+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

ЭДС и напряжение. Внутреннее сопротивление источников питания.

РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Основы электроники >

ЭДС и напряжение. Внутреннее сопротивление источников питания.

Ликбез так ликбез!
Несмотря на то, что многие из посетителей этого сайта являются продвинутыми радиокотами и уже успешно занимаются программированием и конструированием, существуют еще отдельные котята, у которых возникают иногда вопросы, связанные с азами радио- (или даже электро) техники.

Итак, вернемся к азам… По азу- я всех везу! Ой! Это из другой оперы…

Закон Ома. Вот я о чем.

О законе Ома мы уже говорили. Поговорим еще раз — с несколько иной стороны. Не вдаваясь в физические подробности и выражаясь простым кошачьим языком, закон Ома гласит: чем больше э.д.с. ( электродвижущая сила), тем больше ток, чем больше сопротивление, тем меньше ток.

Переведя сие заклинание на язык сухих формул получаем:

I=E/R

где:
I — сила тока,
E — Э.Д.С. — электродвижущая сила
R — сопротивление

Ток измеряется в амперах, э.д.с. — в вольтах, а сопротивление носит гордое имя товарища Ома.
Э.д.с. — это есть характеристика идеального генератора, внутренне сопротивление которого принято считать бесконечно малым. В реальной жизни такое бывает редко, поэтому в силу вступает закон Ома для последовательной цепи (более знакомый нам):

I=U/R

где:
U — напряжение источника непосредственно на его клеммах.

Рассмотрим простой пример.

Представим себе обычную батарейку в виде источника э.д.с. и включенного последовательно с ним некоего резистора, который будет олицетворять собой внутреннее сопротивление батарейки. Подключим параллельно батарейке вольтметр. Его входное сопротивление значительно больше внутреннего сопротивления батарейки, но не бесконечно большое — то есть, через него потечет ток. Величина напряжения, которую покажет вольтметр будет меньше величины э.д.с. как раз на величину падения напряжения на внутреннем воображаемом резисторе при данном токе.

Но, тем не менее именно эта величина и принимается за напряжение батарейки.

Формула конечного напряжения при этом будет иметь следующий вид:

U(бат)=E-U(внутр)

Так как со временем у всех элементов питания внутреннее сопротивление увеличивается, то и падение напряжения на внутреннем сопротивлении тоже увеличивается. При этом напряжение на клеммах батарейки уменьшается. Мяу!

Разобрались!

Что же происходит, если вместо вольтметра к батарейке подключить амперметр? Так как собственное сопротивление амперметра стремится к нулю, мы фактически будем измерять ток, протекающий через внутреннее сопротивление батарейки.

Так как внутренне сопротивление источника очень небольшое, измеренный при этом ток может достигать н ескольких ампер.

Однако следует заметить, что внутреннее сопротивление источника является таким же элементом цепи, как и все остальные. Поэтому при увеличении тока нагрузки падение напряжения на внутреннем сопротивлении также увеличится, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке. Или как мы, радиокоты, любим выражаться — к просадке напруги.

Чтобы изменение нагрузки как можно меньше влияло на выходное напряжение источника его внутреннее сопротивление стараются свести к минимуму.

Можно так подобрать элементы последовательной цепи, чтобы на каком-нибудь из них получить напряжение, уменьшенное, по сравнению с исходным, во сколько угодно раз.

Простейший делитель напряжения состоит из двух резисторов.
Чем меньшую часть исходного напряжения мы хотим получить и передать в нагрузку, тем меньше должно быть сопротивление резистора, с которого оно снимается. Кроме того, сопротивление этого резистора должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки, иначе подключение нагрузки изменит сопротивление всего участка, и напряжение на нем изменится.

Частенько вместо одного из резисторов делителя используют саму нагрузку. В этом случае второй резистор, на котором гасится избыток напряжения, называют гасящим сопротивлением.

Подключив резистор параллельно нагрузке, можно уменьшить идущий через нее ток. Резистор, который включается для ответвления лишнего тока, порядочные коты называют шунтом (ШУНТ в переводе на русский — обходной путь).

Нормальные герои всегда идут шунтом! (Шутка!)

Чем меньше сопротивление шунта, тем большая часть тока пойдет через него и меньшая через нагрузку.
Уф! Запарилась писать такие объемы на своей КПКошке…
Вопросы есть? Будут — пишите. Может, чего еще из школьной программы вспомню.

<<—Вспомним пройденное—-Поехали дальше—>>


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Внутреннее сопротивление источника тока — Энциклопедия по машиностроению XXL

При этом предполагается, что внутреннее сопротивление источника тока и гальванометра много меньше величин Rl, R , R и Rl. При работе датчика сопротивление R изменяется на R и  
[c.515]

Внутреннее сопротивление источника тока. В электрической цепи, состоящей из источника тока и проводников с электрическим сопротивлением R, электрический ток совершает работу не только на внешнем, но и на внутреннем участке цепи. Например, при подключении лампы накаливания к гальванической батарее карманного фонаря электрическим током нагреваются не только спираль лампы и подводящие провода, но и сама батарея.

Электрическое сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением. В электромагнитном генераторе внутренним сопротивлением является электрическое сопротивление провода обмотки генератора. На внутреннем участке электрической цепи выделяется количество теплоты, равное  [c.150]


Для определения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока К его выходу был подключен сначала резистор сопротивлением Д =2 Ом, затем — резистор сопротивлением Лг = 4 Ом. В первом случае сила тока в цепи была 7i=0,5 А, во втором — /2 = 0,3 А. По этим значениям силы тока и электрического сопротивления внешней цепи найдите ЭДС источника и его внутреннее сопротивление.  
[c.212]

Внутреннее сопротивление источника тока 150 Внутренняя энергия 94 Возбужденные состояния атомов 311  [c.359]

Чем больше сопротивление вольтметра по сравнению с внешним сопротивлением цепи, тем меньше погрешность. Но условие R необходимое условие малости 5. Погрешность мала также и в том случае, когда выполняется условие г внешнее сопротивление может быть как угодно велико. Погрешность систематическая методическая.  [c.44]

При составлении и решении уравнений (115) и (116) было сделано два допущения 1) внутреннее сопротивление источника тока настолько мало, что им можно пренебречь 2) напряжение источника тока достаточно постоянно и не изменяется при измерениях. При практических измерениях по этому методу, необходимо помнить об этих условиях и выбирать такой источник тока, который обладает малым внутренним сопротивлением и обеспечивает постоянство напряжения при замерах этим условиям удовлетворяет исправный и хорошо заряженный аэродромный аккумулятор.  [c.209]

При конечной же скорости переноса процесс идет необратимо чтобы заставить заряды двигаться обратно, их нужно сначала остановить. При этом конечной,будет и скорость изменения концентрации ионов в электролите.

Поэтому их равновесное распределение по обе стороны полупроницаемой перегородки не будет успевать, как следует, устанавливаться и определяемая этим распределением разность потенциалов будет уменьшаться. Она будет становиться меньше, чем величина ЭДС. Такой же механизм уменьшения напряжения при конечной величине отбираемого тока действует во всех химических источниках тока, и его обычно учитывают, вводя представление о внутреннем сопротивлении источника.  [c.112]

Стабилитрон — прибор, включаемый в параметрических стабилизаторах напряжения параллельно нагрузке и поддерживающий на последней напряжение постоянным за счет постоянства напряжения на приборе при изменении тока в пределах его рабочего диапазона стабилитрон подсоединяют к источнику тока через добавочное сопротивление, роль которого в отдельных случаях может играть внутреннее сопротивление источника, если оно достаточно велико при изменении  

[c.153]


Роторные токи собственно турбины включают ток статического электричества, обусловленный взаимодействием потока пара с проточными частями турбины. Максимальное напряжение тока статического электричества около 1000 В определяется сопротивлением между ротором и корпусом, а сила тока — внутренним сопротивлением источника и не превышает 1-2 мА на 25 т/ч пара, т.е.не более  [c.239]

Какая систематическая погрешность, %, будет при измерении силы тока амперметром с сопротивлением R3I (Сопротивление вольтметра очень большое, а внутреннее сопротивление источника г = 2 Ом).  [c.46]

Ответ. Правильно, если вольтметр электростатический. Вольтметры, через которые идет ток, показывают напряжение на своих клеммах U = IR . Если много больше внутреннего сопротивления источника, то показания вольтметра практически равны ЭДС источника.  [c.132]

Согласно экспериментальным данным, при выборе источника питания необходимо стремиться к тому, чтобы источник питания для стыковой машины приходится выбирать не только по его номинальной мощности из расчета допустимого нафева, но также по его внутреннему сопротивлению для обеспечения устойчивого оплавления. Внутреннее сопротивление источника питания характеризуется так называемым единичным сопротивлением по переменному току  [c.189]

Такое многократное увеличение тока очень опасно для источника электроэнергии, т. к. выделяемое током тепло пропорционально квадрату тона. По этой причине в момент короткого замыкания разрушается не только изоляция, но расплавляются токонесущие части и провода. Следовательно, режим короткого замыкания является аварийным и недопустимым, /-г напряжение на зажимах источника и=1-Л в момент короткого замыкания падает практически до нуля (очень малая величина). Электродвижущая сила источника в момент короткого замыкания расходуется только на преодоление внутреннего сопротивления источника Е=1г.  [c.9]

В то же время высокое внутреннее сопротивление источников питания переменного тока по отношению к сопротивлению нагрузки -сопротивлению свариваемых деталей (Гээ) -обеспечивает формирование пологой нагрузочной характеристики, что способствует стабилизации сварочного тока при колебаниях  [c. 348]

У источников тока с незначительным внутренним сопротивлением напряжение на зажимах практически равно ЭДС. Если же внутреннее сопротивление источника более или менее значительно, то напряжение на его зажимах меньше ЭДС на величину внутренней потери напряжения. Напряжение источника тока в этом случае составит  [c.11]

Напряжение на клеммах нагруженного источника отличается от ЭДС и а величину падения напряжения и а внутреннем сопротивлении источника. Внутреннее сопротивление в гальванических источниках значительно больше, чем у аккумуляторов, поэтому при потреблении аппаратурой больших токов с малой суммарной энергией следует отдавать предпочтение аккумуляторам.  [c.17]

Если внутреннее сопротивление источника тока, т. е. сопротивление проводов обмотки статора, значительно меньше сопротивления внешней электрической цепи, то напряжение и на выходе генератора можно считать равным по абсолютному значению ЭДС индукции в п последовательно включенных витках обмотки и = пе = пВЗш sin ot. (68.5)  [c.238]

Примечание. При расчете микрофонных усилктелеЯ исход.чт из следующих сооб-ражений. Номинальное сопротивление микрофона является внутренним сопротивлением источника тока на входе усилителя, входное сопротивление усилителя — сопротивлением нагрузки микрофона. ЭДС источника тока — вы.ходное напряжение микрофона на холостом ходу.  [c.87]


Вернемся снова к рис. 6.52. При его внимательном изучении возникает вопрос почему электронный кпюч не замыкает накоротко источник питания Конечно, он его замыкает, но из-зе большого внутреннего сопротивления источника ток короткого  [c.125]

Это. изменение завйсит от соотношения между внутренним сопротивлением источника тока—и сопротивлением громкоговорителя.  [c.118]

Схемы ЭМВ, применяемые в испытательных машинах, в частности в машине типа УРС-Ю/ЗОООО, показаны на рис. 55. В возбудителях (рис. 55, а) отсутствует поляризация какого-либо участка магнитопровода. В возбудителях (рис. 55, б и в), имеющих различный тип магнитопроводов, поляризация осуществляется пропусканием постоянного тока через одну из обмоток. Это приводит к дополнительному расходу энергии переменного тока на внутреннем сопротивлении источника, питающего обмотку поляризации. Для уменьшения потерь последовательно с обмоткой поляризации включается дроссель. Однако это вынуждает увеличивать мощность источника постоянного тока поляризации.  [c.268]

Сопротивление изоляции подшипников генератора и возбудителя контролируется методом «вольтметр-амперметр , предложенньш в [172] и [173]. В соответствии с этой методикой собирается схема и поочередным шунтированием масляной пленки и изоляции подшипника определяется их сопротивление. Из эквивалентной схемы этого измерения ясно, чю в случае шунтирования масляной пленки внутреннее сопротивление источника близко к нулю, ток шунта измерительной цепи практически не зависит от тока через масляную пленку и определяется только сопротивлением изоляции подшипника генератора.[c.241]

Бели сопротивление изоляции близко к нулю, ток при шунтировании масляной пленки может составлять десятки, сотни и тысячи ампер, что и наблюдалось неоднократно в эксплуатации. В случае шунтирования изоляции сопротивление масляной пленки добавляется к внутреннему сопротивлению источника, существенно снраничивая его ток. Собственно, благодаря высокому начальному сопротивлению масляных пленок успешно эксплуатируются без изоляции электрические машины мощностью до 1000 кВт и годами работают без повреждений машины большей мощности при неисправной или некачественной изоляции уплотнения и подшипников генератора. Ток, ограниченный сопротивлением масляной пленки, распределяется в соответствии с законом Ома между шунтом измерительной цепи и неисправной изоляцией подшипника. Если сопротивление изоляции существенно меньше сопротивления шунта, ток шунта будет близок к нулю, а сопротивление масляной пленки, определяемое по данной методике, будет стремиться к бесконечности, несмотря на протекание через пленку значительного тока.[c.241]

Если го—охмичеакое сопротивление, то питающий ток может быть как постоянным, так и переменным, с частотой много выше верхней частоты диапазона сигнала (т. е. частоты изменения переменной величины А/). При реактивном сопротивлении 2о ток о. очевидно, должен быть переменным. При питании постоянным током полезный эффект определяется вторым слагаемым правой части выражения (5.34). Это слагаемое можно рассматривать в эквивалентной схеме как некоторую эдс, а сопротивление го — как внутреннее сопротивление источника этой эдс. Тогда для переменных  [c.225]

Основные параметры источников питания должны удовлетворять требованиям технологического процесса сварки. К основным параметрам источников питания относятся величина сварочного тока при номинальном режиме работы, пределы регулирования сварочного тока, напряжение на зажимах источника питания под нагрузкой (рабочее), напряжение холостого хода, внешние характеристики. Кроме того, при выборе источника питания следует учитывать коэффициент полезного действия, коэффициент мощности созф и внутреннее сопротивление источника питания.[c.4]

Благодаря тому, что токи утечки затвора ПТ имеют значение порядка единиц пико ампер, падение шумового напряжения на внутреннем сопротивлении источника К,, вы званное шумовым током генератора 1ц,пт = =лГ2ч1ч( в— н), можно считать равным нулю  [c.129]


внутреннее сопротивление источника — это… Что такое внутреннее сопротивление источника?

внутреннее сопротивление источника
source impedance

Большой англо-русский и русско-английский словарь. 2001.

  • внутреннее сопротивление
  • внутреннее состояние

Смотреть что такое «внутреннее сопротивление источника» в других словарях:

  • внутреннее сопротивление источника питания — — [Я.Н.Лугинский, М. С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] внутреннее сопротивление Измеряемое в Омах, общее сопротивление по постоянному току, протекающему через… …   Справочник технического переводчика

  • полное (внутреннее) сопротивление источника питания — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN source impedance …   Справочник технического переводчика

  • Внутреннее сопротивление — Двухполюсник и его эквивалентная схема Внутреннее сопротивление двухполюсника  импеданс в эквивалентной схеме двухполюсника, состоящей из последовател …   Википедия

  • внутреннее сопротивление химического источника тока — внутреннее сопротивление Сумма омического сопротивления химического источника тока и поляризационных сопротивлений его электродов. [ГОСТ 15596 82] Тематики источники тока химические Классификация >>> Синонимы внутреннее сопротивление …   Справочник технического переводчика

  • Внутреннее сопротивление химического источника тока — 36. Внутреннее сопротивление химического источника тока Внутреннее сопротивление Сумма омического сопротивления химического источника тока и поляризационных сопротивлений его электродов Источник: ГОСТ 15596 82: Источники тока химические. Термины… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • кажущееся внутреннее сопротивление (химического источника тока) — кажущееся внутреннее сопротивление Отношение изменения напряжения вторичного химического источника тока к соответствующему изменению тока в заданных условиях. [Инструкция по эксплуатации стационарных свинцово кислотных аккумуляторных батарей в… …   Справочник технического переводчика

  • СОПРОТИВЛЕНИЕ — (1) аэродинамическое (лобовое) сила, с которой газ действует на движущееся в нём тело. Оно всегда направлено в сторону, противоположную скорости движения тела, и является одной из составляющих аэродинамической силы; (2) С. гидравлическое… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Отрицательное дифференциальное сопротивление — свойство отдельных элементов или узлов электрических цепей, проявляющееся в возникновении на вольтамперной характеристике участка, где напряжение V уменьшается при увеличении протекающего тока I (dV/dl = R < 0). C точки зрения радиотехники… …   Википедия

  • Отрицательное сопротивление — Отрицательное дифференциальное сопротивление свойство отдельных элементов или узлов электрических цепей, проявляющееся в возникновении на вольтамперной характеристике участка, где напряжение V уменьшается при увеличении протекающего тока I (dV/dl …   Википедия

  • Импульсный стабилизатор напряжения — Импульсный стабилизатор напряжения  это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме[1], то есть большую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в… …   Википедия

  • Источник ЭДС — Рисунок 1  Обозначение на схемах источника ЭДС (слева) и реального источника напряжения (справа) Источник ЭДС (идеальный источник напряжения)  двухполюсник, нап …   Википедия

Нахождение внутреннего сопротивления и ЭДС источника.

В статье расчёт в маткаде переходных процессов в ёмкостном фильтре исследовался переходный процесс в фильтре поставленном на выходе однофазного однополупериодного выпрямителя, при этом в схеме замещения выпрямитель с источником переменного напряжения заменены последовательным соединением источника ЭДС и резистора, такая замена делает возможным расчёт схем но при этом для расчётов требуется найти ЭДС источника и его внутреннее сопротивление. Найти ЭДС источника и его внутреннее сопротивление эксперементально можно проделав опыт холостого хода и опыт короткого замыкания но это не всегда возможно, например когда необходимо найти ЭДС и внутреннее сопротивление источника представляющего собой вторичную обмотку трансформатора, поэтому бывает необходимо определить параметры схемы замещения источника не внося больших изменений сопротивления нагрузки в схему. Рассмотрим схему на рисунке 1:

Рисунок 1 — Схема для определения параметров схемы замещения источника.

В этой схеме значения ЭДС источника и его внутреннего сопротивления неизвестны, известны только показания амперметра и вольтметра. Учтём что тока в цепи вольтметра нет, так как у него большое сопротивление и его проводимостью можно пренебреч а сопротивление амперметра настолько мало что им тоже можно пренебреч и заменить амперметр перемычкой. Ток в этой цепи обозначим как I1 (его показывает амперметр) а напряжение на R1 и G обозначим как U1 (его показывает вольтметр) при этом будем считать что ток направлен как показано на рисунке 1, а напряжения на R1 и r направлены в туже сторону что и ток. Рассмотрим схему на рисунке 2 в которой изменено (в нашем случае увеличено) сопротивление реостата:

Рисунок 2 — Схема для определения параметров схемы замещения источника с изменённым сопротивлением реостата.

В этой схеме показание амперметра обозначим как I2 а показание вольтметра как U2.

Из схемы на рисунке 1, составим уравнение по второму закону Кирхгофа для контура который остаётся если заменить вольтметр разрывом:

Здесь E — ЭДС источника, U1 — напряжение на реостате (показывает вольтметр), I1 — ток в цепи (показывает амперметр), r — внутреннее сопротивление источника. Выразим из уравнения (1) напряжение U1:

Аналогично найдём U2, используя схему на рисунке 2:

Подставим (1) в (3):

Выразим из уравнения (4) внутреннее сопротивление источника r:

 Подставим (6) в (1) и найдём ЭДС источника:

По формулам (6) и (7) находятся параметры схемы замещения источника электрической энергии (по формуле (7) его ЭДС, по формуле (6) его внутреннее сопротивление). Последовательно с реостатом можно поставить измерительный резистор и использовать его для измерения тока вольтметром тогда измерения можно проводить одним вольтметром сначала подключая его паралельно источнику G, а потом паралельно измерительному резистору.
Для расчёта внутреннего сопротивления и ЭДС источника можно воспользоваться программой:
Первое измерение должно быть с меньшим сопротивлением реостата, а второе с большим.

