Źródło prądu elektrycznego to urządzenie, które wytwarza prąd elektryczny w zamkniętym obwodzie. Do tej pory wynaleziono wiele rodzajów źródeł. Każdy typ jest używany w określonym celu.
Zawartość .
Rodzaje źródeł prądu elektrycznego
Istnieją następujące rodzaje źródeł prądu elektrycznego:
- mechaniczne;
- termiczne;
- światło;
- chemikalia.
Źródła mechaniczne
Źródła te przekształcają energię mechaniczną w energię elektryczną. Konwersja odbywa się w specjalnych urządzeniach - generatorach. Główne rodzaje generatorów to turbogeneratory, w których maszyna elektryczna jest napędzana strumieniem gazu lub pary, oraz hydrogeneratory, które przekształcają energię spadającej wody w energię elektryczną. Większość energii elektrycznej na Ziemi wytwarzana jest w przetwornicach mechanicznych.
Źródła ciepła
W tym miejscu energia cieplna jest przekształcana w energię elektryczną. Prąd elektryczny jest generowany przez różnicę temperatur między dwiema parami stykających się metali lub półprzewodników - termopar. W tym przypadku naładowane cząstki są przenoszone z części ogrzewanej do zimnej. Wielkość prądu zależy bezpośrednio od różnicy temperatur: im większa różnica, tym większy prąd elektryczny. Termopary oparte na półprzewodnikach dają emfazę termiczną 1000 razy większą niż termopary bimetalowe, dlatego można je wykorzystać do produkcji źródeł prądu. Termopary metalowe są używane wyłącznie do pomiaru temperatury.
WSKAZÓWKA! Aby wykonać termoelement, należy połączyć ze sobą dwa różne metale.
Obecnie nowe pierwiastki są opracowywane w oparciu o konwersję ciepła powstającego w wyniku naturalnego rozpadu izotopów promieniotwórczych. Takie elementy są nazywane radioizotopowymi generatorami termoelektrycznymi. Dobrze sprawdzony generator w statkach kosmicznych wykorzystuje izotop pluton-238. Daje on moc 470 W przy napięciu 30 V. Ponieważ okres połowicznego rozpadu tego izotopu wynosi 87,7 lat, czas życia generatora jest bardzo długi. Termopara bimetaliczna służy jako przetwornik ciepła na energię elektryczną.
Źródła światła
Wraz z rozwojem fizyki półprzewodników pod koniec XX wieku pojawiły się nowe źródła prądu - ogniwa słoneczne, w których energia świetlna jest zamieniana na energię elektryczną. Wykorzystują one właściwości półprzewodników do wytwarzania napięcia pod wpływem światła. Efekt ten występuje zwłaszcza w przypadku półprzewodników krzemowych. Sprawność takich ogniw nie przekracza jednak 15%. Ogniwa słoneczne stały się nieodzowne w przemyśle kosmicznym, a także zaczęły być wykorzystywane w życiu codziennym. Cena takich źródeł energii stale się obniża, ale nadal jest dość wysoka: około 100 rubli za 1 wat mocy.
Zasilacze chemiczne
Wszystkie chemiczne źródła energii można podzielić na trzy grupy:
- Galwaniczna
- Baterie
- Termiczna
Ogniwa galwaniczne działają w oparciu o wzajemne oddziaływanie dwóch różnych metali umieszczonych w elektrolicie. Pary metal-elektrolit mogą być różnymi pierwiastkami chemicznymi i ich związkami. Od tego zależy typ i właściwości komórki.
WAŻNE! Ogniwa galwaniczne są używane tylko raz, tzn. po rozładowaniu nie można ich odzyskać.
Istnieją trzy rodzaje ogniw (lub baterii) galwanicznych:
- Sól fizjologiczna;
- Alkaliczne;
- Lit.
W bateriach solankowych lub "suchych" stosuje się elektrolit w postaci pasty, wykonany z soli jakiegoś metalu, który umieszcza się w cynkowym kubku. Katodą jest pręt z grafitu manganowego, który umieszcza się w środku zlewki. Tanie materiały i łatwość produkcji sprawiły, że baterie te były najtańsze ze wszystkich. Są one jednak wyraźnie gorsze od baterii alkalicznych i litowych.
Baterie alkaliczne wykorzystują jako elektrolit zasadowy roztwór wodorotlenku potasu o konsystencji pasty. Anoda cynkowa została zastąpiona sproszkowanym cynkiem, co zwiększyło wydajność prądową i wydłużyło czas pracy ogniwa. Żywotność tych ogniw jest do 1,5 raza dłuższa niż ogniw solnych.
