Strāvas avota radītā sprieguma U iespaidā elektriskajā ķēdē plūst strāva. Tomēr šis spriegums ir tika viens no fizikālajiem lielumiem, kas raksturo strāvas avotu. Ja elektriskajā ķēdē ir ieslēgts strāvas avots, tad pa ķēdi elektrisko spēku Fe ietekmē pārvietojas lādiņi (1. att.). Lai elektriskā strāva nepārtrūktu, lādiņiem ir jāpārvietojas arī avota iekšpusē. Lādiņi avota iekšpusē pārvietojas ārēju spēku Fa ietekmē. Šie spēki, pārvietojot lādiņu q avota iekšpusē, padara darbu A. No šī padarītā darba apjoma ir atkarīgs tas, cik “spējīgs” ir strāvas avots, tādēļ padarītā darba A un pārvietotā lādiņa lieluma attiecību sauc par avota elektrodzinējspēku (saīsināti EDS) E = A : q, kur
A – ārējo spēku veiktais darbs (J),
q – lādiņa lielums (C),
EDS mērvienība ir volts (V).
1.att. Strāvas avota elektrodzinējspēks (EDS)
Strāvai plūstot noslēgtā ķēdē, pretestību rada ne tikai ķēdē ieslēgtie patērētāji, bet arī pats strāvas avots, jo tam ir iekšējā elektriskā pretestība r. Lai aprēķinātu kopējo strāvas stiprumu visā elektriskajā ķēdē, šī pretestība ir jāņem vērā. Šādā gadījumā lieto Oma likumu pilnai ķēdei: I = E : (R + r), kur
I – strāvas stiprums (A),
E – avota EDS (V),
R – kopējā ārējā pretestība (Ω),
r – avota iekšējā pretestība (Ω).
Pārveidojot Oma likumu pilnai ķēdei, iegūst E = I · (R + r) = I · R + I · r = U + Ui, kur
U – sprieguma kritums ārējā ķēdē (V),
Ui– sprieguma kritums strāvas avotā (V).
2.att. Oma likums pilnai ķēdei
Strāvas avotiem līdzīgi kā patērētājiem iespējami dažādi slēgumi. Virknē saslēgtiem strāvas avotiem summējas to EDS, līdz ar to, ja virknē saslēgti N strāvas avoti (3. att.), tad to kopējais EDS ir E = E1 + E2 + ... + En. Avotu iekšējās pretestības summējas pēc patērētāju virknes slēguma sakarībām. Ja visiem strāvas avotiem ir vienāda iekšējā pretestība r, tad virknē slēgtiem N avotiem kopējā iekšējā pretestība būs rN = N · r.
3.att. Strāvas avotu virknes slēgums
Paralēli saslēgtiem strāvas avotiem nenotiek EDS summēšanās, tādēļ, ja paralēli saslēgti N strāvas avoti ar vienādām EDS vērtībām (4. att.), tad kopējā slēguma EDS vērtība E būs tāda pati kā katram atsevišķam strāvas avotam: E = E1 = E2 = ... = EN. Šī slēguma priekšrocība ir tā, ka avotu iekšējās pretestības arī saslēdzas paralēlajā slēgumā, līdz ar to kopējā iekšējā pretestība rNir mazāka nekā atsevišķo avotu iekšējās pretestības. Ja visiem avotiem iekšējās pretestības ir vienādas ar r, tad N paralēli slēgtu avotu kopējā pretestība rN = r : N. Mazāka iekšējā pretestība nodrošina spēcīgāku strāvas plūsmu.
4.att. Strāvas avotu paralēlais slēgums
Noslēgtā ķēdē strāvas stiprumu I uztur tajā ieslēgtais strāvas avots, kura EDS ir E (1. att. a). Avota EDS būtībā “pārpumpē” elektronus no viena avota polu uz otru, tādā veidā nodrošinot potenciālu starpību U. Šajā gadījumā atkal ir spēkā analoģija ar ūdens plūsmu cauruļu sistēmā. Kā jau ierasts, elektriskajai pretestībai R ūdens cauruļu sistēmā atbilst cauruļu sašaurinājums (1. att. b), bet strāvas avotam atbilst ūdens sistēmā esošs pumpis, kas potenciālo enerģiju zaudējušajam ūdenim to atkal piešķir, lai tas var turpināt plūst pa cauruļu sistēmu. Līdzīgā veidā avota EDS lādiņnesējiem, kas zaudējuši enerģiju, atkal to pievada, lai tie ir spējīgi plūst cauri elektriskajai ķēdei. Vēl ūdens pumpim kā mehāniskai ierīcei piemīt arī pretestība tai kustībai, kas ir analoga strāvas avota iekšējai pretestībai r.
1.att. Avota EDS un ūdens plūsmas anoloģija
Lādiņiem strāvas avotā tiek piešķirta elektriskā enerģija. Šo darbiņu paveic ārējie spēki Fa, kas darbojas avota iekšpusē. Elektriskā enerģija tiek iegūta uz kādas cita veida enerģijas, kas pastāv avotā, piemēram, ķīmiskās enerģijas rēķina. Šāda strāvas avota piemērs ir sērskābes šķīdumā iegremdētas vara un cinka plāksnītes, ko sauc par elektrodiem (2. att.). Sērskābes šķīdumā (elektrolītā) veidojas H+un SO4-2joni, tā rezultātā cinka elektrods uzlādējas negatīvi, bet vara elektrods – pozitīvi. Attiecīgo strāvas avotu sauc par Voltas elementu, un starp tā elektrodiem ir 1,1 V liela potenciālu starpība.
2.att. Lādiņu pārnese strāvas avotā – Voltas elementā
Līdzīgi kā Voltas elementam, arī veikalā nopērkamajām “pirkstiņu” baterijām potenciālu starpība jeb EDS ir 1,5 V, un tas ir nepietiekami dažādām elektriskajām ierīcēm, ko lietojam ikdienā. Lai iegūtu lielāku spriegumu, pastāv iespēja šos strāvas avotus saslēgt virknē (3. att.). Ja divus strāvas avotus ar EDS E1un E2saslēdz virknē, tad to kopējais EDS E = E1 + E2(3. att.). Ja strāvas avota EDS pielīdzina ūdens sūknim, kas uzceļ ūdeni noteiktā augstumā, tad, saslēdzot strāvas avotu virkni, šie pumpji analoģiski tiktu salikti viens aiz otra, līdz ar to augstums, kurā paceltos ūdens, palielinātos (3. att.).
3.att. Strāvas avotu virknes slēgums un tā līdzība ar ūdens pumpēšanu
Strāvas avotu virknes slēgums tiek plaši lietots, piemēram, dažādos lukturīšos (4. att. a) un lāzeru pointeros (4. att. b), kā arī pulksteņos, radio aparātos, mūzikas atskaņotājos un daudzkur citur. Ierasts, ka automašīnas un traktortehnikas elektrosistēmas darbojas ar 12 V spriegumu, tomēr ir izņēmumi, piemēram, lielas jaudas traktori, kuriem dažādām elektriskām operācijām ir nepieciešami lielāki spriegumi, tādēļ šajos agregātos lieto 24 V sistēmu un šo spriegumu panāk, saslēdzot virknē divus 12 V akumulatorus (4. att. c). Gadās, ka paši strāvas avoti ir virknes slēgums no vairākiem mazākiem strāvas avotiem, piemēram, 9 V “kronas” baterija sastāv no 6 virknē saslēgtiem elementiem (4. att. d).
4.att. Strāvas avotu virknes slēguma piemēri
Strāvas avotu paralēlajā slēgumā prasti slēdz avotus ar vienādu EDS. Ja patērētājam ir pievienots viens strāvas avots ar EDS E1, tad ūdens sūknēšanas analoģijā tam atbilstu process, kurā ūdens sūknis no ūdens rezervuārā paceltu ūdeni augstumā h1(5. att. a). Ja paņem vēl vienu strāvas avotu ar EDS E2 = E1 = E un šos avotus saslēdz paralēli, tad analoģijas gadījumā ar ūdens pumpjiem tie abi no ūdens rezervuāra pumpētu ūdeni vienā augstumā h2 = h1 = h(5. att. b). Var secināt, ka šāds slēgums ķēdes spriegumu nepaaugstina, tomēr ūdens tiek uzpumpēts vairāk, līdz ar to šādā slēgumā palielinās strāvas stiprums. Ja abu strāvas avotu iekšējās pretestības ir r, tad viena strāvas avota gadījumā Oma likums pilnai ķēdei izskatās I = E : (R + r). Divu strāvas avotu gadījumā tas transformējas uz I = E : (R + r : 2). Redzams, ka kopējā pretestība samazinās, tādēļ arī pieaug strāvas stiprums.
5.att. Strāvas avotu paralēlais slēgums un tā līdzība ar ūdens pumpēšanu
Paralēlo slēgumu strāvas avotiem izmanto tad, kad elektroniskajā ierīcē ir nepieciešams pēc iespējas ilgāk uzturēt elektrisko strāvu vai baterijas izlādēšanās gadījumā pieslēgt papildu strāvas avotu. Piemēram, dzeltenajās brīdinājuma lampās ceļa remontu posmos vai arī portatīvajos datoros, kuros paredzēta vieta vairāk nekā vienai baterijai, šīs baterijas savstarpēji ir slēgtas paralēli. Pastāv iespēju portatīvo datoru pieslēgt kādai ārējai baterijai (6. att. a), un pieslēgšana arī notiek caur paralēlo slēgumu. Ja portatīvo datoru izmanto, piemēram, telefona lādēšanai (7. att. b), tad mobilā telefona un portatīvā datora baterijas nonāk sarežģītā paralēlā slēgumā. Ja ir kādreiz nācies automašīnu “piepīpēt” (6. att. c), tad arī šajā gadījumā automašīnu akumulatori tiek slēgti paralēli (pamācība auto “piepīpēšanai”).
6.att. Strāvas avotu paralēlā slēguma piemēri
Potenciālu starpība U = φ1 - φ2starp strāvas avota elektrodiem izraisa elektrisko lauku ar intensitāti E, kas darbojas gan ārējā elektriskajā ķēdē, gan avota iekšpusē (1. att.). Ārējā ķēdē šis elektriskais lauks izraisa lādiņa q0pārvietošanos virzienā no viena avota elektroda uz otru, bet, kad lādiņš sasniedzis otru elektrodu, tad šis elektriskais lauks darbojas tā, lai neļautu lādiņam atgriezties starta pozīcijā. Šajā brīdī talkā nāk ārējais spēks Fa, kas ar savu elektrisko lauku Eapārvar pretestību un nogādā lādiņu atpakaļ uz sākotnējo elektrodu, un lādiņš atkal var uzsākt kustību pa elektrisko ķēdi. Spēka lielumu var aprēķināt, izmantojot elektriskā lauka intensitātes definīciju: Fa = F = q0 · E, kur
Fa– ārējā spēka lielums (N),
F – elektriskā spēka lielums, kad darbojas pret lādiņa pārvietošanu avotā (N),
q0– pārvietojamā lādiņa lielums (C),
E – elektriskā lauka intensitāte (V : m vai N : C).
1.att. Procesi noslēgtā elektriskajā ķēdē
Ja vērā ņem arī strāvas avota iekšējo pretestību r, tad tā rada papildu grūtības, kas jāpārvar ārējam spēkam Fa. Ja iekšējā pretestība rada pretestības spēku Fr, tad Fa = F + Fr (2. att.). Elektriskā lauka intensitāte un tās izraisītais spēks F visos ārējās ķēdes posmos nav vienāds. Tur, kur lādiņš sastopas ar patērētāju, tam ir jāpārvar lielāka pretestība, tādēļ pieaug arī elektriskā lauka intensitāte E un tā izraisīta spēka F vērtība (2. att.).
Apskaties baterijas un patērētāju slēgumus!
2.att. Noslēgtā elektriskajā ķēdē darbojas dažādi spēki
Iepriekš apskatītā Voltas elementa potenciālu starpība starp elektrodiem U = 1,1 V. Šajā potenciālu starpībā ieguldījumu veic abi elektrodi. Vara elektrods, piesaistot no elektrolīta pozitīvos jonus, iegūst pozitīvu potenciālu attiecībā pret sērskābes šķīdumu: φ1 = + 0,77 V. Cinka elektrods no elektrolīta piesaista negatīvos jonus, kas nodrošina tam negatīvu potenciālu φ2 = -0,33, līdz ar to potenciālu starpība U = φ1 - φ2 = 0,77 - (-0,33) = 1,1 V.
3.att. Potenciāli un to starpība Voltas elementā
Strāvas avotam ir trīs galvenie uzbūves elementi: katods, anods un elektrolīts. Katods ir pozitīvais strāvas avota pols, kam ir pozitīvs potenciāls, anods ir negatīvais strāvas avota pols, kas piesaista negatīvos jonus, un tā potenciāls ir negatīvs, bet elektrolīts darbojas kā vide, kurā notiek lādiņu pārnese starp anodu un katodu (4. att.)
4.att. Strāvas avota uzbūve
Līdzīgi Voltas elementam darbojas Voltas stabs (5. att.). Tajā par elektrodiem tiek izmantotas no vara un cinka veidotas plates, taču atšķirība ir tā, ka šajā gadījumā elektrodi pilnībā neatrodas elektrolītā, bet starp platēm ir novietots elektrolītā samērcēts papīrs, kas nodrošina elektrolīta funkciju. Voltas stabs nodrošina lielāku spriegumu, jo viens uz otra saliktie elementi veido strāvas avotu virknes slēgumu, tādēļ to EDS summējas.
5.att. Voltas stabs
Lai gan Voltas elements tika izveidots 18. gadsimtā, tā uzbūves principi tiek izmantoti arī mūsdienu 12 V automašīnu akumulatoros, kuros spriegumu nodrošina nevis viens elements, bet gan kopumā seši elementi (6. att.). Arī šajā gadījumā visi seši elementi ir slēgti virknes slēgumā, tādēļ to EDS summējas. Automašīnas akumulatoram bez EDS vēl svarīgi raksturlielumi ir ampērstundas (A · h), kas norāda tā ietilpību, kā arī maksimālais strāvas stiprums Imax, ko tas var nodrošināt. Maksimālais strāvas stiprums ir svarīgs startēšanas procesā, jo automašīnas starterim ir nepieciešama ļoti spēcīga strāva.
6.att. Automašīnas akumulatora uzbūve
Strāvas avotu ir iespējams izveidot no citrona. Ja citronā ievieto, piemēram, cinka naglu un vara monētu (7. att.), tad starp šiem elektrodiem veidojas potenciālu starpība. Šajā gadījumā par elektrolītu darbojas citronā esošās skābes.
7.att. Citronu baterija