Почему внутри источника существует внутреннее сопротивление. Реактивное внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление источников тока пренебрежимо мало.
Внутреннее сопротивление источника тока пренебрежимо мало.
Внутреннее сопротивление источника тока, рассчитанное по данной формуле, будет, строго говоря, действительно только для данного интервала нагрузок вследствие того, что поляризация не пропорциональна плотности тока.
Внутреннее сопротивление источника тока — сопротивление, которым обладает, источник тока. Это важная характеристика всякого источника тока, определяющая его внутреннее падение напряжения, напряжение, которое может создать источник на концах питаемой им цепи, и тот наибольший ток, который может дать источник при коротком замыкании.
Внутреннее сопротивление источника тока — сопротивление, которым обладает источник тока.
Внутренним сопротивлением источника тока, сопротивлениями соединительных проводов и контактов в ключах пренебречь.
Чему равно внутреннее сопротивление источника тока, ЭДС которого равна 30 В, если после включения внешней цепи сопротивлением 6 Ом напряжение на зажимах батареи стало равным 18 В.
Отсюда находим внутреннее сопротивление источника тока.
Здесь и далее внутренним сопротивлением источника тока и подводящих проводов следует пренебречь, если оно не задано в условии.
Здесь тэар при небольшом внутреннем сопротивлении источника тока и соответственно небольшом сопротивлении лампы rgK относительно невелико. Соответственно тзар, определяющееся в основном высоким сопротивлением RgK (получающимся в результате того, что при разряде потенциал сетки оказывается под отрицательным потенциалом относительно катода), становится во много раз больше, чем тзар и длина экспоненциального импульса на выходе (считая продолжительность для половины амплитуды) в несколько десятков раз превышает длительность импульса, по-данного на вход.
Определить электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника тока, если при одном положении движка реостата амперметр показывает 0 2 А, вольтметр — 1 8 В, а при другом положении движка — 0 4 Аи 1 6 В соответственно.
Обозначим через г — внутреннее сопротивление источника тока, через R — сопротивление каждого из вольтметров.
Ничем, так как внутреннее сопротивление источника тока бесконечно велико.
Сначала определим ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

Для определения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока к его выходу был подключен сначала резистор сопротивлением Д 2 Ом, затем — резистор сопротивлением Л2 4 Ом.
Наклон этих кривых определяется внутренним сопротивлением источника тока. В это понятие включается обычно как собственно омическое сопротивление, так и сопротивление, обусловленное поляризацией.
Здесь пренебрегают сопротивлением соединительных проводников и внутренним сопротивлением источника тока.
Для создания такого режима необходимо, чтобы внутреннее сопротивление источника тока было больше сопротивления базо-эмиг-терного перехода как в открытом, так и в закрытом состоянии. Чаще всего это условие выполняется при включении последовательно входу транзнсюра индуктивной катушки, которая одновременно является контурной катушкой.
При прохождении тока часть мощности выделяется на внутреннем сопротивлении источника тока.
К каким отрицательным последствиям приводит то, что внутреннее сопротивление источника тока дифференциального каскада имеет конечное значение.
Цепь из двух параллельных ветвей. U (в в течение t сек. равна.| Соотношения между единицами энергии. Мощность, передаваемая нагрузке, будет максимальной при раввщ ве внутреннего сопротивления источника тока и сопротивления нагрузки.
Зачастую серьезные недоразумения возникают у учащихся из-за неумения правильно учитывать влияние внутреннего сопротивления источников тока на режим работы всей электрической цепи. Ряд задач параграфа (например, 383, 385, 386, 392 — 395 и др.) посвящен специально выяснению этого вопроса, а также выяснению вопроса о выборе наиболее выгодных условий работы источников тока.
Кристаллы аммиаката цинка не-электропроводны, и образование этого соединения приводит к увеличению внутреннего сопротивления источника тока.
В любом замкнутом контуре (например, а ] 6, с алгебраическая сумма электродвижущих сил равна алгебраической сумме произведений величин токов на сопротивления отдельных участков цепи. Вычисляя сумму произведений токов на сопротивления отдельных участков цепи, следует учитывать также и внутренние сопротивления источников тока.
Если предположить, что емкость C0z пренебрежимо мала или включить ее в схему четырехполюсника Q, то внутреннее сопротивление источника тока / g можно считать действительным и равным У.
Получили, что максимальная мощность выделяется на нагрузке при условии, что величина внешнего сопротивления цепи R равна внутреннему сопротивлению источника тока.
Здесь под R понимается сопротивление всех резисторов, образующих цепь (сопротивление нагрузки), а под г — внутреннее сопротивление источника тока.

Здесь под R понимается сопротивление всех резисторов, образующих цепь (сопротивление нагрузки), а под т — внутреннее сопротивление источника тока.
Механическая система и ее электрические модели (метод четырехполюсников. Как уже указывалось выше, внутреннее сопротивление источника напряжения (первая система аналогий) должно быть весьма малым, а внутреннее сопротивление источника тока (вторая система аналогий) — весьма большим, по сравнению с сопротивлением модели.
К положительным качествам рассматриваемого преобразователя следует отнести то, что в нем не предъявляется особо жестких требований к переходному сопротивлению ключей, так как величина их переходного сопротивления составляет лишь незначительную часть внутреннего сопротивления источника тока и не оказывает влияния на точность преобразования.
Итак, при последовательном включении п одинаковых источников тока электродвижущая сила образующейся батареи в п раз превышает электродвижущую силу отдельного источника тока, однако в этом случае складываются не только электродвижущие силы, но также и внутренние сопротивления источников тока. Такое включение является выгодным, когда внешнее сопротивление цепи весьма велико в сравнении с внутренним сопротивлением.
Следует отметить, что схема рис. 1 — 2 6 эквивалентна схеме рис. 1 — 1 а только в отношений энергии, выделяющейся в сопротивлении нагрузки R, и не эквивалентна ей в отношении энергии, выделяющейся во внутреннем сопротивлении источника тока.
Но Сумма разностей потенциалов замкнутой цепи равна нулю, сумма сопротивлений всех участков замкнутой цепи — это ее суммарное сопротивление, которое обычно записывают в виде двух слагаемых: R — внешнее (по отношению к источникам) сопротивление иг — внутреннее сопротивление источников тока.
Второй [ IMAGE ] Схема к примеру. В этом уравнении г и г % — внутренние сопротивления источни-ков тока е и е2 — на схеме не показаны; IR, IR2 и IRS — падения напряжения на внешних сопротивлениях цепи; / г, и / г2 — падения напряжений на внутренних сопротивлениях источников тока.
Внутреннее сопротивление источника тока может быть как чисто активным, так и реактивным.
Зависимость р / ро — отношения (выраженного в децибелах звукового давления на поверхности жесткого цилиндра (с высотой, равной его диаметру, куба, сферы к звуковому давлению, имевшему место в поле до их внесения, от отношения dA (или. /. — диаметра цилиндра или сферы (или ребра куба к длине волны. Параметр семейства кривых — угол Ф между осью цилиндра, куба, сферы и направлением прихода звука. При расчете микрофонных усилителей исходят из следующих соображений. Номинальное сопротивление микрофона является внутренним сопротивлением источника тока на входе усилителя, входное сопротивление усилителя — сопротивлением нагрузки микрофона.
В качестве источников тока в потенциометрии чаще всего применяют аккумуляторы или сухие элементы, значительно реже — стабилизированные источники постоянного тока. Современные потенциометры устроены таким образом, что внутреннее сопротивление источника тока не отражается на работе потенциометра. При работе с сухими батареями и аккумуляторами необходимо учитывать зависимость разрядного тока от времени, которая имеет минимальную крутизну через 10 — 15 мин после включения.
Распределение электрического напряжения вдоль обмотки сверхпроводящего магнита при образовании в нем нормальной зоны. На самом деле (рис. 9.2) высокий потенциал развивается внутри обмотки, где существует активная компонента напряжения, направленная навстречу индуктивной. Небольшая разность потенциалов между подводящими проводами обусловлена внутренним сопротивлением источника тока, который обычно автоматически отключается при переходе магнита в нормальное состояние. Но даже если это не произойдет, напряжение на источнике тока будет составлять всего лишь несколько вольт по сравнению с сотнями и, возможно, тысячами вольт в нормальной зоне. Поэтому напряжением источника можно пренебречь, но источник тока следует по возможности быстро отключить, чтобы не допустить длительного тепловыделения в обмотке и криостате.

Символом Rt на рис. 5.12, а обозначено внутреннее сопротивление источника тока.
Ключ, закорачивающий точку А на землю, с малым сопротивлением в открытом состоянии. Сопротивление открытого ключа обычно пренебрежимо мало по срав-нению с внутренним сопротивлением источника тока. Поэтому падение напряжения на ключе вызывает ничтожную погрешность.
Зависимость зарядного тока гео. На рис. 3 показана зависимость зарядного тока геометрической емкости от времени без учета токов абсорбции. Необходимо отметить, что спад тока в этом случае определяется внутренним сопротивлением источника тока, а не состоянием изоляции.
Хорошо, что при решении задачи Вы воспользовались методом эквивалентного активного двухполюсника. К сожалению, Вы ошиблись в определении значения сопротивления активного двухполюсника R3K: внутреннее сопротивление источника тока бесконечно велико, поэтому пассивный двухполюсник, к которому преобразуется схема рис. 6.13 а, при определении R3K будет содержать два резис-тивных элемента, соединенных последовательно.
К, так как в противном случае в выражении (5.1) должно быть учтено также напряжение непосредственно на входе усилителя. Вторым ограничивающим условием при выводе соотношения (5.1) является предположение о том, что внутреннее сопротивление источника тока весьма мало.
Таким образом, трансформатор изменяет величину сопротивления R в k2 раз. Этим широко пользуются при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников тока.
Основные типы однофазных трансформаторов.| Однофазные трансформаторы большой мощности. Таким образом, трансформатор изменяет величину сопротивления г в k2 раз. Этим свойством широко пользуются ьри разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников тока.
Простей-шая электрическая цепь. Закон Ома справедлив не только для участка, но и для всей электрической цепи. В этом случае в значение R подставляется суммарное сопротивление всех элементов цепи, в том числе и внутреннее сопротивление источника тока. Однако при простейших расчетах цепей обычно пренебрегают сопротивлением соединительных проводников и внутренним сопротивлением источника тока.
Цепь постоянного тока. Напряжение, действующее во внешней электрической цепи источника тока, может быть представлено в виде суммы падений напряжения на отдельных элементах этой цепи. Но ведь ток, циркулирующий в цепи, протекает и через источник тока, который имеет свое сопротивление, называемое внутренним сопротивлением источника тока.

Допустим, есть простейшая электрическая замкнутая цепь, включающая в себя источник тока, например генератор, гальванический элемент или аккумулятор, и резистор, обладающий сопротивлением R. Поскольку ток в цепи нигде не прерывается, то и внутри источника он течет.

В такой ситуации можно сказать, что любой источник обладает некоторым внутренним сопротивлением, препятствующим току. Это внутреннее сопротивление характеризует источник тока и обозначается буквой r. Для или аккумулятора внутреннее сопротивление — это сопротивление раствора электролита и электродов, для генератора — сопротивление обмоток статора и т. д.

Таким образом, источник тока характеризуется как величиной ЭДС, так и величиной собственного внутреннего сопротивления r – обе эти характеристики свидетельствуют о качестве источника.

Электростатические высоковольтные генераторы (как генератор Ван де Граафа или генератор Уимшурста), к примеру, отличаются огромной ЭДС измеряемой миллионами вольт, при этом их внутреннее сопротивление измеряется сотнями мегаом, потому они и непригодны для получения больших токов.

Гальванические элементы (такие как батарейка) — напротив — имеют ЭДС порядка 1 вольта, хотя внутреннее сопротивление у них порядка долей или максимум — десятка Ом, и от гальванических элементов поэтому можно получать токи в единицы и десятки ампер.

На данной схеме показан реальный источник с присоединенной нагрузкой. Здесь обозначены , его внутреннее сопротивление, а также сопротивление нагрузки. Согласно , ток в данной цепи будет равен:

Поскольку участок внешней цепи однороден, то из закона Ома можно найти напряжение на нагрузке:

Выразив из первого уравнения сопротивление нагрузки, и подставив его значение во второе уравнение, получим зависимость напряжения на нагрузке от тока в замкнутой цепи:

В замкнутом контуре ЭДС равна сумме падений напряжений на элементах внешней цепи и на внутреннем сопротивлении самого источника. Зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки в идеальном случае линейна.

График это показывает, но экспериментальные данные на реальном резисторе (крестики возле графика) всегда отличаются от идеала:

Эксперименты и логика показывают, что при нулевом токе нагрузки напряжение на внешней цепи равно ЭДС источника, а при нулевом напряжении на нагрузке ток в цепи равен . Это свойство реальных цепей помогает экспериментально находить ЭДС и внутреннее сопротивление реальных источников.

Экспериментальное нахождение внутреннего сопротивления

Чтобы экспериментально определить данные характеристики, строят график зависимости напряжения на нагрузке от величины тока, затем экстраполируют его до пересечения с осями.

В точке пересечения графика с остью напряжения находится значение ЭДС источника, а в точке пересечения с осью тока находится величина тока короткого замыкания. В итоге внутреннее сопротивление находится по формуле:

Развиваемая источником полезная мощность выделяется на нагрузке. График зависимости этой мощности от сопротивления нагрузки приведен на рисунке. Эта кривая начинается от пересечения осей координат в нулевой точке, затем возрастает до максимального значения мощности, после чего спадает до нуля при сопротивлении нагрузки равном бесконечности.

Чтобы найти максимальное сопротивление нагрузки, при котором теоретически разовьется максимальная мощность при данном источнике, берется производная от формулы мощности по R и приравнивается к нулю. Максимальная мощность разовьется при сопротивлении внешней цепи, равном внутреннему сопротивлению источника:

Это положение о максимальной мощности при R = r, позволяет экспериментально найти внутреннее сопротивление источника, построив зависимость мощности, выделяемой на нагрузке, от величины сопротивления нагрузки. Найдя реальное, а не теоретическое, сопротивление нагрузки, обеспечивающее максимальную мощность, определяют реальное внутреннее сопротивление источника питания.

КПД источника тока показывает отношение максимальной выделяемой на нагрузке мощности к полной мощности, которую в данный момент развивает

Введение

Необходимость введения термина можно проиллюстрировать следующим примером. Сравним два химических источника постоянного тока с одинаковым напряжением:

Несмотря на одинаковое напряжение, эти источники значительно отличаются при работе на одинаковую нагрузку. Так, автомобильный аккумулятор способен отдать в нагрузку большой ток (от аккумулятора заводится двигатель автомобиля, при этом стартер потребляет ток 250 ампер), а от цепочки батареек стартер вообще не вращается. Относительно небольшая емкость батареек не является причиной: одного ампер-часа в батарейках хватило бы для того, чтобы вращать стартер в течение 14 секунд (при токе 250 ампер).

Таким образом, для двухполюсников, содержащих источники (то есть генераторы напряжения и генераторы тока) необходимо говорить именно о внутреннем сопротивлении (или импедансе). Если же двухполюсник не содержит источников, то «внутреннее сопротивление» для такого двухполюсника означает то же самое, что и просто «сопротивление».

Родственные термины

Если в какой-либо системе можно выделить вход и/или выход, то часто употребляются следующие термины:

Физические принципы

Несмотря на то, что на эквивалентной схеме внутреннее сопротивление представлено как один пассивный элемент (причём активное сопротивление , то есть резистор в нём присутствует обязательно), внутреннее сопротивление не сосредоточено в каком-либо одном элементе. Двухполюсник лишь внешне ведёт себя так, словно в нём имеется сосредоточенный внутренний импеданс и генератор напряжения. В действительности внутреннее сопротивление является внешним проявлением совокупности физических эффектов:

  • Если в двухполюснике имеется только источник энергии без какой-либо электрической схемы (например, гальванический элемент), то внутреннее сопротивление практически чисто активное (если только речь не идет об очень высоких частотах), оно обусловлено физическими эффектами, которые не позволяют мощности , отдаваемой этим источником в нагрузку, превысить определённый предел. Наиболее простой пример такого эффекта — ненулевое сопротивление проводников электрической цепи. Но, как правило, наибольший вклад в ограничение мощности вносят эффекты неэлектрической природы. Так, например, в мощность может быть ограничена площадью соприкосновения участвующих в реакции веществ, в генераторе гидроэлектростанции — ограниченным напором воды и т. д.
  • В случае двухполюсника, содержащего внутри электрическую схему , внутреннее сопротивление «рассредоточено» в элементах схемы (в дополнение к перечисленным выше механизмам в источнике).

Отсюда также следуют некоторые особенности внутреннего сопротивления:

Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника

Эффект внутреннего сопротивления является неотъемлемым свойством любого активного двухполюсника. Основной результат наличия внутреннего сопротивления — это ограничение электрической мощности, которую можно получить в нагрузке, питаемой от этого двухполюсника.

Пусть, имеется двухполюсник, который может быть описан приведённой выше эквивалентной схемой. Двухполюсник обладает двумя неизвестными параметрами, которые необходимо найти:

  • ЭДС генератора напряжения U
  • Внутреннее сопротивление r

В общем случае, для определения двух неизвестных необходимо сделать два измерения: измерить напряжение на выходе двухполюсника (то есть разность потенциалов U out = φ 2 − φ 1 ) при двух различных токах нагрузки. Тогда неизвестные параметры можно найти из системы уравнений:

где U out1 I 1 , U out2 — выходное напряжение при токе I 2 . Решая систему уравнений, находим искомые неизвестные:

Обычно для вычисления внутреннего сопротивления используется более простая методика: находится напряжение в режиме холостого хода и ток в режиме короткого замыкания двухполюсника. В этом случае система () записывается следующим образом:

где U oc — выходное напряжение в режиме холостого хода (англ. open circuit ), то есть при нулевом токе нагрузки; I sc — ток нагрузки в режиме короткого замыкания (англ. short circuit ), то есть при нагрузке с нулевым сопротивлением. Здесь учтено, что выходной ток в режиме холостого хода и выходное напряжение в режиме короткого замыкания равны нулю. Из последних уравнений сразу же получаем:

Измерение

Понятие измерение применимо к реальному устройству (но не к схеме). Непосредственное измерение омметром невозможно, поскольку нельзя подключить щупы прибора к выводам внутреннего сопротивления. Поэтому необходимо косвенное измерение , которое принципиально не отличается от расчёта — также необходимы напряжения на нагрузке при двух различных значениях тока. Однако воспользоваться упрощённой формулой (2) не всегда возможно, поскольку не каждый реальный двухполюсник допускает работу в режиме короткого замыкания.

Иногда применяется следующий простой способ измерения, не требующий вычислений:

  • Измеряется напряжение холостого хода
  • В качестве нагрузки подключается переменный резистор и его сопротивление подбирается таким образом, чтобы напряжение на нём составило половину от напряжения холостого хода.

После описанных процедур сопротивление резистора нагрузки необходимо измерить омметром — оно будет равно внутреннему сопротивлению двухполюсника.

Какой бы способ измерения ни использовался, следует опасаться перегрузки двухполюсника чрезмерным током, то есть ток не должен превышать максимально допустимого значениях для данного двухполюсника.

Реактивное внутреннее сопротивление

Если эквивалентная схема двухполюсника содержит реактивные элементы — конденсаторы и/или катушки индуктивности , то расчет реактивного внутреннего сопротивления выполняется также, как и активного, но вместо сопротивлений резисторов берутся комплексные импедансы элементов, входящих в схему, а вместо напряжений и токов — их комплексные амплитуды , то есть расчет производится методом комплексных амплитуд .

Измерение реактивного внутреннего сопротивления имеет некоторые особенности, поскольку оно является комплекснозначной функцией , а не скалярным значением:

  • Можно искать различные параметры комплексного значения: модуль , аргумент , только вещественную или мнимую часть, а также комплексное число полностью. Соответственно, методика измерений будет зависеть от того, что хотим получить.
  • Любой из перечисленных параметров зависит от частоты. Теоретически, чтобы получить путем измерения полную информацию о реактивном внутреннем сопротивлении, необходимо снять зависимость от частоты, то есть провести измерения на всех частотах, которые может генерировать источник данного двухполюсника.

Применение

В большинстве случаев следует говорить не о применении внутреннего сопротивления, а об учете его негативного влияния, поскольку внутреннее сопротивление является скорее негативным эффектом. Тем не менее, в некоторых системах наличие внутреннего сопротивления с номинальным значением является просто необходимым.

Упрощение эквивалентных схем

Представление двухполюсника как совокупность генератора напряжения и внутреннего сопротивления является наиболее простой и часто используемой эквивалентной схемой двухполюсника.

Согласование источника и нагрузки

Согласование источника и нагрузки — это выбор соотношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника с целью достижения заданных свойств полученной системы (как правило, стараются достичь максимального значения какого-либо параметра для данного источника). Наиболее часто используются следующие типы согласования:

Согласование по току и мощности следует использовать с осторожностью, так как есть опасность перегрузить источник.

Понижение высоких напряжений

Иногда к источнику искусственно добавляют большое сопротивление (оно добавляется к внутреннему сопротивлению источника) для того, чтобы значительно понизить получаемое от него напряжение. Однако добавление резистора в качестве дополнительного сопротивления (так называемый гасящий резистор) ведёт к бесполезному выделению мощности на нём. Чтобы не расходовать энергию впустую, в системах переменного тока используют реактивные гасящие импедансы, чаще всего конденсаторы . Таким образом строятся конденсаторные блоки питания. Аналогично, при помощи ёмкостного отвода от высоковольтной ЛЭП можно получить небольшие напряжения для питания каких-либо автономных устройств.

Минимизация шума

При усилении слабых сигналов часто возникает задача минимизации шума, вносимого усилителем в сигнал. Для этого используются специальные малошумящие усилители , однако они спроектированы таким образом, что наименьший коэффициент шума достигается лишь в определенном диапазоне выходного сопротивления источника сигнала. Например, малошумящий усилитель обеспечивает минимальный шум только в диапазоне выходных сопротивлений источника от 1 кОм до 10 кОм; если источник сигнала обладает меньшим выходным сопротивлением (например, микрофон с выходным сопротивлением 30 Ом), то следует применить между источником и усилителем повышающий трансформатор , который повысит выходное сопротивление (а также напряжение сигнала) до необходимого значения.

Ограничения

Понятие внутреннего сопротивления вводится через эквивалентную схему, поэтому имеют силу те же ограничения , что и для применимости эквивалентных схем.

Примеры

Значения внутреннего сопротивления относительны: то, что считается малым, например, для гальванического элемента, является очень большим для мощного аккумулятора. Ниже приведены примеры двухполюсников и значения их внутреннего сопротивления r . Тривиальные случаи двухполюсников без источников оговорены особо.

Малое внутреннее сопротивление

Большое внутреннее сопротивление

Отрицательное внутреннее сопротивление

Существуют двухполюсники, внутреннее сопротивление которых имеет отрицательное значение. В обычном активном сопротивлении происходит диссипация энергии, в реактивном сопротивлении энергия запасается, а затем выделяется обратно в источник. Особенность отрицательного сопротивления в том, что оно само является источником энергии. Поэтому отрицательное сопротивление в чистом виде не встречается, оно может быть только имитировано электронной схемой, которая обязательно содержит источник энергии. Отрицательное внутреннее сопротивление может быть получено в схемах путём использования:

Системы с отрицательным сопротивлением потенциально неустойчивы и поэтому могут быть использованы для построения автогенераторов .

