Джерела електричної енергії: опис, види та особливості

Джерела електричної енергії у кожній місцевості розрізняються за способом її отримання. Так, в степах доцільніше використовувати силу вітру або перетворювати тепло після спалювання палива, газу. В горах, де є річки, споруджуються греблі і вода приводить в рух гігантські турбіни. Електрорушійну силу отримують практично повсюдно за рахунок інших природних енергій.

Звідки береться харчування споживачів

Джерела електричної енергії отримують напругу після перетворення сили вітру, кінетичного руху потоку води, результату ядерної реакції, тепла від горіння газу, палива або вугілля. Широко поширені теплоелектростанції, гідроелектростанції. Поступово скорочується кількість атомних станцій як не зовсім безпечних для проживаючих поблизу людей.


Може використовуватися хімічна реакція, ці явища ми спостерігаємо в акумуляторах автомобілів і побутових приладів. Батарейки до телефонам працюють за тим же принципом. Вітровики застосовуються в місцях з постійним вітром, де джерела електричної енергії містять в конструкції звичайний генератор високої потужності. Для живлення цілого міста деколи однієї станції недостатньо, і джерела електричної енергії комбінуються. Так, на дахах будинків у теплих країнах встановлюються сонячні батареї, які живлять окремі приміщення. Поступово екологічно чисті джерела замінять станції, забруднюючі атмосферу.

В автомобілях

Акумуляторна батарея на транспорті - не єдине джерело електричної енергії. Ланцюги автомобіля спроектовані з таким розрахунком, що при русі починається процес перетворення кінетичної енергії в електричну. Це відбувається завдяки генератору, у якому обертання котушок усередині магнітного поля породжує появу електрорушійної сили (ЕРС).


У мережі починає протікати струм, що заряджає акумуляторну батарею, тривалість роботи якої залежить від її ємності. Зарядка починається відразу після старту двигуна. Тобто енергія виробляється за рахунок спалювання палива. Останні розробки автомобілебудування дозволили використовувати ЕРС джерела електричної енергії для руху транспорту. В електромобілях потужні хімічні батареї виробляють струм у замкнутому ланцюзі і служать джерелом живлення. Тут спостерігається зворотний процес: ЕРС виробляється в котушках приводної системи, що змушує колеса крутитися. Струм у вторинній ланцюга величезні, пропорційні швидкості розгону і ваги автомобіля.

Принцип роботи котушки з магнітом

Протікає струм через котушку викликає появу змінного магнітного потоку. Він, у свою чергу, впливає на магніти виштовхуючу силу, яка змушує рамку з двома різнополярними магнітами крутитися. Таким чином, джерела електричної енергії служать вузлом для руху авто. Зворотний процес, коли рамка з магнітом обертається усередині обмоток, за рахунок кінетичної енергії дозволяє перетворювати змінний магнітний потік у ЕРС котушок. Далі в ланцюзі встановлені стабілізатори напруги, що забезпечують необхідні показники живильної мережі. За цим принципом виробляється електрика в гідроелектростанціях, теплоелектростанціях.
ЕРС в ланцюзі з'являється і у звичайній замкнутої ланцюга. Вона існує до тих пір, поки до провідникові прикладена різниця потенціалів. Електрорушійна сила потрібна для опису характеристики джерела енергії. Фізична визначення терміна звучить так: ЕРС в замкнутій ланцюга пропорційна роботі сторонніх сил, які здійснюють переміщення одиничного позитивного заряду через все тіло провідника. Формула E = I*R — опір враховується, що складається з внутрішнього опору джерела живлення і результатів складання питомого опору ділянки ланцюга.

