Способы соединения химических источников энергии

Способы соединения химических источников энергии

§ 26. Соединение химических источников э.д.с.

Химические источники э.д.с. (аккумуляторы, элементы) включаются между собой последовательно, параллельно и смешанно.

1. Последовательное соединение источников э.д.с. На рис. 56, а представлены три соединенных между собой аккумулятора. Такое соединение аккумуляторов, когда минус каждого предыдущего источника соединен с плюсом последующего источника, называется последовательным соединением. Группа соединенных между собой аккумуляторов или элементов называется батареей.

Рис. 56. Последовательное соединение аккумуляторов

Схематически последовательное соединение трех аккумуляторов в батарею показано на рис. 56, б. Так как э.д.с. аккумуляторов в этом случае совпадают по направлению, э.д.с. всей батареи равна их сумме

Внутреннее сопротивление батареи равно сумме внутренних сопротивлений отдельных аккумуляторов:

Если батарея окажется замкнутой на внешнее сопротивление r, то ток в цепи будет найден по формуле

Последовательно соединяют аккумуляторы в том случае, когда напряжение потребителя выше э.д.с. одного аккумулятора.

Практически приходится соединять между собой в батареи только однотипные аккумуляторы, т. е. имеющие одинаковые э.д.с., внутренние сопротивления и емкости.

В этом случае э.д.с. батареи, состоящей из n аккумуляторов, равна:

Внутреннее сопротивление батареи

Ток батареи, замкнутой на внешнее сопротивление, будет

Пример 1. Батарея из пяти аккумуляторов, обладающих э.д.с. 1,2 в и внутренним сопротивлением 0,2 ом, замкнута на внешнее сопротивление 11 ом. Определить ток, отдаваемый батареей в сеть:

2. Параллельное соединение источников э.д.с. Если положительные зажимы (плюсы) нескольких аккумуляторов соединить между собой и вывести общий плюс, а отрицательные зажимы (минусы) этих же аккумуляторов также соединить между собой и вывести общий минус, то такое соединение будет называться параллельным. На рис. 57, а представлено параллельное соединение трех аккумуляторов, а на рис. 57, б дана схема того же соединения.

Рис. 57. Параллельное соединение аккумуляторов

Обязательным условием для параллельного соединения аккумуляторов является равенство их э.д.с., внутренних сопротивлений и емкостей, так как иначе между аккумуляторами будут протекать уравнительные токи, вредные для батареи.

Э.д.с. батареи при параллельном соединении равна э.д.с. одного аккумулятора:

При параллельном соединении аккумуляторов батарея в целом может отдать в сеть ток, больший, чем каждый аккумулятор в отдельности.

Внутреннее сопротивление батареи, состоящей из n параллельно включенных аккумуляторов, будет и в n раз меньше сопротивления каждого аккумулятора:

Ток, отдаваемый батареей в сеть, будет

Параллельное соединение аккумуляторов применяется в том случае, когда напряжение потребителя равно э.д.с. аккумулятора, а ток, необходимый потребителю, больше разрядного тока одного аккумулятора.

Пример 2. Определить ток, отдаваемый в сеть батареей, состоящей из двух параллельно включенных аккумуляторов, если э.д.с. каждого аккумулятора равна 2 в, а внутреннее сопротивление — 0,02 ом. Внешнее сопротивление равно 1,99 ом:

3. Смешанное соединение источников э.д.с. Комбинируя последовательное и параллельное соединения, мы получим смешанное соединение аккумуляторов. На рис. 58, а представлено смешанное соединение четырех аккумуляторов из двух параллельных групп по два элемента в каждой группе, а на рис. 58, б дана схема этого соединения. э.д.с. батареи со смешанным соединением аккумуляторов равна сумме э.д.с. элементов, последовательно включенных в каждую группу (n):

Рис. 58. Смешанное соединение аккумуляторов

Внутреннее сопротивление аккумуляторов в группе

Внутреннее сопротивление батареи, состоящей из m групп,

Ток, отдаваемый батареей в сеть сопротивлением r ом,

Смешанное соединение аккумуляторов применяется в том случае, когда напряжение и ток потребителя соответственно больше э.д.с. и разрядного тока одного аккумулятора.