См. также

Ссылки

Литература

  • Зернов Н. В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. — М. — Л.: Энергия, 1965. — 892 с.
  • Джонс М. Х. Электроника — практический курс. — М.: Техносфера, 2006. — 512 с. ISBN 5-94836-086-5

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 . Политехнический терминологический толковый словарь

эдс источника внутреннее сопротивление

эдс источника внутреннее сопротивление


Задача 13496

На рисунке ε1 = 10 В, ε2 = 20 В, ε3 = 40 В, а сопротивления R1 = R2 = R3 = 10 Ом. Определите силу токов, протекающих через сопротивления (I) и через источники ЭДС (I’). Внутреннее сопротивление источников ЭДС не учитывать.
.


Задача 10083

Определить ЭДС и внутреннее сопротивление источника, если при подключении к этому источнику нагрузки сопротивлением 5 Ом напряжение на ней составляет 10 В, а при подключении нагрузки сопротивлением 20 Ом напряжение на нагрузке составляет 20 В.


Задача 60002

Полезная мощность, выделяемая во внешней части цепи, достигает наибольшего значения 5 Вт при силе тока 5 А. Найти внутреннее сопротивление и ЭДС источника.


Задача 60089

При каком внешнем сопротивлении потребляемая мощность будет максимальной, если два одинаковых источника с ЭДС 6 В и внутренним сопротивлением 1 Ом каждый соединены последовательно? Чему равна эта мощность?


Задача 60124

Определить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока, если при внешнем сопротивлении 3,9 Ом сила тока в цепи равна 0,5 А, а при внешнем сопротивлении 1,9 Ом — 1 А.


Задача 60377

Сопротивление R1 = 5 Ом, вольтметр и источник тока соединены параллельно. Вольтметр показывает напряжение U1 = 10 В. Если заменить сопротивление R1 на R2 = 12 Ом, то вольтметр покажет напряжение U2 = 12 В. Определить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока. Током через вольтметр пренебречь.


Задача 60435

При каком внешнем сопротивлении потребляемая мощность будет максимальна, если два одинаковых источника с ЭДС 6 В и внутренним сопротивлением 1 Ом каждый соединены параллельно? Чему равна эта мощность?


Задача 12316

Определить эдс и внутреннее сопротивление источника питания, если в режиме холостого хода напряжение на выводах 15 В, а в режиме короткого замыкания ток 0,5 А. Найти ток в этой цепи при подключении резистора сопротивлением 120 Ом.


Задача 16205

В замкнутой цепи при сопротивлении нагрузки R1 = 3 Ом ток I1 = 3 А, а при R2 = 2 Ом, I2 = 4 А. Определить эдс источника и его внутреннее сопротивление.


Задача 16262

Батарея из двух параллельных источников с ЭДС 2 и 1,8 В и внутренним сопротивлением 50 мОм каждый замкнута на сопротивление 2 Ом. Найти величину тока, проходящего через сопротивление и через источники.


Задача 17294

Мощность, выделяющаяся на нагрузке, подключенной к источнику с ЭДС 5 В и внутренним сопротивлением 2 Ом, составляет 2 Вт. Определить ток в цепи и сопротивление нагрузки.


Задача 21481

Ток короткого замыкания источника 48 А. При подключении к источнику резистора сопротивлением 19,5 Ом ток в цепи уменьшился до 1,2 А. Определить ЭДС источника, его внутреннее сопротивление, а также мощность источника в обоих случаях.


Задача 21499

Ток короткого замыкания источника 48 А. При подключении к источнику резистора сопротивлением R = 19,5 Ом ток в цепи уменьшился до 1,2 А. Определить ЭДС источника и его внутреннее сопротивление.


Как найти внутреннее сопротивление источника напряжения. Радиосвязь

Цель работы: изучить метод измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока с помощью амперметра и вольтметра.

Оборудование: металлический планшет, источник тока, амперметр, вольтметр, резистор, ключ, зажимы, соединительные провода.

Для измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока собирают электрическую цепь, схема которой показана на рисунке 1.

К источнику тока подключают амперметр, сопротивление и ключ, соединенные последовательно. Кроме того, непосредствен­но к выходным гнездам источника подключают еще и вольтметр.

ЭДС измеряют по показанию вольтметра при разомкнутом ключе. Этот прием определения ЭДС основан на следствии из за­кона Ома для полной цепи, согласно которому при бесконечно большом сопротивлении внешней цепи напряжение на зажимах источника равно его ЭДС. (См. параграф «Закон Ома для полной цепи» учебника «Физика 10»).

Для определения внутреннего сопротивления источника за­мыкают ключ К. При этом в цепи можно условно выделить два участка: внешний (тот, который подключен к источнику) и внутренний (тот, который находится внутри источника тока). Поскольку ЭДС источника равна сумме падения напряжений на внутрен­нем и внешнем участках цепи:

ε = U r +U R , то U r = ε -U R (1)

По закону Ома для участка цепи U r = I· r (2). Подставив равенство (2) в (1) получают:

I · r = ε U r , откуда r = (ε U R )/ J

Следовательно, чтобы узнать внутреннее сопротивление источника тока, необходимо пред­варительно определить его ЭДС, затем замкнуть ключ и измерить падение напряжения на внеш­нем сопротивлении, а также силу тока в нем.

Ход работы

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

ε

U r , B

i,a

r , Ом

    Начертите в тетради схему для измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника.

    После проверки схемы соберите электрическую цепь. Ключ разомкните.

    Измерьте величину ЭДС источника.

    Замкните ключ и определите показания амперметра и вольтметра.

    Вычислите внутреннее сопротивление источника.

  1. Определение эдс и внутреннего сопротивления источника тока графическим методом

Цель работы: изучить измерения ЭДС, внутреннего сопротивления и тока короткого замы­кания источника тока, основанный на анализе графика зависимости напряже­ния на выходе источника от силы тока в цепи.

Оборудование: гальванический элемент, амперметр, вольтметр, резистор R 1 , переменный резистор, ключ, зажимы, металлический планшет, соединительные провода.

Из закона Ома для полной цепи следует, что напряжение на выходе источника тока зависит прямо пропорционально от силы тока в цепи:

так как I =E/(R+r), то IR + Ir = Е, но IR = U, откуда U + Ir = Е или U = Е – Ir (1).

Если построить график зависимости U от I, то по его точкам пересечения с осями координат можно определить Е, I К.З. — силу тока короткого замыкания (ток, который потечет в цепи источни­ка, когда внешнее сопротивление R станет равным нулю).

ЭДС определяют по точке пересечения графика с осью напряжений. Эта точка графика со­ответствует состоянию цепи, при котором ток в ней отсутствует и, следовательно, U = Е.

Силу тока короткого замыкания определяют по точке пересечения графика с осью токов. В этом случае внешнее сопротивление R = 0 и, следовательно, напряжение на выходе источника U = 0.

Внутреннее сопротивление источника находят по тангенсу угла наклона графика относи­тельно оси токов. (Сравните формулу (1) с математической функцией вида У = АХ +В и вспомни­те смысл коэффициента при X).

Ход работы

    Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:

  1. После проверки схемы преподавателем соберите электрическую цепь. Ползунок переменного резистора установите в положение, при котором сопротивление цепи, подключенной к источ­нику тока, будет максимальным.
  2. Определите значение силы тока в цепи и напряжение на зажимах источника при максимальной величине сопротивления переменного резистора. Данные измерений занесите в таблицу.

    Повторите несколько раз измерения силы тока и напряжения, уменьшая всякий раз величину переменного сопротивления так, чтобы напряжение на зажимах источника уменьшалось на 0,1В. Измерения прекратите, когда сила тока в цепи достигнет значения в 1А.

    Нанесите полученные в эксперименте точки на график. Напряжение откладывайте по верти­кальной оси, а силу тока — по горизонтальной. Проведите по точкам прямую линию.

    Продолжите график до пересечения с осями координат и определите величины Е и, I К.З.

    Измерьте ЭДС источника, подключив вольтметр к его выводам при разомкнутой внешней це­пи. Сопоставьте значения ЭДС, полученные двумя способами, и укажите причину возможного расхождения результатов.

    Определите внутреннее сопротивление источника тока. Для этого вычислите тангенс угла на­клона построенного графика к оси токов. Так как тангенс угла в прямоугольном треугольнике равен отношению противолежащего катета к прилежащему, то практически это можно сделать, найдя отношение Е / I К.З

Допустим, есть простейшая электрическая замкнутая цепь, включающая в себя источник тока, например генератор, гальванический элемент или аккумулятор, и резистор, обладающий сопротивлением R. Поскольку ток в цепи нигде не прерывается, то и внутри источника он течет.

В такой ситуации можно сказать, что любой источник обладает некоторым внутренним сопротивлением, препятствующим току. Это внутреннее сопротивление характеризует источник тока и обозначается буквой r. Для или аккумулятора внутреннее сопротивление — это сопротивление раствора электролита и электродов, для генератора — сопротивление обмоток статора и т. д.

Таким образом, источник тока характеризуется как величиной ЭДС, так и величиной собственного внутреннего сопротивления r – обе эти характеристики свидетельствуют о качестве источника.

Электростатические высоковольтные генераторы (как генератор Ван де Граафа или генератор Уимшурста), к примеру, отличаются огромной ЭДС измеряемой миллионами вольт, при этом их внутреннее сопротивление измеряется сотнями мегаом, потому они и непригодны для получения больших токов.

Гальванические элементы (такие как батарейка) — напротив — имеют ЭДС порядка 1 вольта, хотя внутреннее сопротивление у них порядка долей или максимум — десятка Ом, и от гальванических элементов поэтому можно получать токи в единицы и десятки ампер.

На данной схеме показан реальный источник с присоединенной нагрузкой. Здесь обозначены , его внутреннее сопротивление, а также сопротивление нагрузки. Согласно , ток в данной цепи будет равен:

Поскольку участок внешней цепи однороден, то из закона Ома можно найти напряжение на нагрузке:

Выразив из первого уравнения сопротивление нагрузки, и подставив его значение во второе уравнение, получим зависимость напряжения на нагрузке от тока в замкнутой цепи:

В замкнутом контуре ЭДС равна сумме падений напряжений на элементах внешней цепи и на внутреннем сопротивлении самого источника. Зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки в идеальном случае линейна.

График это показывает, но экспериментальные данные на реальном резисторе (крестики возле графика) всегда отличаются от идеала:

Эксперименты и логика показывают, что при нулевом токе нагрузки напряжение на внешней цепи равно ЭДС источника, а при нулевом напряжении на нагрузке ток в цепи равен . Это свойство реальных цепей помогает экспериментально находить ЭДС и внутреннее сопротивление реальных источников.

Экспериментальное нахождение внутреннего сопротивления

Чтобы экспериментально определить данные характеристики, строят график зависимости напряжения на нагрузке от величины тока, затем экстраполируют его до пересечения с осями.

В точке пересечения графика с остью напряжения находится значение ЭДС источника, а в точке пересечения с осью тока находится величина тока короткого замыкания. В итоге внутреннее сопротивление находится по формуле:

Развиваемая источником полезная мощность выделяется на нагрузке. График зависимости этой мощности от сопротивления нагрузки приведен на рисунке. Эта кривая начинается от пересечения осей координат в нулевой точке, затем возрастает до максимального значения мощности, после чего спадает до нуля при сопротивлении нагрузки равном бесконечности.

Чтобы найти максимальное сопротивление нагрузки, при котором теоретически разовьется максимальная мощность при данном источнике, берется производная от формулы мощности по R и приравнивается к нулю. Максимальная мощность разовьется при сопротивлении внешней цепи, равном внутреннему сопротивлению источника:

Это положение о максимальной мощности при R = r, позволяет экспериментально найти внутреннее сопротивление источника, построив зависимость мощности, выделяемой на нагрузке, от величины сопротивления нагрузки. Найдя реальное, а не теоретическое, сопротивление нагрузки, обеспечивающее максимальную мощность, определяют реальное внутреннее сопротивление источника питания.

КПД источника тока показывает отношение максимальной выделяемой на нагрузке мощности к полной мощности, которую в данный момент развивает

Двухполюсник и его эквивалентная схема

Вну́треннее сопротивле́ние двухполюсника — импеданс в эквивалентной схеме двухполюсника, состоящей из последовательно включенных генератора напряжения и импеданса (см. рисунок). Понятие применяется в теории цепей при замене реального источника идеальными элементами, то есть при переходе к эквивалентной схеме.

Введение

Рассмотрим пример. В легковом автомобиле запитаем бортовую сеть не от штатного свинцово-кислотного аккумулятора напряжением 12 вольт и ёмкостью 55 А·ч, а от последовательно соединённых восьми батареек (например, типоразмера АА, ёмкостью около 1 А·ч). Попробуем завести двигатель. Опыт показывает, что при питании от батареек вал стартера не повернётся ни на градус. Более того, не сработает даже втягивающее реле.

Интуитивно понятно, что батарейка «недостаточно мощная» для подобного применения, однако рассмотрение её заявленных электрических характеристик — напряжения и заряда (ёмкости) — не даёт количественного описания данного явления. Напряжение в обоих случаях одинаково:

Аккумулятор: 12 вольт

Гальванические элементы: 8·1,5 вольт = 12 вольт

Ёмкости также вполне достаточно: одного ампер·часа в батарейке должно хватить, чтобы вращать стартер в течение 14 секунд (при токе 250 ампер).

Казалось бы, в соответствии с законом Ома ток в одинаковой нагрузке при электрически одинаковых источниках также должен быть одинаковым. Однако в действительности это не совсем так. Источники вели бы себя одинаково, если бы были идеальными генераторами напряжения. Для описания степени отличия реальных источников от идеальных генераторов и применяется понятие внутреннее сопротивление.

Сопротивление и внутреннее сопротивление

Основной характеристикой двухполюсника является его сопротивление (или импеданс). Однако характеризовать двухполюсник одним только сопротивлением не всегда возможно. Дело в том, что термин сопротивление примени́м только для чисто пассивных элементов, то есть не содержащих в себе источников энергии. Если двухполюсник содержит источник энергии, то понятие «сопротивление» к нему просто не применимо, поскольку закон Ома в формулировке U=Ir не выполняется.

Таким образом, для двухполюсников, содержащих источники (то есть генераторы напряжения и генераторы тока) необходимо говорить именно о внутреннем сопротивлении (или импедансе). Если же двухполюсник не содержит источников, то «внутреннее сопротивление» для такого двухполюсника означает то же самое, что и просто «сопротивление».

Родственные термины

Если в какой-либо системе можно выделить вход и/или выход, то часто употребляются следующие термины:

Входное сопротивление — внутреннее сопротивление двухполюсника, которым является вход системы.

Выходное сопротивление — внутреннее сопротивление двухполюсника, которым является выход системы.

Физические принципы

Несмотря на то, что на эквивалентной схеме внутреннее сопротивление представлено как один пассивный элемент (причем активное сопротивление, то есть резистор в нем присутствует обязательно), внутреннее сопротивление не сосредоточено в каком-либо одном элементе. Двухполюсник лишь внешне ведет себя так, словно в нем имеется сосредоточенный внутренний импеданс и генератор напряжения. В действительности внутреннее сопротивление является внешним проявлением совокупности физических эффектов:

Если в двухполюснике имеется только источник энергии без какой-либо электрической схемы (например, гальванический элемент), то внутреннее сопротивление чисто активное, оно обусловлено физическими эффектами, которые не позволяют мощности, отдаваемой этим источником в нагрузку, превысить определенный предел. Наиболее простой пример такого эффекта — ненулевое сопротивление проводников электрической цепи. Но, как правило, наибольший вклад в ограничение мощности вносят эффекты неэлектрической природы. Так, например, в химическом источнике мощность может быть ограничена площадью соприкосновения участвующих в реакции веществ, в генераторе гидроэлектростанции — ограниченным напором воды и т. д.

В случае двухполюсника, содержащего внутри электрическую схему, внутреннее сопротивление «рассредоточено» в элементах схемы (в дополнение к перечисленным выше механизмам в источнике).

Отсюда также следуют некоторые особенности внутреннего сопротивления:

Внутреннее сопротивление невозможно убрать из двухполюсника

Внутреннее сопротивление не является стабильной величиной: оно может изменяться при изменении каких-либо внешних условий.

Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника

Эффект внутреннего сопротивления является неотъемлемым свойством любого двухполюсника. Основной результат наличия внутреннего сопротивления — это ограничение электрической мощности, которую можно получить в нагрузке, питаемой от этого двухполюсника.

Если к источнику с ЭДС генератора напряжения E и активным внутренним сопротивлением r подключена нагрузка с сопротивлением R, то ток, напряжение и мощность в нагрузке выражаются следующим образом.

Расчёт

Понятие расчёт применимо к схеме (но не к реальному устройству). Расчёт приведён для случая чисто активного внутреннего сопротивления (отличия реактивного сопротивления будут рассмотрены далее).

Пусть, имеется двухполюсник, который может быть описан приведенной выше эквивалентной схемой. Двухполюсник обладает двумя неизвестными параметрами, которые необходимо найти:

ЭДС генератора напряжения U

Внутреннее сопротивление r

В общем случае, для определения двух неизвестных необходимо сделать два измерения: измерить напряжение на выходе двухполюсника (то есть разность потенциалов Uout = φ2 − φ1) при двух различных токах нагрузки. Тогда неизвестные параметры можно найти из системы уравнений:

где Uout1 — выходное напряжение при токе I1, Uout2 — выходное напряжение при токе I2. Решая систему уравнений, находим искомые неизвестные:

Обычно для вычисления внутреннего сопротивления используется более простая методика: находится напряжение в режиме холостого хода и ток в режиме короткого замыкания двухполюсника. В этом случае система (1) записывается следующим образом:

где Uoc — выходное напряжение в режиме холостого хода (англ. open circuit), то есть при нулевом токе нагрузки; Isc — ток нагрузки в режиме короткого замыкания (англ. short circuit), то есть при нагрузке с нулевым сопротивлением. Здесь учтено, что выходной ток в режиме холостого хода и выходное напряжение в режиме короткого замыкания равны нулю. Из последних уравнений сразу же получаем:

Измерение

Понятие измерение применимо к реальному устройству (но не к схеме). Непосредственное измерение омметром невозможно, поскольку нельзя подключить щупы прибора к выводам внутреннего сопротивления. Поэтому необходимо косвенное измерение, которое принципиально не отличается от расчета — также необходимы напряжения на нагрузке при двух различных значениях тока. Однако воспользоваться упрощенной формулой (2) не всегда возможно, поскольку не каждый реальный двухполюсник допускает работу в режиме короткого замыкания.

Часто применяется следующий простой способ измерения, не требующий вычислений:

Измеряется напряжение холостого хода

В качестве нагрузки подключается переменный резистор и его сопротивление подбирается таким образом, чтобы напряжение на нем составило половину от напряжения холостого хода.

После описанных процедур сопротивление резистора нагрузки необходимо измерить омметром — оно будет равно внутреннему сопротивлению двухполюсника.

Какой бы способ измерения ни использовался, следует опасаться перегрузки двухполюсника чрезмерным током, то есть ток не должен превышать максимально допустимого значениях для данного двухполюсника.

Реактивное внутреннее сопротивление

Если эквивалентная схема двухполюсника содержит реактивные элементы — конденсаторы и/или катушки индуктивности, то расчет реактивного внутреннего сопротивления выполняется также, как и активного, но вместо сопротивлений резисторов берутся комплексные импедансы элементов, входящих в схему, а вместо напряжений и токов — их комплексные амплитуды, то есть расчет производится методом комплексных амплитуд.

Измерение реактивного внутреннего сопротивления имеет некоторые особенности, поскольку оно является комплекснозначной функцией, а не скалярным значением:

Можно искать различные параметры комплексного значения: модуль, аргумент, только вещественную или мнимую часть, а также комплексное число полностью. Соответственно, методика измерений будет зависеть от того, что хотим получить.

Необходимость введения термина можно проиллюстрировать следующим примером. Сравним два химических источника постоянного тока с одинаковым напряжением:

  • Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор напряжением 12 вольт и ёмкостью 55 А·ч
  • Восемь батареек типоразмера АА, соединенных последовательно. Суммарное напряжение такой батареи также 12 вольт, ёмкость значительно меньше — примерно 1 А·ч

Несмотря на одинаковое напряжение, эти источники значительно отличаются при работе на одинаковую нагрузку. Так, автомобильный аккумулятор способен отдать в нагрузку большой ток (от аккумулятора заводится двигатель автомобиля, при этом стартер потребляет ток 250 ампер), а от цепочки батареек стартер вообще не вращается. Относительно небольшая емкость батареек не является причиной: одного ампер-часа в батарейках хватило бы для того, чтобы вращать стартер в течение 14 секунд (при токе 250 ампер).

Таким образом, для двухполюсников, содержащих источники (то есть генераторы напряжения и генераторы тока) необходимо говорить именно о внутреннем сопротивлении (или импедансе). Если же двухполюсник не содержит источников, то «внутреннее сопротивление» для такого двухполюсника означает то же самое, что и просто «сопротивление».

Родственные термины

Если в какой-либо системе можно выделить вход и/или выход, то часто употребляются следующие термины:

Физические принципы

Несмотря на то, что на эквивалентной схеме внутреннее сопротивление представлено как один пассивный элемент (причём активное сопротивление , то есть резистор в нём присутствует обязательно), внутреннее сопротивление не сосредоточено в каком-либо одном элементе. Двухполюсник лишь внешне ведёт себя так, словно в нём имеется сосредоточенный внутренний импеданс и генератор напряжения. В действительности внутреннее сопротивление является внешним проявлением совокупности физических эффектов:

  • Если в двухполюснике имеется только источник энергии без какой-либо электрической схемы (например, гальванический элемент), то внутреннее сопротивление практически чисто активное (если только речь не идет об очень высоких частотах), оно обусловлено физическими эффектами, которые не позволяют мощности , отдаваемой этим источником в нагрузку, превысить определённый предел. Наиболее простой пример такого эффекта — ненулевое сопротивление проводников электрической цепи. Но, как правило, наибольший вклад в ограничение мощности вносят эффекты неэлектрической природы. Так, например, в мощность может быть ограничена площадью соприкосновения участвующих в реакции веществ, в генераторе гидроэлектростанции — ограниченным напором воды и т. д.
  • В случае двухполюсника, содержащего внутри электрическую схему , внутреннее сопротивление «рассредоточено» в элементах схемы (в дополнение к перечисленным выше механизмам в источнике).

Отсюда также следуют некоторые особенности внутреннего сопротивления:

Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника

Эффект внутреннего сопротивления является неотъемлемым свойством любого активного двухполюсника. Основной результат наличия внутреннего сопротивления — это ограничение электрической мощности, которую можно получить в нагрузке, питаемой от этого двухполюсника.

Пусть, имеется двухполюсник, который может быть описан приведённой выше эквивалентной схемой. Двухполюсник обладает двумя неизвестными параметрами, которые необходимо найти:

  • ЭДС генератора напряжения U
  • Внутреннее сопротивление r

В общем случае, для определения двух неизвестных необходимо сделать два измерения: измерить напряжение на выходе двухполюсника (то есть разность потенциалов U out = φ 2 − φ 1 ) при двух различных токах нагрузки. Тогда неизвестные параметры можно найти из системы уравнений:

где U out1 I 1 , U out2 — выходное напряжение при токе I 2 . Решая систему уравнений, находим искомые неизвестные:

Обычно для вычисления внутреннего сопротивления используется более простая методика: находится напряжение в режиме холостого хода и ток в режиме короткого замыкания двухполюсника. В этом случае система () записывается следующим образом:

где U oc — выходное напряжение в режиме холостого хода (англ. open circuit ), то есть при нулевом токе нагрузки; I sc — ток нагрузки в режиме короткого замыкания (англ. short circuit ), то есть при нагрузке с нулевым сопротивлением. Здесь учтено, что выходной ток в режиме холостого хода и выходное напряжение в режиме короткого замыкания равны нулю. Из последних уравнений сразу же получаем:

Измерение

Понятие измерение применимо к реальному устройству (но не к схеме). Непосредственное измерение омметром невозможно, поскольку нельзя подключить щупы прибора к выводам внутреннего сопротивления. Поэтому необходимо косвенное измерение , которое принципиально не отличается от расчёта — также необходимы напряжения на нагрузке при двух различных значениях тока. Однако воспользоваться упрощённой формулой (2) не всегда возможно, поскольку не каждый реальный двухполюсник допускает работу в режиме короткого замыкания.

Иногда применяется следующий простой способ измерения, не требующий вычислений:

  • Измеряется напряжение холостого хода
  • В качестве нагрузки подключается переменный резистор и его сопротивление подбирается таким образом, чтобы напряжение на нём составило половину от напряжения холостого хода.

После описанных процедур сопротивление резистора нагрузки необходимо измерить омметром — оно будет равно внутреннему сопротивлению двухполюсника.

Какой бы способ измерения ни использовался, следует опасаться перегрузки двухполюсника чрезмерным током, то есть ток не должен превышать максимально допустимого значениях для данного двухполюсника.

Реактивное внутреннее сопротивление

Если эквивалентная схема двухполюсника содержит реактивные элементы — конденсаторы и/или катушки индуктивности , то расчет реактивного внутреннего сопротивления выполняется также, как и активного, но вместо сопротивлений резисторов берутся комплексные импедансы элементов, входящих в схему, а вместо напряжений и токов — их комплексные амплитуды , то есть расчет производится методом комплексных амплитуд .

Измерение реактивного внутреннего сопротивления имеет некоторые особенности, поскольку оно является комплекснозначной функцией , а не скалярным значением:

  • Можно искать различные параметры комплексного значения: модуль , аргумент , только вещественную или мнимую часть, а также комплексное число полностью. Соответственно, методика измерений будет зависеть от того, что хотим получить.
  • Любой из перечисленных параметров зависит от частоты. Теоретически, чтобы получить путем измерения полную информацию о реактивном внутреннем сопротивлении, необходимо снять зависимость от частоты, то есть провести измерения на всех частотах, которые может генерировать источник данного двухполюсника.

Применение

В большинстве случаев следует говорить не о применении внутреннего сопротивления, а об учете его негативного влияния, поскольку внутреннее сопротивление является скорее негативным эффектом. Тем не менее, в некоторых системах наличие внутреннего сопротивления с номинальным значением является просто необходимым.

Упрощение эквивалентных схем

Представление двухполюсника как совокупность генератора напряжения и внутреннего сопротивления является наиболее простой и часто используемой эквивалентной схемой двухполюсника.

Согласование источника и нагрузки

Согласование источника и нагрузки — это выбор соотношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника с целью достижения заданных свойств полученной системы (как правило, стараются достичь максимального значения какого-либо параметра для данного источника). Наиболее часто используются следующие типы согласования:

Согласование по току и мощности следует использовать с осторожностью, так как есть опасность перегрузить источник.

Понижение высоких напряжений

Иногда к источнику искусственно добавляют большое сопротивление (оно добавляется к внутреннему сопротивлению источника) для того, чтобы значительно понизить получаемое от него напряжение. Однако добавление резистора в качестве дополнительного сопротивления (так называемый гасящий резистор) ведёт к бесполезному выделению мощности на нём. Чтобы не расходовать энергию впустую, в системах переменного тока используют реактивные гасящие импедансы, чаще всего конденсаторы . Таким образом строятся конденсаторные блоки питания. Аналогично, при помощи ёмкостного отвода от высоковольтной ЛЭП можно получить небольшие напряжения для питания каких-либо автономных устройств.

Минимизация шума

При усилении слабых сигналов часто возникает задача минимизации шума, вносимого усилителем в сигнал. Для этого используются специальные малошумящие усилители , однако они спроектированы таким образом, что наименьший коэффициент шума достигается лишь в определенном диапазоне выходного сопротивления источника сигнала. Например, малошумящий усилитель обеспечивает минимальный шум только в диапазоне выходных сопротивлений источника от 1 кОм до 10 кОм; если источник сигнала обладает меньшим выходным сопротивлением (например, микрофон с выходным сопротивлением 30 Ом), то следует применить между источником и усилителем повышающий трансформатор , который повысит выходное сопротивление (а также напряжение сигнала) до необходимого значения.

Ограничения

Понятие внутреннего сопротивления вводится через эквивалентную схему, поэтому имеют силу те же ограничения , что и для применимости эквивалентных схем.

Примеры

Значения внутреннего сопротивления относительны: то, что считается малым, например, для гальванического элемента, является очень большим для мощного аккумулятора. Ниже приведены примеры двухполюсников и значения их внутреннего сопротивления r . Тривиальные случаи двухполюсников без источников оговорены особо.

Малое внутреннее сопротивление

Большое внутреннее сопротивление

Отрицательное внутреннее сопротивление

Существуют двухполюсники, внутреннее сопротивление которых имеет отрицательное значение. В обычном активном сопротивлении происходит диссипация энергии, в реактивном сопротивлении энергия запасается, а затем выделяется обратно в источник. Особенность отрицательного сопротивления в том, что оно само является источником энергии. Поэтому отрицательное сопротивление в чистом виде не встречается, оно может быть только имитировано электронной схемой, которая обязательно содержит источник энергии. Отрицательное внутреннее сопротивление может быть получено в схемах путём использования:

  • элементов с отрицательным дифференциальным сопротивлением , например, туннельных диодов

Системы с отрицательным сопротивлением потенциально неустойчивы и поэтому могут быть использованы для построения автогенераторов .

См. также

Ссылки

Литература

  • Зернов Н. В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. — М. — Л.: Энергия, 1965. — 892 с.
  • Джонс М. Х. Электроника — практический курс. — М.: Техносфера, 2006. — 512 с. ISBN 5-94836-086-5

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Политехнический терминологический толковый словарь

В век электричества, наверное, нет такого человека, что не знал бы о существовании электрического тока. Но мало кто помнит из школьного курса физики больше, чем название величин: сила тока, напряжение, сопротивление, закон Ома. И лишь очень немногие помнят, в чём заключается смысл этих слов.

В этой статье мы обсудим, как появляется электрический ток, как он передаётся по цепи и как использовать эту величину в расчётах. Но перед тем как перейти к основной части, обратимся к истории открытия электрического тока и его источников, а также определению того, чем является электродвижущая сила.

История

Электричество как источник энергии было известно ещё с древних времён, ведь сама природа генерирует его в огромных объёмах. Яркий пример — молния или электрический скат. Несмотря на такую близость к человеку, обуздать эту энергию удалось лишь в середине семнадцатого века: Отто фон Герике, бургомистр из Магдебурга, создал машину, позволяющую генерировать электростатический заряд. В середине восемнадцатого века Питер фон Мушенбрук — учёный из Голландии — создаёт первый в мире электрический конденсатор, названный Лейденской банкой в честь университета, где он работал.

Пожалуй, отсчёт эпохи настоящих открытий, посвящённых электричеству, принято начинать с работ Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта, изучивших соответственно электрические токи в мышцах и возникновение тока в так называемых гальванических элементах. Дальнейшие исследования открыли нам глаза на связь электричества и магнетизма, а также на несколько очень полезных явлений (таких как электромагнитная индукция), без которых сегодня невозможно представить нашу жизнь.

Но мы не будем углубляться в магнитные явления и остановимся только на электрических. Итак, разберём, как же возникает электричество в гальванических элементах и что это вообще такое.

Что такое гальванический элемент?

Можно сказать, что это производящий электроэнергию за счёт химических реакций, происходящих между его компонентами. Самый простой гальванический элемент был изобретён Алессандро Вольтом и назван в его честь вольтовым столбом. Он состоит из нескольких слоёв, чередующихся между собой: медная пластина, проводящая прокладка (в домашнем варианте конструкции используется вата, смоченная солёной водой) и цинковая пластина.

Какие реакции протекают в нём?

Рассмотрим подробнее процессы, позволяющие нам получить электричество с помощью гальванического элемента. Таких превращений всего два: окисление и восстановление. При окислении одного элемента, восстановителя, происходит отдача им электронов другому элементу — окислителю. Окислитель, в свою очередь, восстанавливается, принимая электроны. Таким образом происходит движение заряженных частиц от одной пластины к другой, а это, как известно, и называется электрическим током.

А сейчас плавно перейдём к основной теме этой статьи — ЭДС источника тока. И для начала рассмотрим, что же представляет собой эта электродвижущая сила (ЭДС).

Что такое ЭДС?

Эту величину можно представить как работу сил (именно «работу»), совершаемую при перемещении заряда по замкнутой электрической цепи. Очень часто ещё делают уточнения, что заряд должен обязательно быть положительным и единичным. И это существенное дополнение, так как только при этих условиях можно считать электродвижущую силу точной измеримой величиной. Кстати, измеряется она в тех же единицах, что и напряжение: в вольтах (В).

ЭДС источника тока

Как известно, каждый аккумулятор или батарейка обладают своим значением сопротивления, которое они способны выдавать. Это значение, ЭДС источника тока, показывает, какую работу производят внешние силы для перемещения заряда по цепи, в которую включена батарейка или аккумулятор.

Уточнить стоит также и то, какой вид тока производит источник: постоянный, переменный или импульсный. Гальванические элементы, в том числе аккумуляторы и батарейки, производят всегда только постоянный электрический ток. ЭДС источника тока в таком случае будет равна по модулю выходному напряжению на контактах источника.

Сейчас пришла пора разобраться, для чего такая величина, как ЭДС, нужна вообще, как её использовать при расчётах других величин электрической цепи.

Формула ЭДС

Мы уже выяснили, что ЭДС источника тока равна работе сторонних сил по перемещению заряда. Для большей наглядности мы решили записать формулу этой величины: E=A сторонних сил /q, где A — работа, а q — заряд, над которым была совершена работа. Обратите внимание, что берётся общий заряд, а не единичный. Делается это потому, что мы считаем работу сил по перемещению всех зарядов в проводнике. И это отношение работы к заряду всегда будет постоянным для данного источника, так как какое количество заряженных частиц ни бери, удельная величина работы на каждый из них будет одинаковой.

Как видите, формула электродвижущей силы не так сложна и состоит всего из двух величин. Пришла пора перейти к одному из главных вопросов, вытекающих из этой статьи.

Зачем нужна ЭДС?

Уже было сказано, что ЭДС и напряжение — величины, фактически, одинаковые. Если мы знаем значения ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока, то несложно будет подставить их в закон Ома для полной цепи, который выглядит следующим образом: I=e/(R+r), где I — сила тока, e — ЭДС, R — сопротивление цепи, r — внутреннее сопротивление источника тока. Отсюда мы можем находить две характеристики цепи: I и R. Следует обратить внимание, что все эти рассуждения и формулы справедливы лишь для цепи постоянного тока. В случае с переменным формулы будут совсем другие, так как он подчиняется своим колебательным законам.

Но всё же остаётся непонятным, какое применение имеет ЭДС источника тока. В цепи, как правило, очень много элементов, выполняющих свою функцию. В любом телефоне стоит плата, представляющая также не что иное, как электрическую цепь. А каждой такой схеме для работы требуется источник тока. И очень важно, чтобы его ЭДС подходила по параметрам для всех элементов цепи. Иначе схема либо перестанет работать, либо сгорит из-за высокого напряжения внутри неё.

Заключение

Думаем, для многих эта статья оказалась полезной. Ведь в современном мире очень важно знать как можно больше о том, что нас окружает. В том числе существенны знания о природе электрического тока и его поведении внутри цепей. И если вы думаете, что такая вещь, как электрическая цепь, применяется только в лабораториях и вы далеки от этого, то вы сильно ошибаетесь: все приборы, потребляющие электроэнергию, на самом деле состоят из цепей. И у каждой из них есть свой источник тока, создающий ЭДС.

Сопротивление источника — обзор

10,1

Покажите, что для источника напряжения в сравнении с сопротивлением источника R с , подключенного к резистивной нагрузке R L , максимальная передача мощности на нагрузку происходит, когда R L = R с .

10,2

Пусть x будет вектором n × 1, элементы которого являются количествами, произведенными производителем.Прибыль производителя задается квадратичной формой

J (x) = 12xTPx + qTx + r

, где P — отрицательно определенная симметричная матрица, а q и r — постоянные векторы. Найдите вектор x , чтобы получить максимальную прибыль.
а.

Без ограничений по количеству произведенных товаров

б.

Если произведенное количество ограничено

Bx = c

, где B — это матрица m × n, m , а c — постоянный вектор.
10,3

Докажите, что прямоугольник наибольшей площади, который умещается внутри круга диаметром D , является квадратом диагонали D.

10,4

При q = 1 и r = 2, S ( k f ) = 1, напишите расчетные уравнения для цифрового оптимального квадратичного регулятора для интегратора

x˙ = u

10,5

Дискретизированное пространство состояний модель АНПА INFANTE Задачи 7.16 равно

[x1 (k + 1) x2 (k + 1) x3 (k + 1)] = [0.9932−0.034340−0.0094560.99780−0.00023680.049941] [x1 (k) x2 (k) x3 (k)] + [0,002988−0,0115−0,0002875] u (k)

[y1 (k) y2 (k)] = [100010] [x1 (k) x2 (k) x3 (k)]

Расчет стационарный линейно-квадратичный регулятор для системы, использующей матрицы веса Q = I 3 и r = 2.

10,6

Упрощенная линеаризованная модель системы доставки лекарств для поддержания уровня глюкозы в крови а уровень инсулина при заданных значениях определяется как

[x1 (k + 1) x2 (k + 1) x3 (k + 1)] = [- 0.04−4.400−0.0251,3 × 10−500.090] [x1 (k) x2 (k) x3 (k)] + [100000.1] [u1 (k) u2 (k)]

[y1 (k) y2 (k )] = [100001] [x1 (k) x2 (k) x3 (k)]

, где все переменные являются отклонениями от желаемых стационарных уровней. 1 Переменными состояния являются концентрация глюкозы в крови x 1 в мг / дл, концентрация инсулина в крови x 3 в мг / дл и переменная, описывающая накопление инсулина в крови x 2 . Контролями являются скорость инфузии глюкозы u 1 и скорость инфузии инсулина u 2 , обе в мг / дл / мин.Дискретизируйте систему с периодом выборки T = 5 мин и спроектируйте установившийся регулятор для системы с весовыми матрицами Q = I 3 и R = 2 I 2 . Смоделируйте систему с начальным состоянием x (0) = [60−1] T и постройте траекторию в плоскости x 1 x 3 , а также временную эволюцию концентрации глюкозы.
10,7

Задачи оптимального управления могут быть решены как задачи безусловной оптимизации без использования множителей Лагранжа.В этом упражнении показаны преимущества использования множителей Лагранжа и показано, что оптимальное управление с дискретным временем эквивалентно задаче оптимизации по истории управления.

а.

Подставим решение уравнения состояния

x (k) = Akx (0) + ∑i = 0k − 1Ak − i − 1Bu (i) = Akx (0) + C (k) U (k) C (k) = [BAB ⋯ Ak − 1B] U (k) = col {u (k − 1),…, u (0)}

в показателе эффективности

J = 12xT (kf) S (kf) x (kf) + 12∑k = k0kf − 1 (xT (k) Q (k) x (k) + uT (k) R (k) u (k))

, чтобы исключить вектор состояния и получить

J = 12∑k = 0kf (uT (k) R¯ (k) u (k) + 2Tx (0) (AT) kQ (k) C (k) u (k) + x (0) (AT) kQ (k) ) Akx (0) + uT (k) R (k) u (k))

с Q (kf) = S (kf), R (kf) = 0m × m.
г.

Без утомительной оценки матрицы R eq и вектора l , объясните, почему можно переписать показатель производительности в эквивалентной форме

Jeq = 12uT (kf) Requ (kf) + uT ( kf) 1

c.

Покажите, что решение задачи оптимального управления задается формулой

u (kf) = — Req − 11

10,8

Для ( A , B ) стабилизируемого и ( A , Q 1/2 ) линейно-квадратичный регулятор дает стабильную систему с обратной связью.Чтобы гарантировать, что собственные значения замкнутой системы будут лежать внутри круга радиуса 1 / α, мы решаем задачу регулятора для масштабированного состояния и управления

x¯ (k) = αkx (k) u¯ (k) = αk + 1u (k)

а.

Получите уравнение состояния для масштабированного вектора состояния.

г.

Покажите, что если масштабированная матрица состояний с обратной связью с оптимальным управлением u¯ (k) = — K¯x¯ (k) имеет собственные значения внутри единичного круга, то собственные значения исходной матрицы состояний с управлением u (k) = — Kx (k), K = K¯ / α находятся внутри круга радиуса 1/ α .

10.9

Повторите задачу 10.5 с проектом, который гарантирует, что собственные значения замкнутой системы находятся внутри круга с радиусом, равным половине.

10,10

Используя тот факт, что для (A, B) стабилизируемого и (A, Q1 / 2) обнаруживаемого линейно-квадратичный регулятор дает стабильную замкнутую систему, покажите, что собственные значения замкнутой системы равны помещенный внутри круга радиуса ρ <1, используя коэффициент усиления LQR для пары (A / ρ, B / ρ).

10,11

Покажите, что линейно-квадратичный регулятор с членом кросс-произведения вида

J = xT (kf) S (kf) x (kf) + ∑k = k0kf − 1 (xT (k) Q (k) x (k) + 2xTSu + uT (k) R (k) u (k)

эквивалентен линейно-квадратичному регулятору без члена перекрестного произведения со стоимостью

J = xT (kf) S (kf) x (kf) + ∑k = k0kf − 1 (xT (k) Q¯ (k) x (k) + u¯T (k) R (k) u¯T (k)

Q¯ = Q − SR −1STu¯ (k) = u (k) + R − 1STx (k)

и динамика объекта

x (k + 1) = A¯x (k) + Bu¯ (k), k = k0,…, kf − 1

A¯ = A − BR − 1ST

10.12

Используя умножение разделенных матриц, убедитесь, что обратная матрица гамильтониана

H = [A − 1A − 1BR − 1BTQA − 1AT + QA − 1BR − 1BT]

имеет вид

H − 1 = [ A + BR − 1BTA − TQ − BR − 1BTA − T − A − TQA − T]

10,13

Перепишите показатель производительности, показанный в задаче 10.11, в терминах объединенного столбца вектора входа и состояния { x ( k ), u ( k )}. Затем используйте гамильтониан, чтобы показать, что для линейного квадратичного регулятора с членом перекрестного произведения достаточным условием минимума является то, что матрица

должна быть положительно определенной.
10,14

Получите прогностическую модель для представления в пространстве состояний линейной системы, не зависящей от времени.

10,15

Для горизонта прогнозирования N2 и горизонта управления Nu запишите выражение прогнозируемых выходных данных линейной инвариантной во времени системы в форме пространства состояний в компактной матричной форме, например в выражении (10.99) .

Сопротивление источника

СОПРОТИВЛЕНИЕ ИСТОЧНИКА
Измеритель, подключенный к клеммам товара 1.5-вольтовая батарея читает около 1,5 вольт. Когда та же батарея вставляется в полную цепь, показания счетчика уменьшаются до менее 1,5 вольт. Эта разница в напряжении на клеммах вызвана ВНУТРЕННИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ батареи (сопротивление току, обеспечиваемое электролитом в батарее). Все источники электродвижущей силы имеют внутреннее сопротивление в той или иной форме, которое вызывает падение напряжения на клеммах при протекании тока через источник.

Этот принцип проиллюстрирован на рисунке 3-35, где внутреннее сопротивление батареи показано как R i .На схеме внутреннее сопротивление показано дополнительным резистором, включенным последовательно с батареей. Батарея с ее внутренним сопротивлением обведена пунктирными линиями на принципиальной схеме. При разомкнутом переключателе напряжение на клеммах аккумулятора составляет 15 вольт. Когда переключатель замкнут, ток вызывает падение напряжения в цепи. Ток в цепи в 2 ампера вызывает падение напряжения на R и на 2 вольта. Таким образом, внутреннее сопротивление батареи 1 Ом снижает напряжение на клеммах батареи до 13 вольт.Внутреннее сопротивление нельзя измерить напрямую измерителем. Попытка сделать это приведет к повреждению счетчика.

Рисунок 3-35. — Эффект внутреннего сопротивления.

Влияние сопротивления источника на выходную мощность источника постоянного тока может быть показано путем анализа схемы на рисунке 3-36. Когда резистор переменной нагрузки (R L ) установлен в положение нулевого сопротивления (эквивалент короткого замыкания), ток (I) рассчитывается по следующей формуле:


Это максимальный ток, который может потребляться от источника.Напряжение на клеммах короткого замыкания равно нулю вольт, и все напряжение приходится на сопротивление внутри источника.

Рисунок 3-36. — Влияние сопротивления источника на выходную мощность.

Если сопротивление нагрузки (R L ) были увеличены (внутреннее сопротивление осталось прежним), ток, потребляемый от источника, уменьшился. Следовательно, падение напряжения на внутреннем сопротивлении уменьшится. В то же время напряжение на клеммах, приложенное к нагрузке, будет увеличиваться и приближаться к максимуму, когда ток приближается к нулю.

Искажения, вызванные сопротивлением источника в операционных усилителях

Введение

Почти во всех технических паспортах операционных усилителей есть типичные характеристические кривые, которые показывают полное гармоническое искажение (THD) усилителя как функцию частоты. Эти кривые обычно показывают различные коэффициенты усиления и выходные уровни, но почти всегда сопротивление источника входного сигнала низкое, обычно 50 Ом. В некоторых приложениях, таких как активные фильтры, полное сопротивление источника будет намного больше. Если входное сопротивление операционного усилителя нелинейно с напряжением, результирующие искажения будут значительно выше значений, указанных в паспорте.

Тестовая цепь

Оценить искажения, вызванные сопротивлением источника, довольно просто. Подключите усилитель как буфер с единичным усилением, работающий от источников питания ± 15 В. Подайте сигнал 20VP-P с низким уровнем искажений на неинвертирующий вход через резистор источника и измерьте искажение выходного сигнала. Схема показана на рисунке 1. Показания на частотах 1 и 10 кГц были записаны для различных значений сопротивления источника от 100 Ом до 100 кОм. Результаты измерений для нескольких операционных усилителей представлены на рисунках 2 и 3.

Рисунок 1.

Рис. 2. Зависимость искажения 1 кГц от сопротивления источника.

Рис. 3. Зависимость искажения 10 кГц от сопротивления источника.

Результаты

К сожалению, нет простого способа предсказать, какие усилители будут иметь наименьшие искажения, вызванные сопротивлением источника, по техническим характеристикам. Есть две основные причины искажения: нелинейное входное сопротивление и нелинейная входная емкость. На первый взгляд, нельзя было ожидать, что малая входная емкость операционного усилителя вызовет искажения на уровне нескольких кГц.Но при нагрузке источника 10 кОм операционные усилители на входе с полевым транзистором имеют самое высокое входное сопротивление, но они также имеют значительную нелинейную входную емкость. LF356 — это типичный операционный усилитель с полевым транзистором; искажение в 5-20 раз хуже с источником 10 кОм по сравнению с низким сопротивлением источника. LT1169 — это новый операционный усилитель с двумя входами на полевых транзисторах с очень низкой входной емкостью (1,5 пФ) и, следовательно, имеет примерно в три раза меньшие искажения, чем LF356.

OP27 — это популярный высокоскоростной прецизионный операционный усилитель с очень низким уровнем искажений при питании от источника 50 Ом.К сожалению, схема подавления входного тока смещения хорошо работает только на очень низких частотах; на частоте 1 кГц входное сопротивление очень нелинейно. Искажения от OP27 в 50 раз хуже с источником 10 кОм, чем с источником 100 Ом. LT1124 — это двойной прецизионный операционный усилитель с низким уровнем шума, в котором используется другая схема подавления входного тока смещения. LT1124 имеет наименьшие искажения, вызванные сопротивлением источника, на уровне 1 кГн среди всех протестированных операционных усилителей. LT1355 — член нового семейства маломощных операционных усилителей с высокой скоростью нарастания напряжения, которые обладают выдающимися характеристиками на высоких частотах.LT1355 имеет наименьшие искажения, вызванные сопротивлением источника, на частоте 10 кГц среди всех протестированных операционных усилителей.

На рисунке 4 показан активный фильтр Баттерворта 20 кГц, который может использоваться для сглаживания или ограничения полосы в системе сбора данных. На рисунке 5 показана частотная характеристика схемы. Обратите внимание, что для сигналов, значительно ниже частоты среза, конденсаторы не действуют, и операционный усилитель видит сопротивление источника 6,2 кОм. Искажения были измерены с помощью нескольких операционных усилителей в цепи, чтобы подтвердить данные, показанные на рисунках 2 и 3.В таблице 1 показаны результаты лучших операционных усилителей.

Рисунок 4.

Рисунок 5. Частотная характеристика фильтра.

Таблица 1. Фильтр искажений
Усилитель 100 Гц 1 кГц 2 кГц 5 кГц 10 кГц
LT1124 0,0004% 0,0005% 0.0008% 0,0021% 0,0090%
LT1355 0,0005% 0,0006% 0,0010% 0,0035% 0,0052%
LT1169 0,0005% 0,0012% 0,0024% 0,0080% 0,0100%

Искажения, вызванные сопротивлением источника, обычно ограничивают динамический диапазон RC-активных фильтров с единичным усилением.Интересной альтернативой высокой производительности являются LTC1063 и LTC1065. Эти фильтры нижних частот с переключаемыми конденсаторами пятого порядка не только меньше и проще в использовании, но и их искажения менее 0,01% даже при сопротивлении источника 10 кОм.

Простой постоянный ток. цепь с напряжением источника E, сопротивлением источника R S …

Контекст 1

… a d.c. источник напряжения E с постоянным последовательным сопротивлением R S, управляющий переменной нагрузкой R L, как показано на рис.1.Выразите мощность нагрузки P L и найдите максимум, дифференцируя P L по отношению к R L. (Это включено сюда только ради …

Контекст 2

… анализ построен на законах физики, таких как закон Ома, закон Кирхгофа, закон Джоуля и т. Д. протекает в цепи, а VL — это напряжение на нагрузочном резисторе RL, закон Ома требует, чтобы (Запись VL = RLIL предпочтительнее, чем VL = ILRL, хотя для простой схемы, такой как показанная на рис.1, оба означают одно и то же.) Закон Кирхгофа по напряжению (KVL) утверждает, что сумма повышений напряжения должна равняться сумме падений напряжения на замкнутом пути в цепи, и для схемы на рис. 1 это приводит …

Контекст 3

… нагрузочный резистор RL, закон Ома требует, чтобы (Запись VL = RLIL предпочтительнее, чем VL = ILRL, хотя для простой схемы, такой как показанная на рисунке 1, оба означают одно и то же .) Закон Кирхгофа по напряжению (KVL) утверждает, что сумма повышений напряжения должна равняться сумме падений напряжения на замкнутом пути в цепи и для схемы на рис.1 это приводит к …

Контекст 4

… действительная положительная функция f (x) непрерывна на отрезке [α, β], дифференцируема на открытом интервале [α, β], и если f (α) = f (β), то f ‘(x) = 0 в одной или нечетном количестве точек на открытом интервале [α, β]. Обращаясь к схеме на рис. 1, поскольку R L можно непрерывно изменять от 0 до ∞, мы можем рассматривать P L как непрерывную функцию от R L. Предположим, что переменный резистор R L повернут до одного крайнего положения, так что R L = 0, что приводит к короткому замыканию.Поскольку короткое замыкание не потребляет энергии, мы находим, что PL = 0. Аналогично, если он разомкнут, так что RL = ∞, то …

Контекст 5

… подразумевает, что функция xy имеет максимальное значение c 2 4 и это происходит при x ¼ c 2. Таким образом, при условии x + y = c> 0 произведение xy является максимальным тогда и только тогда, когда x ¼ c 2 ¼ y. Теперь, возвращаясь к схеме на рис. 1, если мы позволим I L R L и I L R S играть роль x и y соответственно, из KVL в (2) их сумма будет фиксированной.Мощность нагрузки P L ∝ xy. Он имеет максимальное значение E 2 4R s и возникает, когда I L R L = — I L R S или R L = R S. Это доказательство очень похоже на то, что дают Пол и Гарднер. 5 …

Контекст 6

… постоянный ток источник на рис.1 с переменным током. источника среднеквадратичного напряжения E ∠ 0 ∘ и сопротивления источника RS с комплексным импедансом ZS = RS + jX S и нагрузки с ZL = RL + jX L, найти условия для передачи максимальной мощности, частично дифференцируя PL относительно в RL и XL.Определите матрицу Гессе и ее собственные значения. Убедитесь, что это …

Контекст 7

… анализ построен на законах физики, таких как закон Ома, закон Кирхгофа, закон Джоуля и т. Д. Если IL — это ток, протекающий в цепи, и VL — это напряжение на нагрузочном резисторе RL, закон Ома требует, чтобы (запись VL = RLIL предпочтительнее, чем VL = ILRL, хотя для простой схемы, такой как показанная на рис. 1, оба значения означают одно и то же.) Закон Кирхгофа для напряжения (KVL) утверждает, что сумма повышений напряжения должна равняться сумме падений напряжения на замкнутом пути в цепи и для схемы на рис.1 это приводит к …

Контекст 8

… анализ построен на законах физики, таких как закон Ома, закон Кирхгофа, закон Джоуля и т. Д. Если IL — это ток, протекающий в цепи, а VL — напряжение на нагрузочном резисторе RL, закон Ома требует, чтобы (запись VL = RLIL предпочтительнее, чем VL = ILRL, хотя для простой схемы, такой как показанная на рис.1, оба значения означают одно и то же.) Закон Кирхгофа для напряжения ( KVL) утверждает, что сумма повышений напряжения должна равняться сумме падений напряжения на замкнутом пути в цепи и для схемы на рис.1 это результаты …

Контекст 9

… постоянный ток источник на рис.1 с переменным током. источника среднеквадратичного напряжения E ∠ 0 ∘ и сопротивления источника RS с комплексным импедансом ZS = RS + jX S и нагрузки с ZL = RL + jX L, найти условия для передачи максимальной мощности, частично дифференцируя PL относительно в RL и XL. Определите матрицу Гессе и ее собственные значения. Убедитесь, что он отрицательный …

Контекст 10

… означает, что функция xy имеет максимальное значение c 2 4 и что это происходит при x ¼ c 2. Таким образом, при условии x + y = c> 0 произведение xy является максимальным тогда и только тогда, когда x ¼ c 2 ¼ y. Теперь, возвращаясь к схеме на рис. 1, если мы позволим I L R L и I L R S играть роль x и y соответственно, из KVL в (2) их сумма будет фиксированной. Мощность нагрузки P L ∝ xy. Он имеет максимальное значение E 2 4R s и возникает, когда I L R L = — I L R S или R L = R S. Это доказательство очень похоже на то, что дают Пол и Гарднер.5 …

Контекст 11

… действительная положительная функция f (x) непрерывна на отрезке [α, β], дифференцируема на открытом интервале [α, β], и если f (α) = f (β), тогда f ‘(x) = 0 в одной или нечетном количестве точек на открытом интервале [α, β]. Обращаясь к схеме на рис. 1, поскольку R L можно непрерывно изменять от 0 до ∞, мы можем рассматривать P L как непрерывную функцию от R L. Предположим, что переменный резистор R L повернут до одного крайнего положения, так что R L = 0, что приводит к короткому замыканию.Поскольку короткое замыкание не потребляет мощность, мы находим, что P L = 0. Аналогично, если он разомкнут, так что R L = ∞, то потребляемая мощность также равна нулю. Таким образом, PL (0) = PL (∞) = 0 и для других значений RL PL (RL) ≠ 0. Согласно теореме Ролля мы подозреваем, что для нечетного числа точек или хотя бы для одной точки RL ∈ (0 , ∞), P 0 (RL) = 0. Но мощность, рассеиваемая в резисторе, является положительно-вещественной функцией, поэтому мы ожидаем по крайней мере одного …

Context 12

… постоянный ток источник напряжения E с фиксированным последовательным сопротивлением R S, управляющий переменной нагрузкой R L, как показано на рис. 1. Выразите мощность нагрузки P L и найдите максимум, дифференцируя P L по отношению к R L. (Это включено сюда только для …

Внутреннее сопротивление источников электрического тока, онлайн-калькулятор и формулы


Онлайн-калькулятор и формулы для расчета внутреннего сопротивления электрических источников

Рассчитать внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление источника электрического тока можно рассчитать путем сравнения двух различных условий нагрузки.Для этого необходимо измерить напряжение холостого хода без нагрузки. Затем источник напряжения нагружается резистором и измеряется нагруженное напряжение. По полученным данным вы можете рассчитать внутреннее сопротивление источника напряжения на этой странице.


онлайн-калькулятор внутреннего сопротивления

Формула для расчета внутреннего сопротивления

Внутреннее сопротивление можно рассчитать с использованием двух условий нагрузки.

Ток при загруженном источнике питания можно рассчитать по следующей формуле:

\ (\ Displaystyle I = \ гидроразрыва {U_2} {R_L} \)

Затем внутреннее сопротивление можно рассчитать, используя ток и разность напряжений.

\ (\ Displaystyle R_i = \ гидроразрыва {U_q-U_2} {I} \)

Легенда

\ (\ Displaystyle U_q \)

Напряжение источника

\ (\ Displaystyle U_2 \)

Напряжение на клеммах

\ (\ Displaystyle R_ {я} \)

Внутреннее сопротивление

\ (\ Displaystyle R_ {L} \)

Сопротивление нагрузки

\ (\ Displaystyle I \)

Ток с сопротивлением нагрузки

\ (\ Displaystyle I_k \)

Ток короткого замыкания

Другие формулы

Напряжение на клеммах \ (\ Displaystyle U = U_q- (R_i · I_L) \)
Обрыв цепи \ (\ Displaystyle U = U_q \)
Короткое замыкание \ (\ Displaystyle I_k = \ гидроразрыва {U_q} {R_i} \)

Ist diese Seite hilfreich? Ja Nein

Vielen Dank für Ihr Отзыв!

Wie können wir die Seite verbessern?

Senden


Внутреннее сопротивление

Любой источник электрической энергии, такой как аккумулятор или генератор, поставляет электроэнергию путем преобразования некоторой другой формы энергии в электрическую.В случае с батареей используется энергия, создаваемая какой-либо химической реакцией. Батарея обеспечивает электродвижущую силу (ЭДС), которая толкает электроны вокруг любой электрической цепи, к которой она подключена. Эта электродвижущая сила может быть выражена как напряжение и определяется как общее количество энергии (в джоулях) на единиц заряда (в кулонах), подаваемых в цепь. Его можно представить с помощью следующей формулы:

куда:

E = энергия в джоулях

Q = заряд в кулонах

ℰ = электродвижущая сила

Разность потенциалов (pd) на каждом компоненте в цепи также выражается как напряжение, но определяется как энергия на единицу заряда, преобразованная компонентом в другие формы энергии.Полная ЭДС, обеспечиваемая батареей, по существу, равна напряжению разомкнутой цепи батареи, то есть напряжению, измеренному, когда к батарее не подключена нагрузка и не течет ток. На практике это можно измерить с достаточной точностью с помощью современного цифрового мультиметра, поскольку величина тока, потребляемого мультиметром, может считаться незначительной. В действительности разность потенциалов, измеренная на клеммах батареи, когда она подключена к нагрузке, будет меньше, чем ее напряжение холостого хода.Причина этого в том, что аккумулятор не является идеальным источником напряжения , потому что, помимо протекания тока через нагрузку, аккумулятор также должен пропускать ток через собственное внутреннее сопротивление , что приведет к рассеиванию энергии в виде тепла. .

Внутреннее сопротивление химической батареи обычно составляет от долей Ом до нескольких Ом и в основном связано с сопротивлением электролитических материалов, используемых при производстве батареи.Ток должен течь между электродами батареи и через эти материалы, когда батарея подключена к электрической цепи. Таким образом, источник напряжения, такой как батарея, можно рассматривать как идеальный источник напряжения (без внутреннего сопротивления), соединенный последовательно с резистором (внутреннее сопротивление батареи). Когда через батарею протекает ток, на внутреннем сопротивлении будет небольшое падение напряжения. Это падение напряжения можно рассчитать как умножение силы тока на внутреннее сопротивление (закон Ома).Когда к источнику напряжения приложена нагрузка, падение напряжения на сопротивлении нагрузки (напряжение на клеммах ) будет равно ЭДС источника минус падение напряжения на внутреннем сопротивлении, поскольку два сопротивления включены последовательно с друг друга. Схема ниже иллюстрирует принцип.


Внутреннее сопротивление батареи последовательно с сопротивлением нагрузки.


Внутреннее сопротивление батареи зависит от типа батареи (т.е.е. щелочной , свинцово-кислотной , никель-кадмиевой и т. Д.), И может изменяться в зависимости от нагрузки, температуры и возраста батареи. Одноразовые батареи со временем подают меньшее напряжение, например, потому что их внутреннее сопротивление постоянно увеличивается. В конце концов, вырабатываемое напряжение будет настолько низким, что аккумулятор практически не будет использоваться, и его придется выбросить. Если эдс () батареи известна, ее внутреннее сопротивление ( R ВНУТРЕННЕЕ ) можно определить путем измерения тока ( I НАГРУЗКА ), протекающего через сопротивление нагрузки ( R НАГРУЗКА ) с известным значением.Поскольку внутреннее сопротивление и сопротивление нагрузки включены последовательно, мы можем использовать закон Кирхгофа по напряжению и закон Ома, чтобы получить следующую формулу:

= ( R ВНУТРЕННЯЯ + R НАГРУЗКА ) × I НАГРУЗКА

Решая для R ВНУТРЕННЯЯ , получаем:

904 Рассмотрим схему, показанную ниже, в которой аккумулятор с известной ЭДС 1.5 В последовательно с лампой. Падение напряжения, измеренное на лампе В НАГРУЗКА , составляет 1,2 В, что означает, что мы «потеряли» 0,3 В на внутреннем сопротивлении R ВНУТРЕННИЙ . Сопротивление проводов в цепи можно считать незначительным, тогда как сопротивление лампы R НАГРУЗКА неизвестно. Ток I , протекающий по цепи, измеряется как 0,30 А. Как определить внутреннее сопротивление?


Какое внутреннее сопротивление батареи?


Поскольку мы знаем, что R = V / I (закон Ома), мы можем найти сопротивление нагрузки следующим образом:

R ВНУТРЕННИЙ = R НАГРУЗКА
I НАГРУЗКА
R НАГРУЗКА = V НАГРУЗКА = 1.2 В = 4 Ом
I 0,3 A

Теперь, используя полученную ранее формулу для внутреннего сопротивления:

904 904 1.5 В
R ВНУТРЕННЯЯ = R НАГРУЗКА
I НАГРУЗКА
— 4 Ом = 1 Ом
0,3 А

Внутреннее сопротивление источника электрической энергии является важным фактором при рассмотрении вопроса о том, как получить от источника максимальную мощность для подключенного к нему электрического прибора (нагрузки). Хотя мы рассмотрим тему мощности более подробно в другом месте, теорема о максимальной мощности утверждает, что максимальная передача мощности происходит, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки.Обратной стороной этого является то, что мощность, рассеиваемая в самом источнике, также равна мощности, передаваемой нагрузке ( Power = I 2 × R ), что дает энергоэффективность всего 50%. Наиболее эффективная передача мощности происходит, когда внешнее (нагрузочное) сопротивление намного превышает внутреннее сопротивление источника. Поэтому при выборе наилучшего типа источника необходимо тщательно учитывать потребности приложения.Например, свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор должен обеспечивать относительно высокие токи при сравнительно низком напряжении (большинство автомобильных аккумуляторов вырабатывают номинальную ЭДС 12,6 вольт). Его низкое внутреннее сопротивление позволяет ему обеспечивать такие высокие токи без значительного падения напряжения на клеммах. С другой стороны, высоковольтные источники питания должны иметь чрезвычайно высокое внутреннее сопротивление, чтобы ограничивать ток, который может протекать в случае случайного короткого замыкания.

Проблемы

  1. Батарея 9 В последовательно подключена к нагрузке, и напряжение на клеммах равно 8 В.Измеренный ток в цепи составляет 5 А. Какое внутреннее сопротивление батареи?
  2. Какая ЭДС батареи в следующей цепи?


  3. Какое внутреннее сопротивление батареи в следующей цепи?


  4. Аккумулятор имеет внутреннее сопротивление 0,5 Ом и ЭДС 1.5 В. При последовательном подключении к сопротивлению нагрузки напряжение на клеммах падает до 1,45 В. Какой ток течет в цепи и каково значение сопротивления нагрузки?
  5. Какое напряжение на клеммах аккумулятора с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 0,5 Ом при последовательном подключении к резистору 10 Ом?

Ответы на проблемы


Границы | Основанный на метагеномике подход к атрибуции источников детерминант устойчивости к противомикробным препаратам — Идентификация сигнатур пластового резистома

Введение

Источник-атрибуция оценивает долю случаев заболевания людей, вызванных болезнями пищевого происхождения, которые связаны с различными резервуарами и / или средствами передачи, т.е.е., разные источники (Pires et al., 2018). Исследования микробных подтипов для определения источника во многих странах последовательно способствовали распределению бремени конкретных болезней пищевого происхождения по животным-резервуарам (Hald et al., 2004; Mughini-Gras and van Pelt, 2014; Mughini-Gras et al., 2019; Pires et al., 2014; de Knegt et al., 2016; Thépault et al., 2018; Zhang et al., 2019). Оценки атрибуции могут быть получены с использованием различных входных данных и различных подходов к моделированию (Mughini-Gras et al., 2018), но традиционно многие целевые исследования одного патогена основывались на моделях сопоставления частот и фенотипических данных (Hald et al., 2004; Mughini-Gras and van Pelt, 2014; de Knegt et al., 2016). Однако с увеличением доступности информации о генотипировании патогенов пищевого происхождения, выделенных от животных, продуктов питания, окружающей среды и клинических случаев, популяционные генетические модели становятся все более популярным выбором (Thépault et al., 2018), и несколько разработок моделей были замечены в чтобы учесть данные полногеномного секвенирования (WGS) (Cheng et al., 2013; Raj et al., 2014; Lees et al., 2019; Тонкин-Хилл и др., 2019). В то же время машинное обучение использовалось как альтернативный подход для определения источника с помощью WGS (Zhang et al., 2019; Munck et al., 2020). Например, недавно был предложен алгоритм дерева решений машинного обучения для атрибуции инфекций Salmonella Typhimurium у людей с использованием мультилокусного секвенирования ядра генома (Munck et al., 2020), с результатами, сравнимыми с результатами, полученными ранее при объединении множественных локусов. Данные анализа тандемных повторов с переменным числом (MLVA) с использованием модели согласования частот Хальда (de Knegt et al., 2016).

Передача болезнетворных микроорганизмов пищевого происхождения человеку предполагает некоторую степень сопутствующей передачи устойчивых к противомикробным препаратам (УПП) бактерий и детерминант УПП. Масштабы такой передачи, однако, до настоящего времени были оценены лишь ограниченно, обычно нацелены на одну комбинацию типа устойчивости к патогенам, например, ESBL-AmpC-продуцирующая E. coli (Evers et al., 2017; Mughini-Gras et al., 2019), или отнесения инфекций AMR к источникам, пропорционально отнесению подтипов патогенов и распространенности фенотипической устойчивости в каждом подтипе (Hald et al., 2007). Традиционно атрибуция источника в значительной степени основывалась на моделировании передачи от животных к человеку, но недавно передача от человека человеку была успешно включена в модель сопоставления частот (Mughini-Gras et al., 2019), которая показала высокий уровень относительный вклад этого пути передачи в инфицирование человека бактериями E. coli, продуцирующими ESBL-AmpC, .

В связи с генетической природой устойчивости к противомикробным препаратам и возможностью горизонтального переноса генов устойчивости между бактериями разных видов, мы предлагаем здесь оценить передачу УПП, учитывая обилие генетических детерминант устойчивости, полученных в результате метагеномного секвенирования (т.е., резистом). Ранее было продемонстрировано, что метагеномика является ценным активом в прослеживаемых исследованиях для определения происхождения загрязнения УПП в водоемах (Baral et al., 2018; Gupta et al., 2019). Мы использовали фекальные резистомы бройлеров, свиней, индеек и телят, отобранные незадолго до убоя в девяти европейских странах, чтобы определить характерные для резервуара сигнатуры резистома и использовать их для прогнозирования источников фекальной резистентности людей с профессиональным контактом с домашним скотом. .Образцы людей включали субъектов, работающих на свиноводческих фермах, скотобойнях или бройлерных фермах в одной из стран-участниц (Van Gompel et al., 2020). Мы сравнили прогнозы моделей с включением и без включения «людей» в качестве источника детерминант УПП, а также прогнозы независимых от страны и конкретных страновых моделей.

Это исследование позволило предсказать относительную принадлежность к различным животным резервуарам детерминант УПП, присутствующих в резистомах человека, и, таким образом, заложить основу для будущих исследований источника УПП передачи с использованием метагеномики.

Материалы и методы

Все образцы, использованные в этом исследовании, были собраны в ходе поперечных исследований в рамках европейского проекта EFFORT. Протокол отбора проб, количество собранных образцов, выделение ДНК, метод секвенирования и анализ разнообразия резистомов были подробно описаны в других источниках (Munk et al., 2018; Van Gompel et al., 2020). Выборка проводилась среди девяти стран-участниц, которые были анонимизированы буквами A-I, по согласованию с консорциумом проекта.

Сбор проб

Вскоре было собрано в общей сложности 25 проб свежих фекалий с загона и объединено в единый пул для каждой отобранной фермы свиней, бройлеров, индейки и телят. Образцы свиноводческих и бройлерных ферм были отобраны в девяти европейских странах (A-I), а ферм по выращиванию индейки и телятины — в трех из этих девяти стран (Рисунок 1). Отдельные пробы фекалий людей, подвергавшихся профессиональному контакту с животными, производящими пищу, были собраны в стране F, причем каждая проба представляла отдельного субъекта.Характеристики выбранных рабочих бройлерных ферм ( n = 24), рабочих свиноводческих ферм ( n = 54) и рабочих свиноводческой бойни ( n = 70) были описаны в другом месте (Van Gompel et al., 2020) . Здесь мы используем единый термин «рабочие», однако образцы, собранные у людей на свиноводческих и бройлерных фермах, включали как фермеров, так и членов их семей и сотрудников.

Рисунок 1. Родительские и дочерние узлы в моделях иерархических случайных лесов (HRF1, HRF2).Иерархическая структура моделей HRF1 и HRF2 с родительскими узлами (страны) и дочерними узлами (резервуары внутри страны). Количество наблюдений на страну (A-I) и на резервуар (Bro = бройлер, свинья = свинья, Vea = телята, Tur = индейка) указано в скобках. Один образец соответствует пулу из 25 отдельных образцов с одной фермы.

Секвенирование дробовика

Процедуры выделения ДНК и секвенирования с помощью дробовика были подробно описаны в другом месте для образцов животных (Munk et al., 2018) и для образцов человека (Van Gompel et al., 2020). Вскоре образцы свиней и бройлеров были в основном секвенированы на платформе Illumina HiSeq3000 (поставщик медицинских исследований Оклахомы), образцы индеек и телят были секвенированы на платформе Illumina NovaSeq 6000 (поставщик Admera Health), а образцы людей были секвенированы на платформе. платформа Illumina HiSeq4000 (поставщик GenomeScan), все с использованием секвенирования парных концов 2 × 150 пар оснований на проточную кювету. Подготовка библиотеки для образцов бройлеров и индейки включала ПЦР-амплификацию, тогда как для образцов свиней, телят и людей амплификация не проводилась.

Чтение отображения

Биоинформатический анализ метагеномных необработанных считываний был аналогичен анализу, описанному Munk et al. (2018) с использованием более поздней версии базы данных ResFinder, содержащей 3026 эталонных последовательностей генов AMR (по состоянию на 21 сентября 2018 г.). Вскоре последовательности ДНК из каждого образца были проанализированы с помощью MGmapper (Petersen et al., 2017). Чтобы избежать копий ПЦР в данных птицы и индейки, идентичные пары считывания были удалены с помощью Picard v2.8.3. Последовательности адаптера и нуклеотиды низкого качества также удаляли с помощью BBduk2. Полученные обрезанные пары чтения были сопоставлены с базой данных ResFinder, описанной Zankari et al. (2012) с использованием выравнивателя Барроуза-Уиллера (Li and Durbin, 2009). Были приняты правильно спаренные чтения с выравниванием по крайней мере 50 пар оснований в каждом чтении. Результирующие сопоставленные показания представляли полученный резистом в каждом образце.

Нормализация счетчиков считываний

отсчетов, сопоставленных с ResFinder, были нормализованы к длине каждой эталонной последовательности, а также к количеству считываний в каждой выборке, тем самым преобразовав счетчики в значения Фрагментов на килобазу эталона и Миллион считываний (FPKM) для каждой эталонной последовательности ResFinder.Гены с множеством аллелей в ResFinder приводят к неспецифическому картированию и случайным образом назначаемым парам чтения. Чтобы избежать потери чувствительности и неправильных назначений, мы сохранили неоднозначные совпадения, но агрегировали их численность до более высоких уровней, соответствующих 90% -ным кластерам идентичности генов (здесь называемых детерминантами AMR). Для определения этих кластеров мы использовали CD-HIT-EST (v4.6.6) (Li and Godzik, 2006; Fu et al., 2012) с уровнем идентичности 90% и другими настройками по умолчанию. Результирующая матрица подсчета считываний содержала 389 индивидуальных детерминантов AMR.Обзор генного состава каждой детерминанты УПП представлен в дополнительной таблице 1.

Случайные леса

Мы применили контролируемый алгоритм классификации ансамбля Random Forests (RF) (Ho, 1995; Breiman, 2001), чтобы классифицировать резистомы в соответствующие классы коллектора на основе их относительного состава детерминант AMR. Согласно Брейману (2001), случайные леса — это «классификатор, состоящий из набора классификаторов с древовидной структурой (…) (где) каждое дерево дает единичный голос за самый популярный класс» для каждого наблюдения и «после большого количества деревья, они голосуют за самый популярный класс в целом, также называемый классом «четкость».Разделение в каждом дереве определяется на основе случайного выбора характеристик, что, как считается, улучшает точность модели (Breiman, 2001). В своей плоской форме случайные леса сравнивают один со всеми классами (Gavish et al., 2018) для каждого наблюдения, в этом исследовании — со всеми резервуарами. На первом этапе мы применили иерархические случайные леса (HRF), которые рассматривают иерархическую структуру данных и используют плоские RF-алгоритмы на каждом узле внутренней иерархии. На этом этапе наблюдения были классифицированы как по резервуару, так и по стране происхождения.В HRF каждый классификатор внутреннего узла обучается исключительно на наблюдениях за потомками этого конкретного узла (Gavish et al., 2018), таким образом, здесь классификация наблюдения с точки зрения резервуара обучалась отдельно для каждого узла страны.

Все анализы проводились в R v. 3.6.0 (R Core Team, 2019): иерархические случайные леса с пакетом HieRanFor v.1.0 и случайные леса с пакетом caret v.6.0–84 (Kuhn et al. ., 2019).

В исследовании мы использовали пять моделей, обозначенных как HRF1, HRF2, RF1, RF2 и RF3.В каждой модели мы устанавливаем параметр mtry (количество функций, доступных для разделения в каждом узле дерева) как квадратный корень из количества функций предиктора (детерминанты AMR), и мы изначально разделяем данные на обучение и тестирование. подмножество, соответствующее случайным 70% и 30% от общего количества наблюдений соответственно. Производительность модели оценивалась на основе сбалансированной точности (Kuhn et al., 2019) и значения Каппа (Cohen, 1960) для всех моделей, а также с точки зрения ошибки вне пакета (OOB) (Gavish et al., 2018) на родительских узлах HRF (рисунок 2 и дополнительная таблица 2). Прогностическая эффективность каждой модели дополнительно оценивалась как с помощью обучающего набора (самоатрибуция), так и с помощью набора для тестирования. Прогнозы для каждого наблюдения состояли из i) доли голосов, отданных за разные классы коллектора, здесь интерпретируемой как относительная вероятность того, что образец будет отнесен к разным коллекторам, и ii) четкого класса. Важность каждого детерминанта AMR для отнесения к классу оценивалась на основе среднего снижения точности (MDA), т.е.е. снижение точности модели в результате удаления этой отдельной функции.

Рисунок 2. Производительность иерархических случайных лесов с полным пространством признаков (HRF1) и с уменьшенной размерностью (HRF2). Показатели производительности модели для HRF1 и HRF2 включают ошибок вне пакета (OOB) на родительских узлах (отдельная страна) (A) и среднюю сбалансированную точность на конечных узлах (резервуар) (B) . На рисунке показано распределение обеих мер, полученных с помощью 100 итераций HRF1 (полное пространство признаков, т.е.е., 389 детерминант AMR) и HRF2 (сокращенное пространство признаков, т. е. 119 выбранных детерминант AMR).

Дополнительные сведения о каждой модели приведены в разделах с 2.5.1 по 2.5.5.

HRF1 — Идентификация независимой от страны сигнатуры дискриминантного резистома

Первым шагом анализа, иерархическим методом случайных лесов HRF1, рассматривался полный набор данных резистома животных, состоящий из 479 наблюдений и 389 детерминант УПП, с наблюдениями, распределенными между 9 странами (A — I) и 4 классами резервуаров (свинья (181) , бройлер (177), телятина (61), индейка (60)).Были определены два уровня иерархии: L1 = «страна» и L2 = «резервуар», и данные считались сбалансированными на уровне класса резервуара в каждой стране (конечные узлы), с выборкой примерно 20 ферм на резервуар для каждой страны ( Рисунок 1). Модель была запущена с 10-кратной проверкой случайной выборки методом Монте-Карло (MC), и прогнозы были получены для обучающей выборки и тестовой выборки на каждой итерации. На каждой итерации MC были отобраны случайные подмножества обучения и тестирования. Для каждого узла в иерархии был извлечен список определителей AMR и их MDA для классификации потомков узла.Каждый список впоследствии был отфильтрован по тем детерминантам AMR, которые положительно повлияли (MDA> 0) на классификацию.

Чтобы определить независимые от страны сигнатуры резистома, мы исследовали перекрытие подмножеств специфических для страны детерминант УПП между различными группами стран: i) 5 стран только с наблюдениями за свиньями и бройлерами, ii) 4 страны с наблюдениями за свиньями, телята-бройлеры, индейки и / или телятины и iii) 2 страны с наблюдениями за всеми четырьмя резервуарами.Перекрытия были определены и визуализированы на диаграммах Венна с помощью пакета R VennDiagram v.1.6.20 (Chen, 2018; дополнительный рисунок 1) и послужили основой для определения подмножеств независимых от страны и специфичных для страны маркеров резистома. используется на последующих этапах анализа.

Целью HRF1 было выявление специфических для страны и независимых детерминант УПП с положительным влиянием на классификацию резистомов животных по соответствующим резервуарам. Результаты HRF1 сообщают об уменьшении размерности (уменьшении количества функций в модели), выполняемом на последующих этапах (HRF2, RF1, RF2, RF3).

HRF2 — Характеристики модели с независимыми от страны детерминантами УПП

Мы выбрали набор из 119 детерминант AMR с MDA> 0, определенных в HRF1 для двух стран, где были взяты пробы из всех четырех резервуаров. Это независимое от страны подмножество детерминант AMR определило пространство признаков в HRF2. Эти детерминанты УПП позволяют различать резистентность животных-резервуаров во всех включенных странах. HRF2 был обучен и оценивался наравне с HRF1. Целью HRF2 было оценить изменение производительности модели после целевого шага уменьшения размерности.Чтобы сравнить производительность HRF1 и HRF2, мы исследовали процент соответствия между четким классом и истинным классом, список детерминант AMR с положительным MDA и ошибками OOB в каждом узле страны, а также сбалансированную точность на каждом терминале. узел (дачный-водоем).

RF1 — Атрибуция источника резистомов человека с помощью модели резистома животного

Те же самые данные, которые использовались в HRF2, были подвергнуты случайному увеличению выборки для достижения сбалансированного количества наблюдений между классами коллектора.Повышение дискретизации выполнялось с помощью функции upSample из пакета R caret v.6.0–84 (Kuhn et al., 2019), которая выполняет выборку с заменой до тех пор, пока распределения классов не станут равными. Затем была обучена плоская модель RF без учета иерархических уровней. Сначала данные были разделены на набор для обучения и тестирования, а затем алгоритм был обучен с 10 × 10-кратной перекрестной проверкой (т. Е. 10-кратной перекрестной проверкой, повторенной 10 раз) на обучающем наборе. Прогнозы были получены для исходной обучающей выборки и тестовой выборки, а также дополнительно для всех 149 наблюдений человеческих резистомов по отдельности.Эта модель позволила отнести человеческие резистомы к различным резервуарам животных вероятностным образом, рассматривая «свинью», «бройлер», «индейку» и «телятину» как единственные возможные источники детерминант УПП.

RF2 — Атрибуция источников резистомов человека, включая человека как источник

Вслед за RF1 была разработана аналогичная RF-модель путем добавления образцов людей к исходному набору данных, что позволило классифицировать голоса по классу «человек» в дополнение к классам «свинья», «бройлер», «индейка» и «телятина». .’Перед случайным разделением на тестовый и обучающий набор данные были подвергнуты повышенной дискретизации, как описано для RF1, чтобы достичь баланса данных между классами. Затем алгоритм RF2 также был согласован с 10 × 10-кратной перекрестной проверкой для обучающего набора, и были получены прогнозы для начальных наборов обучения и тестирования, а также исключительно для наблюдений за людьми. RF2 позволил отнести человеческие резистомы к источнику, альтернативному четырем животным-производителям пищи, рассмотренным в предыдущих моделях.«Человек» как источник представляет собой происхождение детерминант УПП, которые нельзя отнести ни к одному из четырех рассмотренных здесь резервуаров животных.

RF3 — Модель атрибуции источника для конкретной страны

Третья плоская RF-модель подходит для всех наблюдений (животных и людей), происходящих из страны F, где были отобраны три группы людей. Таким образом, RF3 считается исходным набором данных из 230 наблюдений, распределенных между резервуарами «свинья» (20), «бройлер» (20), «телятина» (20), «индейка» (21) и «человек» (149). ).Поскольку в стране F выборка из ферм индейки не проводилась, мы предположили, что потребители в стране F подвергаются воздействию индюков с резистомами, аналогичными тем, которые были взяты в выборку в стране B, которая представляет собой основного поставщика мяса индейки в стране F , . Этот исходный набор данных был подвергнут повышающей дискретизации, как описано для RF1 и RF2, а затем разделен на обучающий и тестовый набор. Пространство признаков включало подмножество из 109 детерминант УПП, определенных в HRF1 с MDA> 0 для классификации коллектора в стране F (см. Дополнительную таблицу 4).Алгоритм соответствовал обучающей выборке с 10 × 10-кратной перекрестной проверкой, и были получены прогнозы для начальных обучающих и тестовых наборов и исключительно для наблюдений за людьми. Модель RF3 была нацелена на определение влияния применения сигнатур резервуарных сопротивлений, специфичных для данной страны, для определения источника человеческих резистомов.

Детерминанты УПП-индикатора коллектора

Мы выполнили анализ процентного сходства (SIMPER) (Clarke, 1993), чтобы выделить детерминанты AMR индикатора коллектора.Мы использовали попарные сравнения сопротивлений резервуаров и определили средний вклад каждого детерминанта AMR в несходство Брея-Кертиса между каждыми двумя резервуарами. Этот анализ был выполнен с полным спектром детерминант AMR с использованием функции simper из пакета R vegan v.2.5–5 (Oksanen et al., 2019). Детерминанты AMR, вносящие вклад в попарное несходство резервуара, были отобраны и аннотированы классом AMR и репрезентативным геном AMR (см. Дополнительную таблицу 4).В каждом попарном сравнении отбирались 10 основных вкладчиков и определялся резервуар, в котором их относительное содержание в резистоме было наибольшим. Резистомы были далее иерархически сгруппированы на основе евклидовых расстояний и метода минимальной дисперсии Уорда (Ward, 1963), примененного к преобразованному по Хеллингеру относительному содержанию этих основных определяющих факторов AMR, с использованием функции decostand из пакета R vegan v.2.5–5 (Оксанен и др., 2019) и пакет R pheatmap v. 1.0.12 (Kolde, 2019; дополнительный рисунок 4). Идентичный анализ был проведен для выявления детерминант УПП, вносящих вклад в несходство резистомов между каждой группой людей и животным-резервуаром, которому они подвергались на работе, то есть бройлерами или свиньями.

Результаты

Выбор подписей резистомов, не зависящих от страны

С помощью первой иерархической модели случайных лесов, HRF1, мы определили подмножество детерминант УПП, что позволяет точно классифицировать резистом по животным резервуарам независимо от страны происхождения.Это было достигнуто путем определения детерминант УПП с положительным средним снижением точности одновременно в i) двух странах, где были взяты пробы из всех четырех водохранилищ (119 детерминант), ii) четырех странах, где были отобраны пробы более двух водохранилищ (77 детерминант), iii) в пяти странах были только бройлеры, и были взяты образцы свиней (35 детерминант) (дополнительный рисунок 1 и дополнительная таблица 3). Мы заметили, что количество прогностических признаков, необходимых для классификации резистома в разных странах, увеличивалось с большей неоднородностью резервуаров среди образцов, однако все характеристики, важные для различения только резистомов свиней и бройлеров, также были важными классификаторами при наличии дополнительных резервуаров.Количество независимых от страны, дискриминантных характеристик пласта-коллектора незначительно варьировалось между прогонами перекрестной проверки, однако характеристики с верхним MDA остались неизменными. Поэтому мы выбрали результат случайной итерации HRF1, чтобы перейти к обучению HRF2.

Производительность модели HRF2 с данными с уменьшенными размерами (119 детерминант AMR) сравнивалась с производительностью HRF1 с 389 функциями. Общая точность модели была ниже в HRF2 (средняя точность = 0.826) по сравнению с HRF1 (средняя точность = 0,833), однако распределение ошибок OOB в HRF2 было сопоставимо с распределением ошибок HRF1 для классификации резервуаров внутри стран для большинства стран (Рисунок 2A). Страны G и H представили более высокие средние / медианные ошибки внебольничных операций в HRF2, в то время как страны A, B и E представили более низкие средние / медианные ошибки OOB с сокращенной моделью. Также была оценена сбалансированная точность классификации каждого вида резервуаров в отдельных странах. Средняя точность классификации увеличилась в 5/9 странах для образцов бройлеров (A, C, F, G, I), в 7/9 странах для образцов свиней (A, D, E, F, G, H, I), 1 / 3 страны для образцов телятины (B) и индейки (E) (Рисунок 2B).

