Warto przeczytać

Źródło napięcia to urządzenie, które zapewnia energię elektryczną w obwodzie prądu. Idealne źródło wytwarza napięcie o wartości niezmiennej, niezależnie od tego, jaki obwód zostanie do niego podłączony. Przedstawia to Rys. 1. Takie idealne źródło nazywamy napięciowymŹródło napięciowenapięciowym, w odróżnieniu od źródła prądowegoŹródło prądoweźródła prądowego, utrzymującego stałe natężenie prądu.

RAQnF8WQAabQi

Rys. 1. Rysunek przedstawia prostokątny układ współrzędnych, w którym oś pionowa skierowana w górę wielka litera U i w nawiasie kwadratowym wielka litera V opisuje napięcie wyrażone w woltach, a oś pozioma skierowana w prawo wielka litera I i w nawiasie kwadratowym wielka litera A opisuje natężenie prądu wyrażone w amperach. Na osi napięcia zaznaczono wartości od zera do trzynastu woltów, co jeden wolt. Na osi natężenia prądu zaznaczono wartości od zera do dziesięciu amperów, co jeden amper. W układzie współrzędnych widoczna jest funkcja narysowana niebieską linią ciągłą. Funkcja ta jest liniowa i ma stałą wartość mała grecka litera epsilon równą dwanaście woltów.

Wykres przedstawiony na Rys. 1. nazywa się charakterystyką napięciowo‑prądowąCharakterystyka napięciowo‑prądowacharakterystyką napięciowo‑prądową źródła. Nazwa wywodzi się ze sposobu wykonywania takiej charakterystyki. Do źródła podłącza się odbiorniki o różnym oporze, zmieniając w ten sposób natężenie prądu płynącego w obwodzie (czyli także przez źródło). Dla każdej jego wartości notuje się napięcie, jakie panuje na zaciskach źródła. W ten sposób powstaje wykres zależności napięcia źródła od natężenia płynącego przezeń prądu. Schemat obwodu elektrycznego do wykonania takiego badania pokazany jest na Rys. 2.

Rpt88vmF4UhoH

Rys. 2. przedstawia schemat obwodu do wyznaczania charakterystyki napięciowo‑prądowej źródła. Źródło zaznaczono na lewej pionowej gałęzi jako krótszą grubą kreskę i cieńszą do niej równoległą, opisane Epsilon, r. Równolegle do tej gałęzi przedstawiono gałąź z woltomierzem i na trzeciej gałęzi opornik w postaci długiego prostokąta. Między drugą i trzecią gałęzią wpięty jest amperomierz. Czyli amperomierz i opornik połączone są szeregowo a woltomierz równolegle do nich.

Rzeczywiste źródła napięcia mają jednak inne własności i inną charakterystykę napięciowo‑prądową. Obciążenie źródła opornikiem zewnętrznym powoduje spadek napięcia na jego zaciskach. Łatwo sobie wyobrazić, że w ekstremalnej sytuacji, gdy dokonamy zwarcia zacisków, napięcie między nimi spadnie do wartości zero woltów. Charakterystykę napięciowo‑prądowąCharakterystyka napięciowo‑prądowaCharakterystykę napięciowo‑prądową rzeczywistego źródła przedstawiono na Rys. 3.

RGpcwqMtyPUmh

Rys. 3. Rysunek przedstawia układ współrzędnych. Oś pionowa skierowana w górę przedstawia napięcie wyrażone w woltach wielka litera U i w nawiasie kwadratowym wielka litera V. Na osi napięcia zaznaczono wartości od zera do trzynastu woltów, co jeden wolt. Oś pozioma skierowana w prawo przedstawia natężenie prądu wyrażone w amperach wielka litera I i w nawiasie wielka litera A. Na osi natężenia zaznaczono wartości od zera do dziesięciu amperów, co jeden amper. W układzie widoczna jest funkcja liniowa, narysowana niebieską przerywaną linią. Funkcja narysowana niebieską przerywaną linią ma stałą wartość równą mała grecka litera epsilon dwanaście woltów. W układzie widoczna jest druga funkcja liniowa narysowana czerwoną linią. Funkcja narysowana czerwoną linią jest liniowo malejąca od dwunastu woltów dla zera amperów, do zera woltów przy ośmiu amperach. Wartość ośmiu amperów oznaczono wielką literą I z indeksem dolnym dwa.

Zastanówmy się nad tym, jaka jest wartość prądu zwarcia źródła, zaznaczonego na wykresie symbolem $I_2$. Przez jakie elementy płynie ten prąd? Jeśli stwierdzimy, że przez źródło i zerowy opór zewnętrzny, czegoś nam tu będzie jednak brakować. Przecież musi istnieć element, który odbiera energię dostarczaną przez źródło. Doprowadza nas to do wniosku, że każde źródło musi mieć swój opór wewnętrzny. Schematycznie przedstawiono to na Rys. 4.

RuGueHE93KbZG

Rys. 4. przedstawia źródło napięcia Epsilon z zaznaczonym jego oporem wewnętrznym wielkie R z indeksem dolnym w.

Ponieważ przy zwarciu źródła cała energia wydziela się na jego oporze wewnętrznym, możemy napisać:

Stąd

Obliczyliśmy, w którym punkcie wykres charakterystyki napięciowo‑prądowej rzeczywistego źródła napięcia przecina oś poziomą.

Napięcie oznaczane przez nas literą $\mathcal{E}$, wytwarzane przez źródło wtedy, gdy nie płynie przezeń prąd, nosi nazwę siły elektromotorycznej źródłaSiła elektromotorycznasiły elektromotorycznej źródła. Więcej na jej temat możesz przeczytać w e‑materiale „Siła elektromotoryczna źródła energii elektrycznej”.

Jeśli weźmiemy pod uwagę rzeczywiste źródło napięcia i zestawimy informacje zawarte na jego schemacie (Rys. 4.) i wykresie charakterystyki (Rys. 3.) dojdziemy do wniosku, że napięcie, które naprawdę panuje między jego zaciskami ma wartość:

gdzie $I$ jest aktualną wartością natężenia prądu płynącego w badanym obwodzie. Wykres charakterystyki napięciowo‑prądowej rzeczywistego źródła napięcia, przedstawiony linią ciągłą na Rys. 3., jest w istocie wykresem funkcji $U\left(I\right)$ opisanej ostatnim wzorem.

Słowniczek