Пример 3. Имеется батарея, состоящая из двух параллельно соединенных групп аккумуляторов по три аккумулятора в группе. Батарея замкнута на сопротивление 1,65 ом, э.д.с. аккумулятора 1,2 б, внутреннее сопротивление 0,1 ом. Определить ток во внешней цепи:

Мы разобрали ряд случаев соединения источников э.д.с. Какой же способ является наиболее выгодным с точки зрения максимальной отдачи мощности во внешней цепи? Математическое исследование дает ответ на этот вопрос. Оказывается, что для получения во внешней цепи максимальной мощности необходимо равенство сопротивлений внутренней и внешней части цепи:

Источник

Способы соединения химических источников электрической энергии

Химические источники электрической энергии (гальванические элементы, аккумуляторы) для совместной работы можно соединять последовательно, параллельно или смешанно. Группа соединенных между собой тем или иным способом источников образует батарею. В батареи объединяют только однородные источники, имеющие одинаковые э.д.с. и внутренние сопротивления.

Последовательное соединение источников электрической энергии применяют в тех случаях, когда напряжение потребителя превышает эдс одного источника, а номинальный ток потребителя не превышает нормальный разрядный ток одного источника.

Чтобы соединить источники в батарею последовательно, нужно отрицательный полюс первого источника (Рис.14) соединить с положительным полюсом второго, отрицательный полюс второго – с положительным полюсом третьего и т.д. Внешнюю цепь подключают к положительному полюсу последнего, т.е. к оставшимся свободным полюсам батареи. В этом случае э.д.с. источников направлены в одну сторону.

Э.д.с. всей батареи при последовательном соединении источников равна их сумме:

С учетом того, что в батареи соединяют только однородные источники, имеем

где n – число источников, соединенных в батарею;

E_k – э.д.с. одного из источников, включенных в батарею.

Внутреннее сопротивление батареи равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников:

где r_к – внутреннее сопротивление одного из источников, включенных в батарею.

Емкость батареи при последовательном соединении однородных источников равна емкости одного источника. Следует заметить, что емкостью аккумулятора принято называть количество электричества, выраженное в ампер-часах (А·ч), которое может отдать в цепь полностью заряженный аккумулятор при разряде номинальным током до установленного конечного напряжения.

При последовательном соединении источников электрической энергии с одинаковыми внутренними сопротивлениями сила тока в цепи определится по формуле

, (52)

где R – сопротивление внешней цепи.

Число источников батарее, необходимых ля получения заданного напряжения U во внешней части цепи

(53)

Параллельное соединение источников электрической энергии применяют в тех случаях, когда ток потребителя больше номинального разрядного тока одного источника, а напряжение потребителя равно э.д.с. одного источника. Чтобы соединить источники электрической энергии в батарею параллельно, нужно их положительные полюсы объединить с один узел, а отрицательные – в другой.

При параллельном соединении э.д.с. батареи равна э.д.с. одного источника:

Внутреннее сопротивление батареи

(55)

уменьшается во столько раз, сколько источников с сопротивлением r_к включено в нее.

Емкость батареи равно сумме емкостей параллельно соединенных источников.

В случае параллельного соединения источников электрической энергии с одинаковыми э.д.с. и внутренними сопротивлениями сила тока в цепи определится по формуле:

(56)

где R – сопротивление внешней цепи.

Число источников n батареи, необходимых для получения заданной силы тока во внешней цепи.

(57)

I_Р – разрядный ток одного источника.

Смешанное соединение источников электрической энергии применяют в том случае, когда напряжение и ток потребителя больше напряжения и разрядного тока одного источника.

Ток в цепи определяют, разбивая источники на равные группы, в которых они соединены последовательно, а затем на ветви, где они между собой соединены параллельно:

(58)

где n_Г – число источников, соединенных в одну группу;

m – число параллельных ветвей.

Число последовательно соединенных источников n_Г в группе и число параллельных ветвей m находят по ранее приведенным формулам.

Пример. Две параллельные группы аккумуляторов, по три последовательно включенных аккумуляторов в каждой, работают на внешнюю цепь сопротивлением 3,55 Ома. Э.д.с. аккумуляторов 2 В, внутреннее сопротивление 0,003 Ома. Определить напряжение батареи, силу тока и мощность, отдаваемую батареей во внешнюю цепь.

Решение. Э.д.с. группы

Э.д.с. всей батареи будет равна э.д.с. Е_Г одной последовательно соединенной группы, то есть Е_б = Е_Г = 6 В.

Сила тока во внешней цепи

Напряжение во внешней цепи U = IR = 1,6·3,55≈5,7 В.

Мощность, отдаваемая во внешнюю цепь,

Р = UI = 5,7·1,6 = 9,12 Вт.