Обмеження на встановлення підстанцій

Будь-провідник, по якому тече струм, виробляє електричне поле. Джерело енергії є випромінювачем електромагнітних хвиль. Навколо потужних установок, на підстанціях або поблизу генераторних пристроїв виявляється вплив на здоров'я людини. Тому були прийняті заходи по обмеженню споруджуваних об'єктів поблизу житлових будинків. На законодавчому рівні встановлені фіксовані відстані до електричних об'єктів, за межами яких живий організм знаходиться в безпеці. Заборонені побудови потужних підстанцій поблизу будинків та на шляху прямування людей. Потужні установки повинні мати огородження і закриті входи. Високовольтні лінії монтуються високо над будівлями і виносяться за межі поселень. Для виключення впливу електромагнітних хвиль у житловій зоні джерела енергії закриваються заземленими металевими екранами. У найпростішому випадку використовується сітка з дроту.

Одиниці виміру

Кожна величина джерела енергії і ланцюга описується кількісними значеннями. Це полегшує проектування і розрахунок навантаження під конкретне харчування. Одиниці виміру пов'язані між собою фізичними законами. Для величин джерел живлення встановлені наступні одиниці:

Опір: R — Му.

ЕРС: E — вольт.

Реактивний і повний опір: X і Z — Ом.

Струм: I — ампер.

Напруга: U — вольт.

Потужність: P — Ват.

Побудова послідовних і паралельних схем живлення

Розрахунок ланцюга ускладнюється, якщо використовується з'єднання джерел електричної енергії декількох типів. Враховується внутрішні опір кожної гілки і напрямок струму через провідники. Для вимірювання ЕРС кожного джерела окремо потрібно розімкнути ланцюг і безпосередньо на висновках живильної батареї заміряти потенціал приладом — вольтметром.
При замкнутому ланцюзі прилад покаже падіння напруги, яке має меншу величину. Для отримання необхідного харчування часто потрібно кілька джерел. В залежності від задачі може використовуватися кілька видів з'єднань:

Послідовне. ЕРС ланцюга кожного джерела складається. Так, при використанні двох батарейок номіналом 2 вольта отримують в результаті підключення 4 Ст.

Паралельне. Такий вид застосовується для збільшення ємності джерела, відповідно, спостерігається більш тривалий час роботи від акумуляторів. ЕРС ланцюга при такому підключенні не змінюється при рівних номіналах батарей. Важливо дотримати полярність з'єднання.

Об'єднані підключення рідко використовуються, але на практиці зустрічаються. Розрахунок результуючої ЕРС проводиться для кожного окремого замкнутого ділянки. Враховується полярність і напрям струму гілок.

Омі живильної мережі

Внутрішній опір джерела електричної енергії враховується для визначення результуючої ЕРС. У загальному вигляді електрорушійна сила розраховується за формулою E = I*R + I*r. Тут R - опір споживачів, а r - внутрішній опір. Падіння напруги вираховують за такою залежністю: U = E - Ir. Струм, що протікає в ланцюзі, розраховують згідно з законом Ома повного кола: I = E/(R + r). Внутрішній опір здатне чинити вплив на силу струму. Щоб такого не відбувалося, джерело підбирають під навантаження за наступним правилом: внутрішній опір джерела має бути набагато менше повної загальної опору споживачів. Тоді враховувати його величину зовсім необов'язково з-за малої похибки.

Як виміряти Омі живильної мережі?

Так як джерела і приймачі електричної енергії повинні бути узгоджені, то відразу виникає питання: як виміряти внутрішній опір джерела? Адже омметром не подключишься на контакти з наявними на них потенціалами. Для вирішення питання використовується непрямий метод зняття показників — потрібні значення додаткових величин: струм і напруга. Розрахунок проводиться за формулою r = U/I, де U - падіння напруги на внутрішньому опорі, а I - струм в ланцюзі під навантаженням. Падіння напруги вимірюється безпосередньо на затискачах джерела живлення. У ланцюг підключається резистор відомого номіналу R. До проведення вимірів слід зафіксувати вольтметром ЕРС джерела при розімкнутого ланцюга — E. Далі підключають навантаження і фіксують показання — U нагр. і струму I. Шукане падіння напруги на внутрішньому опорі U = E – U нагр. У підсумку розраховуємо шукану величину r = (E – U нагр.)/I.