W ogniwie litowym anoda jest wykonana z litu, metalu alkalicznego, co znacznie wydłużyło czas pracy. Jednocześnie jednak cena wzrosła ze względu na relatywnie wysoki koszt litu. Ponadto baterie litowe mogą mieć różne napięcia w zależności od materiału, z którego wykonana jest katoda. Dostępne są baterie o napięciu od 1,5 V do 3,7 V.
Baterie to źródła prądu elektrycznego, które mogą być poddawane wielu cyklom ładowania i rozładowania. Główne typy baterii to:
- Akumulator kwasowo-ołowiowy;
- Litowo-jonowe;
- Niklowo-kadmowe.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe składają się z płyt ołowiowych zanurzonych w roztworze kwasu siarkowego. Po zamknięciu zewnętrznego obwodu elektrycznego zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której na katodzie i anodzie ołów przekształca się w siarczan ołowiu, a następnie powstaje woda. Podczas procesu ładowania siarczan ołowiu na anodzie jest redukowany do ołowiu i dwutlenku ołowiu na katodzie.
TŁO! Pojedyncze ogniwo baterii ołowiowo-cynkowej wytwarza napięcie 2 V. Łącząc ogniwa szeregowo, można uzyskać dowolną wielokrotność napięcia 2. Na przykład w akumulatorach samochodowych napięcie wynosi 12 V, ponieważ połączonych jest 6 ogniw.
Nazwa baterii litowo-jonowej pochodzi od tego, że nośnikiem energii elektrycznej w elektrolicie są jony litu. Jony są wytwarzane na katodzie, która jest wykonana z soli litowej na podłożu z folii aluminiowej. Anoda jest wykonana z różnych materiałów: grafitu, tlenków kobaltu i innych związków na podłożu z folii miedzianej.
Napięcie może wynosić od 3 V do 4,2 V, w zależności od użytych komponentów. Ze względu na niski poziom samorozładowania i dużą liczbę cykli ładowania i rozładowania akumulatory litowo-jonowe stały się bardzo popularne w urządzeniach gospodarstwa domowego.
WAŻNE! Akumulatory litowo-jonowe są bardzo wrażliwe na przeładowanie. Dlatego do ich ładowania należy używać wyłącznie przeznaczonych dla nich ładowarek, które mają wbudowane specjalne obwody zapobiegające przeładowaniu. W przeciwnym razie akumulator może się rozpaść i zapalić.
Baterie niklowo-kadmowe mają katodę wykonaną z soli niklu na stalowej kratce, anodę wykonaną z soli kadmu na stalowej kratce, a elektrolit stanowi mieszanina wodorotlenku litu i wodorotlenku potasu. Napięcie znamionowe takiej baterii wynosi 1,37 V. Akumulator może być ładowany i rozładowywany od 100 do 900 cykli.
WSKAZÓWKA! Akumulatory niklowo-kadmowe, w przeciwieństwie do akumulatorów litowo-jonowych, mogą być przechowywane w stanie rozładowanym.
Termiczne ogniwa chemiczne służą jako zapasowe źródła energii. Zapewniają one doskonałą charakterystykę gęstości prądu, ale mają krótki czas życia (do 1 godziny). Są one stosowane głównie w technice rakietowej, gdzie wymagana jest niezawodność i krótki okres eksploatacji.
WAŻNE! Początkowo termiczne źródła chemiczne nie mogą dostarczać prądu elektrycznego. Zawierają one elektrolit w stanie stałym i aby mogły działać, muszą być podgrzane do temperatury 500-600°C. Takie ogrzewanie uzyskuje się dzięki specjalnej mieszance pirotechnicznej, która zostaje zapalona w odpowiednim momencie.
Różnica między źródłem rzeczywistym a idealnym
Idealne źródło, zgodnie z prawami fizyki, musi mieć nieskończony opór wewnętrzny, aby zapewnić stałość prądu elektrycznego w obciążeniu. Źródła rzeczywiste mają skończoną rezystancję wewnętrzną, co oznacza, że prąd zależy zarówno od obciążenia zewnętrznego, jak i od rezystancji wewnętrznej.
Na tym, krótko mówiąc, polega różnorodność dostępnych dziś źródeł prądu. Jak widać z przeglądu, obecnie stworzono imponującą liczbę źródeł o charakterystyce odpowiedniej dla każdego zastosowania.
Powiązane artykuły:
