Źródło prądu elektrycznego to urządzenie, za pomocą którego w zamkniętym obwodzie elektrycznym wytwarzany jest prąd elektryczny. Obecnie wynaleziono wiele rodzajów takich źródeł. Każdy typ jest używany do określonych celów.
Zawartość
Rodzaje źródeł prądu elektrycznego
Istnieją następujące rodzaje źródeł prądu elektrycznego:
- mechaniczny;
- termiczny;
- światło;
- chemiczny.
Źródła mechaniczne
Źródła te przekształcają energię mechaniczną w energię elektryczną. Konwersja odbywa się w specjalnych urządzeniach - generatorach. Głównymi generatorami są turbogeneratory, w których maszyna elektryczna jest napędzana strumieniem gazu lub pary, oraz hydrogeneratory, które przekształcają energię spadającej wody na energię elektryczną. Większość elektryczności na Ziemi jest wytwarzana właśnie przez przetworniki mechaniczne.
Źródła ciepła
Tutaj energia cieplna jest zamieniana na energię elektryczną. Wystąpienie prądu elektrycznego spowodowane jest różnicą temperatur pomiędzy dwiema parami stykających się metali lub półprzewodników - termopar. W tym przypadku naładowane cząstki są przenoszone z obszaru ogrzanego do zimnego. Wielkość prądu zależy bezpośrednio od różnicy temperatur: im większa ta różnica, tym większy prąd elektryczny. Termopary półprzewodnikowe dają moc termoelektryczną 1000 razy większą niż termopary bimetaliczne, dzięki czemu można z nich wytwarzać źródła prądu. Termopary metalowe służą wyłącznie do pomiaru temperatury.
ODNIESIENIE! Aby uzyskać termoparę, musisz połączyć 2 różne metale.
Obecnie opracowano nowe pierwiastki w oparciu o konwersję ciepła uwalnianego podczas naturalnego rozpadu izotopów promieniotwórczych. Takie elementy nazywane są radioizotopowym generatorem termoelektrycznym. W statkach kosmicznych dobrze sprawdził się generator wykorzystujący izotop plutonu-238. Daje moc 470 W przy napięciu 30 V. Ponieważ okres półtrwania tego izotopu wynosi 87,7 lat, żywotność generatora jest bardzo długa. Termopara bimetaliczna służy do konwersji ciepła na energię elektryczną.
źródła światła
Wraz z rozwojem fizyki półprzewodników pod koniec XX wieku pojawiły się nowe źródła prądu - baterie słoneczne, w których energia świetlna zamieniana jest na energię elektryczną. Wykorzystują właściwość półprzewodników do wytwarzania napięcia pod wpływem strumienia światła. Efekt ten jest szczególnie silny w półprzewodnikach krzemowych. Jednak nadal sprawność takich elementów nie przekracza 15%.Panele słoneczne stały się niezbędne w przemyśle kosmicznym i zaczęły być używane w życiu codziennym. Cena takich zasilaczy stale spada, ale pozostaje dość wysoka: około 100 rubli za 1 wat mocy.
Źródła chemiczne
Wszystkie źródła chemiczne można podzielić na 3 grupy:
- Galwaniczny
- Baterie
- Termiczny
Ogniwa galwaniczne działają na zasadzie interakcji dwóch różnych metali umieszczonych w elektrolicie. Różne pierwiastki chemiczne i ich związki mogą służyć jako pary metali i elektrolitu. Od tego zależy rodzaj i właściwości elementu.
WAŻNY! Ogniwa galwaniczne są używane tylko raz, tj. Po rozładowaniu nie można ich przywrócić.
Istnieją 3 rodzaje źródeł galwanicznych (lub baterii):
- Sól;
- Alkaliczny;
- Lit.
Sól lub inaczej „suche” baterie wykorzystują elektrolit podobny do pasty z soli metalu, umieszczony w cynkowym kubku. Katoda to grafitowo-manganowy pręt umieszczony w środku kubka. Tanie materiały i łatwość wykonania takich akumulatorów sprawiły, że są one najtańsze ze wszystkich. Ale pod względem właściwości są znacznie gorsze od alkalicznych i litowych.
W bateriach alkalicznych jako elektrolit stosuje się pastowaty roztwór alkalicznego wodorotlenku potasu. Anoda cynkowa została zastąpiona cynkiem proszkowym, co pozwoliło na zwiększenie wydajności prądowej elementu oraz czasu pracy. Te elementy służą 1,5 razy dłużej niż solne.