Контрольные вопросы и задания

1.Что такое электрический заряд и какова единица его измерения?

2.Как и в соответствии, с какими законами действуют электрические заряды между собой?

3.Что называют напряженностью электрического поля и как определить ее значение в точке пространства?

4.Что понимают под потенциалом электрического поля и в каких единицах его измеряют?

5.Что называют электрическим напряжением и э.д.с. и какой единицей его измеряют?

6.Что такое сила тока и какова единица его измерения? Что называют плотностью тока?

7.Что понимают под электрическим сопротивлением? Какая единица принята для его измерения?

8.Как определит сопротивление проводника, если известны его материал, длина и сечение?

9.Расскажите об электрической проводимости и единице его измерения.

10.Сформулируйте закон Ома для участка цепи и полной цепи.

11.Какова зависимость между электродвижущей силой и напряжением источника энергии?

12.От каких факторов зависит напряжение на зажимах генератора при неизменной его э.д.с.?

13.Объясните сущность режима холостого хода и короткого и замыкания источника.

14.Напишите формулу работы электрического тока. В каких единицах измеряется работа электрического тока?

15.Что называют электрической мощностью и какова единица его измерения?

16.Сформулруйте закон Джоуля-Ленца напишите его формулу.

17.Объясните, как выбирают сечение проводов по условиям нагрева.

18.Объясните порядок расчета сечений проводов по заданной потере напряжения.

19.Расскаэите о последовательном, параллельном и смешанном соединении сопротивлений и химических источников энергии.

20.Сформулируйте первый и второй законы Кирхгофа, изложите методы расчета электрических цепей с их применением.

Источник

Соединение источников питания

К химическим источникам питания относятся источники эдс, в которых энергия протекающих химических реакций преобразуется в электрическую энергию. К химическим источникам относятся гальванические элементы, аккумуляторы и «батарейки» и пр.

Необходимость соединения элементов питания возникает в том случае, когда требуемое напряжение и ток потребителя превышают соответствующие значения источника питания.

Важным условием соединения химических источников питания в единую цепь, является равенство их эдс и внутреннего сопротивления.

Существует три способа подключения химических источников питания:

Соединенные между собой любым способом источники питания образуют так называемую батарею, рассматриваемую в цепи как единое целое.

Последовательное соединение источников питания

При последовательном подключении химических источников питания отрицательный полюс одного источника соединяется с положительным полюсом следующего источника и т.д. Положительный и отрицательный полюсы последнего и первого источника батареи подключаются к нагрузке внешней цепи (рисунок 1).

Рис. 1. Последовательное соединение источников питания

Общая эдс батареи при последовательном соединении химических источников питания равна сумме эдс всех входящих в нее элементов

Если учесть, что эдс всех источников одинаковая, предыдущее выражение может быть записано в виде

где E_i – эдс каждого источника питания в батарее.

При последовательном соединении внутренне сопротивление полученной батареи будет равно сумме сопротивлений каждого источника питания

где R_i – внутреннее сопротивление каждого источника питания в батарее.

При последовательном соединении источников питания, емкость батареи будет равна емкости каждого из источников питания.

Последовательное соединение химических источников питания применяется в том случае, когда ток нагрузки не превышает номинальный ток одного элемента, а напряжение – больше эдс одного источника.

Параллельное соединение источников питания

При параллельном соединении положительные полюсы источников питания соединяются в один общий узел, а отрицательные – в другой узел (рисунок 2).

Рис. 2. Параллельное соединение источников питания

При данном способе соединения эдс батареи равна эдс одного любого источника, включенного в ее состав

где E_i – эдс каждого источника питания в батарее.

Внутреннее сопротивлении батареи уменьшается во столько раз, сколько источников входит в ее состав, и вычисляется по формуле

где R_i – внутреннее сопротивление каждого источника питания в батарее.

Параллельное соединение химических источников питания применяется в том случае, когда напряжение потребителя равно напряжению одного источника питания, а сила тока потребителя (нагрузки) значительно превосходит разрядный ток источника.

Смешанное соединение источников питания

При смешанном соединении элементы объединяются в группы последовательно соединенных элементов с равным числом источников питания. Положительные контакты каждой группы источников питания соединяются в один общий узел, а отрицательные – в другой узел (рисунок 3).

Рис. 3. Смешанное соединение источников питания

Смешанное соединение применяется тогда, когда необходимо обеспечить нагрузку напряжением и током, большим чем у входящих в состав батареи источников питания.

Источник