Таблица 1 показывает, что соответствие между истинным и прогнозируемым классом коллектора с HRF2 увеличилось для классификации стран A (8%), C (2,9%), E (7,8%), H (8%) и I (14,9%), и снизился с 5,9 до 23,1% для классификации остальных стран. Соответствие классификации резервуаров по странам увеличилось для бройлеров (0,8%) и индейки (20,3%) и снизилось для свиней (-3,3%) и телят (-11,2%).

Таблица 1. Соответствие истинного класса и предсказанного четкого класса для обучающего набора данных (самоатрибуция) и важности признаков с моделями HRF1 и HRF2.

В целом, HRF2 не показал ни общего улучшения, ни общего снижения производительности по сравнению с HRF1. Тем не менее, HRF2 привел к явному снижению доли детерминант УПП, важных для классификации по конкретной стране, и к увеличению доли тех, которые важны для классификации, в большем количестве стран (Таблица 1). Этот результат указывает на то, что подмножество детерминант AMR, выбранных в HRF1 и используемых в качестве предикторов в HRF2, содержит большую относительную долю независимых от страны сигнатур резистома.

Источник-атрибуция человеческих резистомов

Модели RF1, RF2 и RF3 использовались для вероятностного отнесения резистомов человека к резервуарам при различных гипотезах (см. Дополнительный рисунок 2). RF1 был обучен исключительно на данных резистома животных, поэтому человеческие резистомы можно было отнести только к четырем резервуарам животных. RF2 был обучен с учетом данных как о людях, так и о животных, поэтому резистомы человека можно дополнительно отнести к «человеческому» источнику. И RF1, и RF2 были обучены на наборе детерминант AMR, ранее использовавшихся в HRF2 (т.д., набор независимых от страны предикторов), и поэтому включал данные по всем странам. Что касается четкого определения класса, эти две модели достигли одинаковой точности во время обучения (средние значения точности 0,996 и 0,995 для RF1 и RF2 соответственно (дополнительная таблица 2). Однако, не включая сценарий атрибуции, кроме четырех источников домашнего скота ( то есть, например, для класса «человек» в RF2), прогнозы RF1 для источника резистомов человека нереалистичны, с совокупностью голосов атрибуции, распределенных исключительно между источниками «свинья», «бройлер», «индейка» и «телятина» (рис. 3).Тем не менее, результаты атрибуции RF1 указывают на постоянно более высокую долю голосов, приписываемых исходной «свинье» для каждого человеческого резистома, что предполагает относительно более высокое сходство между резистомами человека и свиньи, чем с оставшимися тремя резервуарами. Прогнозы с RF2 также показали, что каждый человеческий резистом на самом деле преимущественно приписывался «человеческому» источнику, если модель включала этот источник. Вторым наиболее приписываемым источником с RF2 была «свинья» в соответствии со схемой атрибуции, наблюдаемой с моделью RF1.

Рис. 3. Отнесение 149 человеческих резистомов к источникам с помощью плоских моделей случайных лесов. Для каждого фекального резистома человека (горизонтальная ось) результаты атрибуции представлены как процент голосов, отданных за каждый из источников-резервуаров (вертикальная ось). Каждый горизонтальный аспект представляет собой прогнозы одной модели случайных лесов (RF1, RF2 или RF3). RF1 был обучен резистомам телят свиней, бройлеров, индейки и телятины из всех стран; RF2 был обучен резистомам свиней, бройлеров, индейки, телят из всех стран и человеческим резистомам из страны F.RF3 прошел обучение по резистомам свиней, бройлеров, телят и людей, отобранных в стране F, и индейки, отобранной в стране B и считающейся репрезентативной для страны F. «Человек» в качестве атрибутивного источника представляет любой другой источник, кроме одного из четырех видов домашнего скота. включены в модель. Каждая вертикальная грань представляет собой настройку профессионального облучения образцов человека, собранных в стране F — рабочих на свинофермах, скотобойнях или птицефабриках.

RF3 был моделью для конкретной страны, обученной на образцах животных и людей, собранных в стране F (в случае индейки, мы предположили, что сопротивление индейки сопоставимо с таковым, наблюдаемым в стране B).Предикторами УПП были детерминанты, определенные как специфические для страны F в модели HRF1 (см. Дополнительную таблицу 3). RF3 имел более высокую точность во время обучения (0,998) по сравнению с RF2 (0,994) (дополнительная таблица 2) и более высокую долю голосов, приписываемых истинному классу, при прогнозировании как с тестовыми, так и с обучающими наборами (дополнительные рисунки 2E, F). Распределение голосов источников, полученных с помощью RF2 и RF3 среди каждой из трех групп людей, сравнивалось на Рисунке 4. Среди рабочих бройлерных ферм RF3 показал увеличение доли голосов за класс «человек» за счет снижение отнесения к классу свиней.Таким образом, ‘RF3 показал, что люди, подвергавшиеся прямому контакту со свиньями, имели более высокую долю отнесения к «свиньям» по сравнению с людьми, подвергавшимися прямому контакту с бройлерами. Как RF2, так и RF3 показали, что рабочие свиноводческой фермы больше приписывают «свинью», чем рабочие свиноводческой бойни.

Рис. 4. Распределение процента голосов, приписываемых каждому резервуару в прогнозах резистомов человека с независимыми от страны (RF2) и специфическими для страны (RF3) случайными лесами.Коробчатые диаграммы представляют собой распределение процента голосов (вертикальная ось), приписываемых каждому резервуару (горизонтальная ось), среди общего числа сопротивлений человека. Каждый горизонтальный аспект представляет собой прогнозы одной модели случайных лесов (RF2 или RF3). RF2 был обучен резистомам свиней, бройлеров, индейки, телятины, отобранных в девяти странах, и людей, отобранных в стране F; RF3 был обучен резистомам свиней, бройлеров, телят и людей, отобранных в стране F, и индейки, отобранных в стране B, и считался репрезентативным для страны F.«Человек» в качестве атрибутивного источника представляет любой другой источник, кроме одного из четырех видов домашнего скота, включенных в модель. Каждая вертикальная грань представляет собой профессиональную экспозицию образцов человека, собранных в стране F — работников свиноферм, свинофабрик или птицефабрик.

Анализ сигнатур пласто-индикаторных резистомов

Мы оценили попарное несходство между резервуарами во всех странах и обнаружили, что среди четырех животных-производителей кормов наибольшее различие по сопротивлению было между телятами-бройлерами и телятами-бройлерами (72.4 и 72,2% соответственно). Напротив, двумя резервуарами с наиболее похожими составами резистомов были телята свиньи и телятина (38,9%). По сравнению с резистомами человека различие было самым высоким для бройлеров и индейки (86,7 и 83,8% соответственно) и самым низким для телят и свиней (61,6 и 61,8% соответственно). Среднее значение всех парных различий резистомов составило 66,9%. 10 основных факторов, определяющих AMR в каждом попарном различии коллектора, указаны в дополнительной таблице 4. Эти десять детерминант AMR всегда в совокупности вносили более 50% (среднее значение = 62%, стандартное отклонение = 6%) в общее несходство между двумя коллекторами, и мы это сделали. не наблюдать взаимосвязи между средним процентом попарного несходства коллектора и общим количеством определяющих факторов, влияющих на него (дополнительный рисунок 3).

Девятнадцать уникальных детерминант УПП были выявлены среди главных факторов во всех однозначных сравнениях резервуаров (рис. 5). Для каждого случая появления одного из этих уникальных детерминант при попарном сравнении мы исследовали, в каком водоеме его средняя численность была самой высокой. На рисунке 5 показано, в каких сравнениях детерминанты рассматривались как основные факторы, а для каких водоемов они были определены с наибольшей относительной численностью. Некоторые из основных вкладчиков были идентифицированы как сигнатуры резистома, исключая один резервуар.К ним относятся гены (и их 90% гомологичные) aph (3 ‘) — II , aph (3′) — IIIa и sul2 в качестве маркеров резистомов телят, tet (A) , tet. (L) и tet (S / M) как маркеры резистомов индейки, ant (6) -Ia как маркер резистомов свиней, lnu (A) как маркер резистомов бройлеров и cfxA6 как маркер резистомов человека. Кроме того, erm (F) , mef (A) , tet (40) и tet (Q) были идентифицированы как сигнатуры резистома в первую очередь у телят телятины и, во-вторых, у свиней по сравнению с другими резервуарами, в то время как blaTEM-126 и erm (B) были сигнатурами в основном для бройлеров или индеек.Детерминанта cfxA2 была идентифицирована как маркер резистомов телят в первую очередь, а во вторую — резистомов человека. На рис. 6 показан вклад каждого класса AMR в среднее различие между каждыми двумя коллекторами с учетом 19 основных определяющих факторов AMR. Классы, которые в основном способствовали различию между резистомами разных резервуаров, в порядке убывания были тетрациклином, макролидом, бета-лактамом, аминогликозидом и сульфонамидом. Все эти классы были представлены среди детерминант AMR с наибольшим вкладом в попарные различия.

Рис. 5. Детерминанты устойчивости к противомикробным препаратам с наибольшим вкладом в парное несходство между резистомами пяти резервуаров. Вклад отдельных детерминант УПП в различие между каждыми двумя резервуарами. Указанные гены являются репрезентативными генами для детерминант УПП, выявленных среди основных факторов, способствующих несходству резервуаров (дополнительную информацию о составе каждой детерминанты УПП см. В дополнительной таблице 1).Цвет точек представляет резервуар, для которого определитель AMR имел более высокую относительную распространенность (количество фрагментов на килобазу эталона и миллион чтений (FPKM)) при попарном сравнении. Горизонтальная ось представляет собой средний пропорциональный вклад детерминанты AMR в общую среднюю несходство между двумя коллекторами. Вертикальная ось показывает два сравниваемых резервуара.

Рис. 6. Распределение внутри класса антимикробных препаратов среднего вклада отдельных детерминант УПП в попарное несходство между резистомами пяти резервуаров.Каждая прямоугольная диаграмма представляет собой распределение вклада в несходство между детерминантами УПП (главными факторами) одного и того же класса противомикробных препаратов. Пять проиллюстрированных классов противомикробных препаратов представляют собой те, которые в целом в основном способствовали несходству между резистомами различных резервуаров. Каждый аспект графика представляет собой сравнение двух резервуаров. На горизонтальной оси показаны значения среднего вклада детерминант AMR в парное несходство.

Анализ несходства, проведенный отдельно для каждой группы людей в отношении свиней и бройлеров (дополнительная таблица 5), показал, что общее несходство между сопротивлением свиней и сопротивлением работников свинофермы было на 8-12% ниже (56%) по сравнению с несходством две другие группы людей (64% и 68.0%). В противоположность этому, было незначительное различие (от 2 до 3%) в несходстве между сопротивлением бройлеров и сопротивлением рабочих бройлерных ферм (87%) по сравнению с несходством между бройлерами и людьми, непосредственно контактирующими со свиньями (84% и 89%). . Дальнейшие различия между резистомами подгрупп внутри каждой рассматриваемой здесь группы рабочих, то есть фермеров, членов их семей и служащих, были ранее описаны в другом месте (Van Gompel et al., 2020). Шестнадцать уникальных детерминант УПП были идентифицированы среди 10 основных вкладчиков во всех парных сравнениях с тремя группами людей (рис. 7).Каждая из этих детерминант была идентифицирована как сигнатура резистома «свинья», «бройлер» или «человек», когда они были идентифицированы как постоянно более распространенные в этих резервуарах. Детерминанты ant (6) -Ia , mef (A) и tet (40) были идентифицированы как сигнатуры «свиньи», blaTEM-126 , lnu (A) и erm (B) как сигнатуры «бройлеров» и cfxA2 , cfxA6 и tet (Q) как сигнатуры «человеческого» резистома. Три детерминанты — lnu (C) , tet (O / W), и tet (W / 32 / O) — всегда были более распространены в резистомах животных, чем в резистомах человека.На рисунке 8 показана иерархическая кластеризация выборок на основе относительной численности этих 16 детерминант. В целом, было четкое разделение между резистомами человека, свиньи и бройлеров в трех отдельных группах. Однако большинство людей из трех групп профессионального воздействия объединяются в один кластер, более близкий к сопротивляемости свиней. Некоторые образцы от человека перекрываются с «кластером свиней», а образцы от человека не совпадают с резистомами бройлеров. Большинство человеческих образцов, совпадающих с «кластером свиней», принадлежат группе работников свиноводческих ферм.

Рис. 7. Детерминанты устойчивости к противомикробным препаратам с наибольшим вкладом в парное несходство между резистомами человека и резистомами свиней и бройлеров. Вклад отдельных детерминант УПП в различие между резистомами человека и свиней и бройлеров. Указанные гены являются репрезентативными генами для детерминант УПП, выявленных среди основных факторов, влияющих на несходство резервуаров, в анализе процентного сходства между свиньями / бройлерами и тремя группами выбранных людей — рабочих на свинофермах, скотобойнях и бройлерных фермах (см. Дополнительную таблицу 1 для получения дополнительной информации о составе каждого детерминанта УПП).Цвет точек представляет резервуар, для которого определитель AMR имел более высокую относительную распространенность (количество фрагментов на килобазу эталона и миллион чтений (FPKM)) при попарном сравнении. Горизонтальная ось представляет средний пропорциональный вклад детерминанты AMR в общую среднюю несходство между сопротивлением двух резервуаров. Вертикальная ось представляет два сравниваемых резервуара («pigSl» = рабочие свиноводческой бойни; «pigFarm» = рабочие свиноводческой фермы; «broFarm» = рабочие бройлерной фермы).

Рис. 8. Расстояние между резистомами трех групп людей и резистомами свиней и бройлеров, основанное на относительной численности AMR, показывает, что главные составляющие попадает в резервуарное парное несходство. Тепловая карта представляет собой вертикальную кластеризацию резистомов (метод агломерации Ward.D2) на основе евклидова расстояния преобразованных по Хеллингеру значений Фрагментов на килобазу эталона и Миллион прочтений (FPKM) указанных детерминант AMR (сгруппированных по горизонтали с помощью корреляции).Эти детерминанты УПП представляют 16 основных вкладчиков парных различий между резервуарами «свинья» и «бройлер» и каждой из трех групп людей, профессионально подвергающихся прямому контакту с животными (работники на «свиноферме», «свино-бойне» или « broiler_farm »).

Чтобы оценить значимость вклада отдельных детерминант УПП в исследуемые здесь попарные различия, необходимы множественные регрессионные исследования, включая количество выбранных детерминант в качестве предикторов коллектора для каждой парной комбинации.Кроме того, значимость выявленных здесь признаков коллектора может быть дополнительно определена с помощью дискриминантного анализа.

Обсуждение

Контролируемые алгоритмы классификации все чаще применяются для отслеживания конкретных микробных загрязнений (Knights et al., 2011b; Henry et al., 2016; McCarthy et al., 2017) или генов устойчивости к противомикробным препаратам (Baral et al., 2018; Li et al., al., 2018; Gupta et al., 2019) в сложных пробах из различных источников выше по течению в контексте загрязнения окружающей среды.Случайные леса часто считались эталонным алгоритмом, по которому сравниваются другие методы, обычно являясь одними из лучших (Knights et al., 2011a, b; Gupta et al., 2019). В этом исследовании мы исследовали использование как плоских, так и иерархических случайных лесов, чтобы отнести источник детерминант УПП к разным резервуарам.

Одной из основных проблем при применении алгоритмов классификации к многомерным данным, таким как метагеномика, является идентификация набора характеристик, которые приводят к идеальному уровню дискриминации для будущих прогнозов (Knights et al., 2011а). Эта проблема усугубляется, когда особенности не являются эндемичными для одного класса (или источника) (Knights et al., 2011b). Случайные леса дает рейтинг важности каждой функции, который может быть критически использован для обоснования выбора функций. В этом исследовании первый шаг выбора характеристик был основан на важности каждого детерминанта УПП в первом иерархическом случайном лесу, который учитывал разделение выборок в соответствии со страной происхождения во время обучения модели. Другие алгоритмы могут иметь преимущество встраивания шага выбора функции и, следовательно, могут быть настроены для определения минимального количества функций, которое гарантирует определенный уровень общей точности (Knights et al., 2011а). Было показано, что сам метод выбора признаков может влиять на точность классификации модели (Gupta et al., 2019). Таким образом, необходимы дальнейшие исследования для оценки эффективности альтернативных алгоритмов и подходов к выбору функций.

Применение иерархической модели с «страной» в качестве одного из уровней иерархии позволило, однако, не только уменьшить количество характеристик на последующих этапах, но и определить специфические для страны и не зависящие от страны детерминанты УПП с положительным воздействием. по классификации резистомов животных по соответствующим резервуарам.Этот шаг был важен для последующего определения и оценки общей модели атрибуции источников, независимо от страны происхождения резервуаров. При оценке эффективности первой иерархической модели случайных лесов мы заметили, что количество детерминант УПП, необходимых для классификации резистома по странам, то есть независимо от страны, увеличивается с большей неоднородностью резервуаров среди выборок. В то время как 35 детерминант УПП могут быть случайно использованы для определения устойчивости к источникам «свинья» или «бройлер» в пяти странах, наш метод выбрал 119 детерминант, чтобы различать резистомы свиней, бройлеров, индеек и телят только в двух странах.Снижение предикторов до наиболее независимых от страны во второй иерархической модели случайных лесов не привело к общему повышению производительности модели. Однако улучшения в классификации наблюдались индивидуально для резистомов, происходящих из стран A, E и I. Для этих стран наблюдалось уменьшение ошибки OOB и / или увеличение процентного соответствия между прогнозируемым и истинным классом страны и повышение точности в прогноз двух классов коллектора.Напротив, точность классификации в целом снизилась для стран G, D и F, что позволяет предположить, что влияние специфических для страны сигнатур резистома на прогноз может быть выше в этих странах. Показатели второго иерархического случайного леса также показали улучшение классификации сопротивлений бройлеров и индеек, в отличие от снижения точности прогнозов резистомов телят и свиней телятины.

Мы построили три плоские модели случайных лесов при различных гипотезах и оценили их различия в эффективности прогнозов.Первая модель, обученная исключительно на резистомах животных, оказалась явно неадекватной для правильного определения источника резистомов человека, что свидетельствует о необходимости учитывать «неизвестный», «другой» или «человеческий» источник при построении атрибуции источника устойчивости к противомикробным препаратам. . Однако прогнозы этой модели соответствовали прогнозам второго случайного леса, поскольку оба они указывают на то, что среди четырех рассматриваемых видов домашнего скота свиньи, по-видимому, имеют состав резистома, наиболее близкий к составу резистома человека.Третья модель, обученная на наблюдениях одной страны и на наборе сигнатур резистомов для конкретной страны, показала небольшое повышение точности во время обучения по сравнению с предыдущей (независимой от страны моделью) и уменьшение доли голосов, приписываемых «свинья» среди образцов, собранных у рабочих бройлерных ферм. Этот результат подтверждает указание на то, что профессиональная подверженность детерминантам УПП была выше среди рабочих, контактировавших со свиньями, чем рабочих бройлерных ферм. Несмотря на это различие между моделями, обе показали, что у рабочих на свинофермах сопротивление чаще приписывается «свиньи», чем у рабочих на бойнях свиней.Кроме того, модель для конкретной страны показала, что выбор соответствующих сигнатур резистома резервуаров, отобранных в этой стране, может быть необходим для улучшения результатов атрибуции и выявления или усиления свидетельств для конкретных каналов передачи. Однако это может быть не всегда верно для каждой страны. Например, общее улучшение прогнозов наблюдалось для стран A, E и I, когда пространство признаков было сокращено до набора независимых от страны сигнатур резистома.Тот факт, что страну F было труднее классифицировать по одному и тому же пространству признаков, может указывать на то, что независимый от страны набор признаков не включал важные сигнатуры резистома для дифференциации источников в этой стране.

Результаты анализа несходства между резервуарами ясно показали, что резистомы человека имеют состав, более близкий к резистомам свиней и телят, чем к резисторам бройлеров и индеек. Удивительно, что резистомы двух видов домашних птиц были менее похожи, чем резистомы свиней и телят.Дальнейшие исследования, в которых изучаются различия в микробиоме и учитываются практики использования противомикробных препаратов в разных резервуарах, могут помочь прояснить расхождения, которые здесь оцениваются. Однако два недавних исследования показали различия в чувствительности к антибиотикам Lactobacillus , выделенных от кур (Dec et al., 2017) и индеек (Dec et al., 2018) в одной и той же стране. В то время как изоляты обоих видов показали высокую распространенность устойчивости к тетрациклину, линкомицину и энрофлоксацину, изоляты от кур показали более высокую распространенность устойчивости к тиамулину.Изоляты, полученные из курицы, также чаще были устойчивы к множественным лекарственным средствам, чем изоляты, полученные из индейки, и хотя ген устойчивости erm (B) был широко распространен в обоих случаях, ген lnu (A) чаще обнаруживался среди полученных из курицы. изолирует.