W ogniwie litowym anoda jest wykonana z litu, metalu alkalicznego, co znacznie wydłuża czas pracy. Ale jednocześnie cena wzrosła ze względu na stosunkowo wysoki koszt litu. Ponadto bateria litowa może mieć inne napięcie w zależności od materiału katody.Produkują akumulatory o napięciu od 1,5 V do 3,7 V.
Baterie są źródłami prądu elektrycznego, które mogą być poddawane wielu cyklom ładowania i rozładowania. Główne typy baterii to:
- kwas ołowiowy;
- Litowo-jonowa;
- Nikiel-kadm.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe składają się z płyt ołowianych zanurzonych w roztworze kwasu siarkowego. Gdy zewnętrzny obwód elektryczny jest zamknięty, zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której ołów na katodzie i anodzie przekształca się w siarczan ołowiu, a także tworzy się woda. Podczas ładowania siarczan ołowiu na anodzie jest redukowany do ołowiu, a na katodzie do dwutlenku ołowiu.
ODNIESIENIE! Jeden element akumulatora ołowiowo-cynkowego generuje napięcie 2 V. Łącząc elementy szeregowo można uzyskać dowolne napięcie będące wielokrotnością 2. Na przykład w akumulatorach samochodowych napięcie wynosi 12 V, ponieważ. połączone 6 elementów.
Bateria litowo-jonowa wzięła swoją nazwę od tego, że jony litu służą jako nośnik energii elektrycznej w elektrolicie. Jony pochodzą z katody, która jest wykonana z soli litu na podłożu z folii aluminiowej. Anoda wykonana jest z różnych materiałów: grafitu, tlenków kobaltu i innych związków na podłożu z folii miedzianej.
Napięcie w zależności od zastosowanych podzespołów może wynosić od 3 V do 4,2 V. Ze względu na niskie samorozładowanie oraz dużą liczbę cykli ładowania-rozładowania, akumulatory litowo-jonowe stały się bardzo popularne w sprzęcie AGD.
WAŻNY! Akumulatory litowo-jonowe są bardzo wrażliwe na przeładowanie.Dlatego do ich ładowania należy używać przeznaczonych tylko do nich ładowarek, które mają wbudowane specjalne obwody zapobiegające przeładowaniu. W przeciwnym razie bateria może ulec zniszczeniu i zapaleniu.
W akumulatorach niklowo-kadmowych katoda wykonana jest z soli niklowej na siatce stalowej, anoda z soli kadmowej na siatce stalowej, a elektrolitem jest mieszanina wodorotlenku litu i wodorotlenku potasu. Napięcie nominalne takiego akumulatora wynosi 1,37 V. Może wytrzymać od 100 do 900 cykli ładowania-rozładowania.
ODNIESIENIE! Akumulatory niklowo-kadmowe można przechowywać w stanie rozładowanym, w przeciwieństwie do akumulatorów litowo-jonowych.
Termiczne pierwiastki chemiczne służą jako zapasowe źródła zasilania. Dają doskonałe właściwości pod względem gęstości prądu właściwego, ale mają krótką żywotność (do 1 godziny). Stosowane są głównie w technologii rakietowej, gdzie potrzebna jest niezawodność i krótkotrwała eksploatacja.
WAŻNY! Początkowo termiczne źródła chemiczne nie mogą wytwarzać prądu elektrycznego. W nich elektrolit jest zawarty w stanie stałym, a aby doprowadzić akumulator do stanu roboczego, konieczne jest podgrzanie do 500-600 ° C. Takie ogrzewanie odbywa się za pomocą specjalnej mieszanki pirotechnicznej, która zapala się we właściwym czasie.
Różnica między źródłem rzeczywistym a idealnym
Idealne źródło, zgodnie z prawami fizyki, musi mieć nieskończoną rezystancję wewnętrzną, aby zapewnić stały prąd elektryczny w obciążeniu. Rzeczywiste źródła mają skończoną rezystancję wewnętrzną, co oznacza, że prąd zależy zarówno od obciążenia zewnętrznego, jak i rezystancji wewnętrznej.
Oto krótkie podsumowanie różnorodności nowoczesnych źródeł prądu elektrycznego. Jak widać z przeglądu, do tej pory stworzono imponującą liczbę źródeł o charakterystyce odpowiedniej dla każdego zastosowania.
Podobne artykuły:
