пинцет, которым мы можем отрывать электроны от одного шара и пересаживать их на другой. И вот мы взялись за дело. Хвать одного электрона с шара, хлоп его на другой шар….. С начала, у нас пойдет все лихо. Но по мере того, как на одном шаре электронов будет становиться все меньше, а на другом все больше, нам все труднее будет отрывать их от одного, и скидывать на другой. Нам начнет мешать электрическое поле. Модуль силы, с которой это поле действует на заряд, определяется величиной заряда 
и напряженностью поля 
. Сила эта равна 
. Напряженность поля можно так же рассчитать, зная разность потенциалов между двумя точками и расстояние между ними 
. В реальных условиях, это все кончится электрическим пробоем – между шарами возникнет искра, по которой унесенные электроны вернуться на родину. Но допустим, что мы таскаем их в вакууме, и деться им со второго шара некуда. Рано или поздно, наступит момент, когда мы не сможем перенести между шарами ни одного электрона. Поле вырвет у нас заряд, и даже упираясь в землю всеми силами, нам не удастся оторвать ни одного отрицательного заряда от положительно заряженного шара. Сейчас в электрическом поле запасена огромная потенциальная энергия – электрический потенциал. Электрический потенциал измеряется в вольтах. Что такое вольт? Это такой потенциал, (а вернее разность потенциалов) при котором на перенос одного кулона заряда тратится 1Дж энергии. Разность потенциалов, которую нам удалось создать, перетаскивая электроны с одного шара на другой, до тех пор, пока поле не сделало это невозможным, называется электродвижущей силой (ЭДС) преобразователя (или источника электроэнергии). Пока мы таскали электроны с одного шара на другой, мы превращали свою мышечную энергию в потенциальную энергию поля. То есть, занимались тем же, чем занимается любой источник электропитания. ЭДС – это характеристика наших спортивных возможностей. Она характеризует нашу предельную силу, с которой мы еще способны разорвать заряды противоположных знаков и преодолеть их силы притяжения (и отталкивания при приближении заряда к одноименно заряженному шару).
У каждого перетаскивателя зарядов между шарами (силы, совершающей работу по увеличению энергии электрического поля) есть этот предел. Он связан с природой силы и является характеристикой этой силы, независимо от того, как выглядит этот перетаскиватель – как человек с пинцетом, рамка из провода вращающаяся в магнитном поле, или две пластины из разных металлов, опущенные в электролит. Если сравнивать двух людей, то большую ЭДС, разовьет более сильный.
Однако, энергию, накопленную в электрическом поле, которое готово двинуть заряд, нужно как то использовать. Для этого, к металлическим шарам мы подключаем сопротивление нагрузки. Через него, под действием электрического поля начнут двигаться заряды. При этом поле начнет слабеть, и товарищ (источник питания) с пинцетом снова получит возможность перетаскивать заряды между шарами, пытаясь восстановить ЭДС. Насколько ему это удастся, зависит от того, сколько зарядов за единицу времени будет проходить через сопротивление нагрузки, и какое количество зарядов способен переместить в обратном направлении товарищ. Число, показывающее интенсивность движения зарядов во времени, называется током 
. Ток в цепи зависит от двух вещей. Во первых, от разности потенциалов и во вторых, от сопротивления нагрузки.
При подключении нагрузки к источнику питания, в общем случае происходит следующее. ИП начинает носить заряды, используя свою силу для преодоления силы поля. Пока он переносит 2 заряда, через нагрузочное сопротивление проходит 10. При этом напряжение между шарами быстро падает. Поскольку с уменьшением напряжения между шарами, задача товарища упрощается, он начинает таскать не по одному, а по 4 заряда. Но с падением напряжения уменьшается и ток нагрузки, поле уже не может с прежней силой и в прежнем количестве, тянуть заряды через резистор нагрузки. И вместо 10 там уже проходит 6 зарядов. При определенном напряжении, ток нагрузки и ток порождаемый товарищем выравниваются. Чем ограничивается скорость переноса зарядов товарищем ИП? Внутренним сопротивлением источника, которое характеризует расторопность перетаскивателя зарядов. Сопротивление бывает не только у нагрузки, но и у источника питания. У любой батареи, аккумулятора, генератора, есть внутреннее сопротивление, которое характеризует скорость разделения зарядов внутри источника при заданном напряжении на его клеммах. Оно связано с мощностью источника. На нем, так же, как на сопротивлении нагрузки выделяется тепло, и оно ограничивает ток в цепи нагрузки. Чем больше мощность источника питания, и чем меньше его внутреннее сопротивление, тем меньше влияет подключение нагрузки на напряжение источника. И тем ближе это напряжение к ЭДС. Рассмотрим частные режимы работы источника питания, которые в электротехнике особо выделяют.
Работа источника питания в режиме источника тока.
Источник тока это идеализация, не существующая в природе. Однако, есть определенные условия, в которых реальные ИП ведут себя, почти как источники тока.
Источник тока – это такой источник питания, ток которого не зависит от сопротивления нагрузки. Это значит, что если такой ИП выдает ток 1А, то этот ток будет 1А всегда. Подключим к клеммам сопротивление 1Ом – будет 1А, подключим 1МОм – будет 1А, разорвем цепь нагрузки – вспыхнет электрическая дуга, ток в которой будет 1А. Напряжение на клеммах источника тока меняется от 0В до бесконечности. Ток остается неизменным.
Ток в цепи, определяется суммой сопротивления нагрузки и источника. Чтобы ток не зависел от сопротивления нагрузки, оно должно быть несоизмеримо малым, по сравнению с внутренним сопротивлением ИП. Если внутреннее сопротивление ИП, много больше, чем сопротивление нагрузки, то ИП ведет себя как ИТ. В каких же условиях мы имеем дело с цепями, похожими на источник тока? Любой источник питания удобно
представлять в виде следующей эквивалентной схемы. На ней внутреннее сопротивление
источника изображено в виде резистора 
. На рисунке справа, изображена ситуация, когда ИП ведет себя как ИТ. Последовательно с нагрузкой включено балластное сопротивление R1 300кОм. Сопротивление нагрузки может меняться в пределах десятков сотен Ом, ток при этом будет оставаться практически неизменным. На рисунке специально показано различие между внутренним и балластным сопротивлением, хотя ничто не мешает отнести балластное сопротивление к внутреннему сопротивлению источника питания.
Воспользовавшись законом Ома, можете убедиться в том, что увеличение сопротивления нагрузки в этой схеме на сотни процентов, едва ли приведет к изменению тока на доли процента.
Работа источника питания в режиме источника напряжения.
Источник напряжения это такая же идеализация, как и источник тока, с той разницей, что на его клеммах всегда одно и то же, напряжение. Внутреннее сопротивление ИН равно нулю. Каким бы не было сопротивление нагрузки, напряжение всегда имеет одно и то же значение. Ток на выходе источника напряжения меняется от нуля до бесконечности, напряжение остается неизменным. В каких же условиях, мы имеем дело с цепями, похожими на источник напряжения? При сопротивлениях много нагрузки много больших, чем сопротивление ИП, ИП работает как ИН. При этом изменения нагрузки на сотни процентов, практически не приводят к изменениям напряжения питания.
Чем полезны ИТ и ИН?
Для чего нужны эти модели? Что они позволяют делать? Во многих случаях, они позволяют делать упрощающие расчеты допущения.