По крайней мере, 50% несходства резистома между каждыми двумя резервуарами, включенными в наше исследование, можно объяснить набором из 10 детерминант AMR. Среди этих главных факторов несходства мы определили сигнатуры резистома для каждого отдельного резервуара.Эти подписи следует считать в целом независимыми от страны, поскольку анализ был основан на полном наборе из 389 детерминант УПП. Мы также оценили сходство сопротивления каждой группы людей (рабочих на свинофермах, скотобойнях или бройлерных фермах) с сопротивлением бройлеров и свиней. Результаты ясно показали, что общее различие между резистомами свиней и резистомами работников свиноводческих ферм было ниже по сравнению с несходством с двумя другими группами людей, в то время как различие между резистомами бройлеров и резистомами трех групп было одинаковым.Этот результат предполагает передачу детерминант УПП между рабочими и свиньями в пределах фермы. Это также подтверждается кластеризацией образцов на основе относительного количества детерминант УПП с наибольшим вкладом в несходство, поскольку образцы от работников свиноводческих ферм иногда перекрываются с образцами от свиней. Сигнатуры резистома, обнаруженные у свиней и бройлеров в этом исследовании, включали гены устойчивости, ранее также идентифицированные как элементы «основного резистома» этих видов с использованием того же набора образцов (Munk et al., 2018). Детерминанты УПП, идентифицированные здесь как исключительные ( lnu (A) ) или преобладающие ( blaTEM-126 ) маркеры для бройлеров-резервуаров, также были определены как исключающие сопротивление керна этого резервуара в этом исследовании. В другом исследовании детерминанта lnu (A) также была одним из наиболее распространенных (39%) генов AMR, идентифицированных в Lactobacillus , выделенном от кур (Dec et al., 2017). Гены здесь идентифицированы как исключительные ( ant (6) -Ia ) или преобладающие ( erm (F) , mef (A) , tet (40) , tet (Q) ) маркеры резистомов свиней. , были ранее идентифицированы как часть сердцевинных сопротивлений как бройлеров, так и свиней.Это различие между исследованиями исключительной связи детерминант УПП с резистомом одного резервуара может быть связано с тем, что наше исследование дополнительно включало сравнение с резистомами индеек и телят.

Та же самая резистентность свиней и бройлеров недавно была оценена на предмет связи с использованием противомикробных препаратов в течение всей жизни на уровне фермы. Ван Гомпель и др. (2019) обнаружили значительную положительную связь между использованием противомикробных препаратов линкозамида / макролида, тетрациклина или макролидов на свинофермах и относительной численностью кластеров erm (F) , tet (40) или mef (A) , соответственно.Здесь мы идентифицировали эти три детерминанты AMR как маркеры резистома преимущественно у свиней. Luiken et al. (2019) обнаружили положительную значимую связь между групповым лечением противомикробными препаратами макролид / линкозамид / стрептограмин или бета-лактам на бройлерных фермах и относительной численностью кластеров erm (B) или blaTEM соответственно. Мы определили обе детерминанты УПП как маркеры резистома преимущественно у бройлеров. Интерпретация наших результатов в контексте этих ассоциативных исследований предполагает, что продолжающееся и повсеместное использование определенных противомикробных препаратов в конкретных производственных условиях в конечном итоге приведет к определению состава резистома не только в пределах отдельных хозяйств или отдельных стран, но и в конечном итоге на определенных предприятиях. уровень резервуара и может в конечном итоге повлиять на динамику передачи устойчивости к противомикробным препаратам от сельскохозяйственных животных к человеку.

Две антимикробные детерминанты, cfxA2 и cfxA6 , которые мы идентифицировали здесь как маркеры резистома людей, включенных в исследование, были идентифицированы у продуцирующих β-лактамазу оральных анаэробных бактерий, таких как Prevotella spp. и Bacteroides spp. (Бинта и Патель, 2016).

В соответствии с нашими выводами, исследование, в котором анализировались те же профессиональные популяции людей (Van Gompel et al., 2020), ранее продемонстрировало более высокое содержание генов AMR у рабочих, контактировавших со свиньями, по сравнению с рабочими, контактировавшими с бройлерами, и контрольными субъектами из той же страны (люди без профессиональный контакт).Это исследование также выявило значительные различия в составе резистомов между профессиональными группами и внутри них. Было обнаружено, что количество рабочих часов на ферме и работа на свиноводческой ферме (по сравнению с работой на бройлерной ферме) связаны с присутствием определенных количеств генов AMR в стуле человека, что также предполагает потенциальное приобретение резистома в животноводстве. люди. Кроме того, сопротивляемость свиней, подвергшихся воздействию, рабочих была сравнена в дифференциальном анализе численности с таковыми у контрольных субъектов.Последний выявил существенно различающиеся содержания в фекалиях 30 генов AMR, включая повышенное содержание mef (A) , tet (Q) , erm (F) и tet (40) , которые здесь были идентифицированы как происходит преимущественно от свиней.

В этом исследовании мы показали, что можно использовать данные метагеномики для объяснения возникновения устойчивости фекальных антимикробных препаратов у людей к различным резервуарам домашнего скота. Мы использовали алгоритмы случайных лесов и анализ несходства (SIMPER) для выявления специфичных для страны и пласта маркеров резистома, которые можно использовать для разработки целевых исследований атрибуции источников.Потребность в моделях для конкретных стран необходимо оценивать в каждом конкретном случае, поскольку страны могут иметь различную неоднородность между сопротивлением резервуаров. В одной из стран результаты показали связь между профессиональным воздействием свиней и присутствием в стуле человека детерминант устойчивости к противомикробным препаратам, в основном связанных со свиньями. Это открытие следует интерпретировать с осторожностью, поскольку ожидается, что на резистом кишечника в некоторой степени будет влиять состав микробиома кишечника, а среди резервуаров, включенных в исследование, свиньи могут иметь микробиоту кишечника, наиболее близкую к человеку.Необходимы дальнейшие исследования с учетом взаимосвязи между микробиомом и резистомом у разных видов и оценки сходства микробиома между людьми и животными-резервуарами.

Кроме того, необходимо продолжить рассмотрение некоторых ограничений настоящего исследования, включая расширение выборки резистомов человека более чем в одной стране и на общую популяцию людей (непрофессионально подверженных воздействию домашнего скота), а также сбор образцов резистомов все виды домашнего скота, учитываемые для каждой страны в анализе.Кроме того, количество образцов, собранных для каждой популяции (например, резервуара) и подгруппы в популяции (например, различных подгрупп людей), должно быть сбалансировано.

Несмотря на необходимость будущих улучшений, это исследование закладывает основу для внедрения метагеномики в атрибуцию источников в пищевой цепи и, таким образом, для альтернативного подхода, основанного на резистомах, для оценки передачи устойчивости к противомикробным препаратам.

Члены Консорциума усилий

Члены консорциума EFFORT: H.Graveland (2), D.J.J. Хедерик (2), L.A.M. Смит (2), Х. Шмитт (2), R.E.C. Луйкен (2), Д. Мевиус (2,4), А. ван Эссен (4), Д. Чеккарелли (4), А. Хесп (4), Дж. Ван дер Гут (4), Б. Гонсалес-Цорн (6), Г. Мояно (6), П. Сандерс (7), К. Шовен (7), Дж. Дэвид (7), А. Баттисти (8), А. Каприоли (8), Т. Блаха (9), К. Вадепол ( 9), М. Брандт (9), П. Мунк (1), Д. Васил (10), М. Скаржиньска (10), М. Заяч (10), Х. Даскалов (11), HW Сааткамп (12), К. Штэрк (13), П. Йостен (14), С. Сарразин (14), Дж. Девульф (14).

(6) Мадридский университет Комплутенсе, Мадрид, Испания; (7) Французское агентство по пищевым продуктам, окружающей среде, гигиене труда и безопасности, Фужер, Франция; (8) Istituto Zooprofilattico Sperimentale del Lazio e della Toscana, Рим, Италия; (9) Университет ветеринарной медицины Ганновера, Бакум, Германия; (10) Национальный институт ветеринарных исследований, Пулавы, Польша; (11) Национальный диагностический исследовательский ветеринарный институт, София, Болгария; (12) Университет и исследования Вагенингена, Вагенинген, Нидерланды; (13) SAFOSO AG, Либефельд, Швейцария; (14) Гентский университет, Мерелбеке, Бельгия.

Заявление о доступности данных

Наборы данных, представленные в этом исследовании, можно найти в онлайн-репозиториях. Названия репозитория / репозиториев и номера доступа можно найти ниже: https://www.ebi.ac.uk/ena, PRJEB22062, https://www.ebi.ac.uk/ena, PRJEB39685, и https://ega-archive.org/studies, ID EGAS00001003944.

Заявление об этике

Исследования с участием людей были рассмотрены и одобрены Медицинским этическим комитетом Университетского медицинского центра Утрехта (Нидерланды), который подтвердил, что голландский «Закон о медицинских исследованиях с участием людей в качестве субъектов» не применяется для исследования человеческих популяций EFFORT (Протоколы 14 –346 / C, 14–403 / C) Пациенты / участники предоставили письменное информированное согласие на участие в этом исследовании.

Взносы авторов

AD: концептуализация, методология, формальный анализ, исследование, визуализация, администрирование проекта и написание первоначального проекта. TR, LV и AB: ресурсы, курирование данных и написание — просмотр и редактирование. TP, RH и IH: ресурсы и написание — обзор и редактирование. FA: авторский надзор — просмотр и редактирование. JW: привлечение финансирования, администрирование проекта и написание — просмотр и редактирование. TH: концептуализация, надзор, администрирование проекта и написание — рецензирование и редактирование.Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Финансирование

Эта работа была частью проекта «Экология от фермы к источнику устойчивости и передачи микробных лекарств» (EFFORT), финансируемого Европейской комиссией, 7-я рамочная программа исследований и инноваций (FP7-KBBE-2013–7, соглашение о гранте: 613754) .

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарны всем фермерам и ветеринарам, принявшим участие в исследовании EFFORT, а также всем тем, кто участвовал в отборе и обработке проб. Мы также благодарны за всю лабораторную помощь в секвенировании образцов в Институте наук по оценке рисков Утрехтского университета (IRAS, UU) и в Техническом университете Дании (DTU).

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https: // www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2020.601407/full#supplementary-material

Сноски

Список литературы

Барал Д., Дворжак Б. И., Адмираал Д., Цзя С., Чжан К. и Ли X. (2018). Отслеживание источников генов устойчивости к антибиотикам в городском потоке во время влажной погоды с использованием метагеномного анализа дробовика. Environ. Sci. Technol. 52, 9033–9044. DOI: 10.1021 / acs.est.8b01219

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бинта, Б., и Патель, М. (2016). Обнаружение генов cfxA2, cfxA3 и cfxA6 в оральных анаэробах, продуцирующих бета-лактамазу. J. Appl. Oral Sci. 24, 142–147. DOI: 10.1590 / 1678-775720150469

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ченг, Л., Коннор, Т. Р., Сирен, Дж., Ааненсен, Д. М., и Корандер, Дж. (2013). Иерархическая и пространственно явная кластеризация последовательностей ДНК с помощью программного обеспечения BAPS. Мол. Биол. Evol. 30, 1224–1228. DOI: 10.1093 / molbev / mst028

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кларк, К.Р. (1993). Непараметрический многомерный анализ изменений в структуре сообщества. Aust. J. Ecol. 18, 117–143. DOI: 10.1111 / j.1442-9993.1993.tb00438.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коэн Дж. (1960). Коэффициент согласования номинальных шкал. Educ. Psychol. Измер. 20, 37–46. DOI: 10.1177 / 001316446002000104

CrossRef Полный текст | Google Scholar

де Кнегт, Л. В., Пирес, С. М., Лёфстрём, К., Соренсен, Г., Педерсен, К., Torpdahl, M., et al. (2016). Применение молекулярного типирования приводит к моделям атрибуции источника: случай тандемного анализа множественных локусов переменных чисел (MLVA) изолятов Salmonella , полученных в результате комплексного надзора в Дании. Анализ рисков. 36, 571–588. DOI: 10.1111 / risa.12483

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Декабрь, М., Новачек, А., Степень-Пышняк, Д., Вавжиковски, Дж., И Урбан-Хмиэль, Р. (2018). Идентификация и чувствительность к антибиотикам лактобацилл, выделенных из индеек. BMC Microbiol. 18: 168. DOI: 10.1186 / s12866-018-1269-6

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Декабрь, М., Урбан-Хмиэль, Р., Степень-Пышняк, Д., и Верницки, А. (2017). Оценка чувствительности к антибиотикам у изолятов Lactobacillus от кур. Gut Pathog. 19:54. DOI: 10.1186 / s13099-017-0203-z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эверс, Э. Г., Пиелаат, А., Смид, Дж.H., van Duijkeren, E., Vennemann, F. B.C., Wijnands, L.M., et al. (2017). Сравнительная оценка воздействия ESBL-продуцента Escherichia coli через потребление мяса. PLoS One 12: e0169589. DOI: 10.1371 / journal.pone.0169589

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фу, Л., Ню, Б., Чжу, З., Ву, С., и Ли, В. (2012). CD-HIT: ускорен для кластеризации данных секвенирования следующего поколения. Биоинформатика 28, 3150–3152.DOI: 10.1093 / биоинформатика / bts.565

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гавиш Ю., О’Коннелл Дж., Марш К. Дж., Тарантино К., Блонда П., Томаселли В. и др. (2018). Сравнение эффективности плоских и иерархических моделей классификации местообитаний / растительного покрова на сайте NATURA 2000. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens. 136, 1–12. DOI: 10.1016 / j.isprsjprs.2017.12.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гупта, С., Аранго-Арготы, Г., Zhang, L., Pruden, A., and Vikesland, P. (2019). Идентификация дискриминационных генов устойчивости к антибиотикам среди резистомов окружающей среды с использованием чрезвычайно рандомизированного древовидного алгоритма. Микробиом 7: 123. DOI: 10.1186 / s40168-019-0735-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Халд, Т., Ло Фо Вонг, Д. М. А., Ареструп, Ф. М. (2007). Отнесение инфекций человека с устойчивыми к противомикробным препаратам бактериями Salmonella в Дании к источникам животного происхождения. Пищевой патоген. Дис. 4, 313–326. DOI: 10.1089 / fpd.2007.0002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hald, T., Vose, D., Wegener, H.C., and Koupeev, T. (2004). Байесовский подход к количественной оценке вклада источников пищи животного происхождения в сальмонеллез человека. Анализ рисков. 24, 255–269. DOI: 10.1111 / j.0272-4332.2004.00427.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Генри, Р., Шанг, К., Куттс, С., Колотело, П., Проссер, Т., Кросби, Н. и др. (2016). В глубину: оценка источника для оценки фекального загрязнения прибрежных вод. Water Res. 93, 242–253. DOI: 10.1016 / j.watres.2016.02.029

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хо, Т. К. (1995). «Леса случайных решений», в Трудах 3-й Международной конференции по анализу и распознаванию документов , 14–16 августа 1995 г., Монреаль, Квебек, 278–282.

Google Scholar

Knights, D., Kuczynski, J., Charlson, E. S., Zaneveld, J., Mozer, M.C., Collman, R.G., et al. (2011b). Байесовское отслеживание микробных источников в масштабах всего сообщества, не зависящее от культуры. Nat. Методы 8, 761–763. DOI: 10.1038 / Nmeth.1650

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кун, М., Винг, Дж., Уэстон, С., Уильямс, А., Кифер, К., Энгельхардт, А. и др. (2019). каретка: обучение классификации и регрессии.Версия пакета R 6.0-84. Доступно онлайн по адресу: https://CRAN.R-project.org/package=caret (по состоянию на 4 марта 2019 г.).

Google Scholar

Лиз, Дж. А., Харрис, С. Р., Тонкин-Хилл, Г., Гладстон, Р. А., Ло, С. В., Вейзер, Дж. Н. и др. (2019). Быстрая и гибкая бактериальная геномная эпидемиология с PopPUNK. Genome Res. 29, 304–316. DOI: 10.1101 / gr.241455.118

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Л., Инь, X., и Чжан, Т.(2018). Отслеживание загрязнения генов устойчивости к антибиотикам из разных источников с помощью классификации машинного обучения. Микробиом 6:93. DOI: 10.1186 / s40168-018-0480-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли В., Годзик А. (2006). Cd-hit: быстрая программа для кластеризации и сравнения больших наборов белковых или нуклеотидных последовательностей. Биоинформатика 22, 1658–1659. DOI: 10.1093 / биоинформатика / btl158

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луйкен, Р.E. C., Van Gompel, L., Munk, P., Sarrazin, S., Joosten, P., Dorado-García, A., et al. (2019). Связь между применением противомикробных препаратов и фекальной резистентностью на бройлерных фермах девяти европейских стран. J. Antimicrob. Chemother. 74, 2596–2604. DOI: 10.1093 / jac / dkz235

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маккарти Д. Т., Йованович Д., Линтерн А., Тикл И., Барнс М., Делетич А. и др. (2017). Отслеживание источников с использованием отпечатков пальцев микробного сообщества: сравнение метода с гидродинамическим моделированием. Water Res. 109, 253–265. DOI: 10.1016 / j.watres.2016.11.043

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мугини-Гра, Л., и ван Пелт, В. (2014). Атрибуция источника сальмонеллы на основе микробного подтипа: имеет ли значение включение данных о потреблении пищи? Внутр. J. Food Microbiol. 191, 109–115. DOI: 10.1016 / j.ijfoodmicro.2014.09.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мугини-Гра, Л., Дорадо-Гарсия, А., ван Дуйкерен, Э., ван ден Бунт, Г., Дириккс, К. М., Бонтен, М. Дж. М., (2019). Приписываемые источники внебольничного носительства Escherichia coli , содержащих гены устойчивости к β-лактамным антибиотикам: исследование на основе популяционного моделирования. Lancet Planet. Здоровье 3, e357 – e369. DOI: 10.1016 / S2542-5196 (19) 30130-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mughini-Gras, L., Franz, E., and van Pelt, W. (2018). Новые парадигмы для атрибуции источника Salmonella на основе микробного подтипа. Food Microbiol. 71, 60–67. DOI: 10.1016 / j.fm.2017.03.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мунк, Н., Ньяге, П. М. К., Ликичароенфон, П., Литруп, Э. и Халд, Т. (2020). Применение полногеномных последовательностей и машинного обучения для определения источника Salmonella typhimurium. Анализ рисков. 40, 1693–1705. DOI: 10.1111 / risa.13510

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мунк, П., Кнудсен, Б.E., Lukjancenko, O., Duarte, A. S. R., Van Gompel, L., Luiken, R. E. C., et al. (2018). Обилие и разнообразие фекального резистома у убойных свиней и бройлеров в девяти европейских странах. Nat. Microbiol. 3, 898–908. DOI: 10.1038 / s41564-018-0192-9

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Оксанен, Дж., Бланше, Ф. Г., Френдли, М., Киндт, Р., Лежандр, П., МакГлинн, Д. и др. (2019). веган: Пакет «Экология сообщества». Версия пакета R 2.5-5. Доступно в Интернете по адресу: https://CRAN.R-project.org/package=vegan (по состоянию на 2 сентября 2019 г.).

Google Scholar

Петерсен, Т. Н., Лукьянченко, О., Томсен, М. К. Ф., Сперотто, М. М., Лунд, О., Ареструп, Ф. М. и др. (2017). MGmapper: картографирование и аннотация таксономии метагеномических последовательностей на основе ссылок. PLoS One 12: e0176469. DOI: 10.1371 / journal.pone.0176469

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пирес, С.М., Дуарте, А.С.Р., и Халд, Т. (2018). Определение источника и оценка риска устойчивости к противомикробным препаратам. Microbiol. Спектр. 6: ARBA-0027-2017. DOI: 10.1128 / microbiolspec.ARBA-0027-2017

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пирес, С. М., Виейра, А. Р., Халд, Т., и Коул, Д. (2014). Источники сальмонеллеза человека: обзор методов и оценок. Пищевой патоген. Дис. 11, 667–676. DOI: 10.1089 / fpd.2014.1744

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

R Основная команда (2019). R: язык и среда для статистических вычислений. Вена: Фонд R для статистических вычислений.

Google Scholar

Радж А., Стивенс М. и Притчард Дж. К. (2014). fastSTRUCTURE: вариационный вывод структуры населения в больших наборах данных SNP. Генетика 197, 573–589. DOI: 10.1534 / genetics.114.164350

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тэпо, А., Rose, V., Quesne, S., Poezevara, T., Béven, V., Hirchaud, E., et al. (2018). Жвачные животные и курица: важные источники кампилобактериоза во Франции, несмотря на различную атрибуцию источников в 2009 и 2015 годах. Sci. Отчет 8: 9305. DOI: 10.1038 / s41598-018-27558-z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тонкин-Хилл, Г., Лиз, Дж. А., Бентли, С. Д., Фрост, С. Д. У., и Корандер, Дж. (2019). Быстрый иерархический байесовский анализ структуры населения. Nucleic Acids Res. 47, 5539–5549. DOI: 10.1093 / nar / gkz361

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Van Gompel, L., Luiken, R. E. C., Hansen, R. B., Munk, P., Bouwknegt, M., Heres, L., et al. (2020). Описание и детерминанты фекального резистома и микробиома фермеров и рабочих скотобойни: кросс-секционное исследование в масштабе всего метагенома. Environ. Int. 143: 105939. DOI: 10.1016 / j.envint.2020.105939

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Гомпель, Л., Luiken, R. E. C., Sarrazin, S., Munk, P., Knudsen, B. E., Hansen, R. B., et al. (2019). Устойчивость к противомикробным препаратам в связи с использованием противомикробных препаратов и биобезопасностью в свиноводстве, исследование ассоциации метагенома в девяти европейских странах. J. Antimicrob. Chemother. 74, 865–876. DOI: 10.1093 / jac / dky518

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уорд, Дж. Х. младший (1963). Иерархическая группировка для оптимизации целевой функции. J. Am.Стат. Доц. 58, 236–244. DOI: 10.1080 / 01621459.1963.10500845

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Занкари, Э., Хасман, Х., Косентино, С., Вестергаард, М., Расмуссен, С., Лунд, О., и др. (2012). Выявление приобретенных генов устойчивости к противомикробным препаратам. J. Antimicrob. Chemother. 67, 2640–2644. DOI: 10.1093 / jac / dks261

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан, С., Ли, С., Гу, В., ден Баккер, Х., Боксруд, Д., Тейлор А. и др. (2019). Атрибуция зоонозного источника Salmonella enterica серотипа typhimurium с использованием данных геномного надзора, США. Emerg. Заразить. Дис. 25, 82–91. DOI: 10.3201 / eid2501.180835

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

.
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *