Zdroj elektrického proudu je zařízení, které generuje elektrický proud v uzavřeném obvodu. Dosud bylo vynalezeno mnoho druhů zdrojů. Každý typ se používá k určitému účelu.
Obsah .
Typy zdrojů elektrického proudu
Existují následující typy zdrojů elektrického proudu:
- mechanické;
- tepelné;
- světlo;
- chemické látky.
Mechanické zdroje
Tyto zdroje přeměňují mechanickou energii na elektrickou. Přeměna probíhá ve speciálních zařízeních - generátorech. Hlavními generátory jsou turbogenerátory, kde je elektrický stroj poháněn proudem plynu nebo páry, a hydrogenerátory, které přeměňují energii padající vody na elektřinu. Většinu elektřiny na Zemi vyrábějí mechanické měniče.
Tepelné zdroje
Zde se tepelná energie přeměňuje na elektřinu. Elektrický proud vzniká na základě rozdílu teplot mezi dvěma dvojicemi dotýkajících se kovů nebo polovodičů - termočlánků. V tomto případě jsou nabité částice přenášeny z vyhřívané části do chladné části. Velikost proudu je přímo závislá na rozdílu teplot: čím větší je rozdíl, tím větší je elektrický proud. Termočlánky na bázi polovodičů poskytují 1000krát větší tepelný výkon než bimetalové termočlánky, takže je lze použít k výrobě zdrojů proudu. Kovové termočlánky se používají pouze k měření teploty.
TIP! K výrobě termočlánku je třeba spojit 2 různé kovy.
V současné době byly vyvinuty nové prvky založené na přeměně tepla vznikajícího přirozeným rozpadem radioaktivních izotopů. Takové prvky se nazývají radioizotopové termoelektrické generátory. Osvědčený generátor v kosmických lodích využívá izotop plutonia 238. Při napětí 30 V poskytuje výkon 470 W. Vzhledem k tomu, že poločas rozpadu tohoto izotopu je 87,7 roku, je životnost generátoru velmi dlouhá. Bimetalový termočlánek slouží jako převodník tepla na elektřinu.
Zdroje světla
S rozvojem fyziky polovodičů na konci dvacátého století se objevily nové zdroje proudu - solární články, v nichž se světelná energie mění na elektrickou. Využívají vlastnosti polovodičů produkovat napětí, když jsou vystaveny světlu. Tento efekt mají zejména křemíkové polovodiče. Účinnost těchto článků však nepřesahuje 15 %. Solární články se staly nepostradatelnými v kosmickém průmyslu a začaly se používat i v běžném životě. Cena těchto zdrojů energie se neustále snižuje, ale zůstává poměrně vysoká: asi 100 rublů za 1 watt energie.
Chemické zdroje energie
Všechny chemické zdroje energie lze rozdělit do tří skupin:
- Galvanické
- Baterie
- Thermal
Galvanické články fungují na základě interakce dvou různých kovů umístěných v elektrolytu. Dvojice kovu a elektrolytu mohou být různé chemické prvky a jejich sloučeniny. Od toho se odvíjí typ a vlastnosti prvku.
DŮLEŽITÉ! Galvanické články se používají pouze jednou, tj. po vybití je nelze obnovit.
Existují 3 typy galvanických článků (nebo baterií):
- Fyziologický roztok;
- Alkalický;
- Lithium.
Solné nebo "suché" baterie používají pastovitý elektrolyt, který se vyrábí ze soli nějakého kovu a který je umístěn v zinkovém kalíšku. Katoda je manganová grafitová tyčinka, která je umístěna uprostřed kádinky. Díky levným materiálům a snadné výrobě byly tyto baterie nejlevnější ze všech. Jsou však jednoznačně horší než alkalické a lithiové baterie.
Alkalické baterie používají jako elektrolyt pastovitý roztok hydroxidu draselného. Zinková anoda byla nahrazena práškovým zinkem, čímž se zvýšil výstupní proud a provozní doba článku. Tyto články vydrží až 1,5krát déle než solné články.
V lithiovém článku je anoda vyrobena z lithia, alkalického kovu, což výrazně prodloužilo dobu provozu. Současně se však zvýšila cena kvůli relativně vysokým nákladům na lithium. Kromě toho mohou mít lithiové baterie různé napětí v závislosti na materiálu katody. K dispozici jsou baterie s napětím od 1,5 V do 3,7 V.
Baterie jsou zdroje elektrického proudu, které mohou být vystaveny mnoha cyklům nabíjení a vybíjení. Hlavní typy baterií jsou:
- Olověný akumulátor;
- Lithium-iontové;
- Nikl-kadmium.
Olověné akumulátory se skládají z olověných desek ponořených do roztoku kyseliny sírové. Po uzavření vnějšího elektrického obvodu dochází k chemické reakci, při níž se olovo na katodě a anodě mění na síran olovnatý a vzniká voda. Během nabíjení se síran olovnatý na anodě redukuje na olovo a oxid olovnatý na katodě.
ZPÁTKY! Jeden článek olověného zinkového akumulátoru vytváří napětí 2 V. Sériovým zapojením článků lze získat libovolný násobek napětí 2. Například u autobaterie je napětí 12 V, protože je zapojeno 6 článků.
Název lithium-iontové baterie je odvozen od skutečnosti, že nosičem elektrické energie v elektrolytu jsou ionty lithia. Ionty se vytvářejí na katodě, která je vyrobena z lithiové soli na podložce z hliníkové fólie. Anoda je vyrobena z různých materiálů: grafitu, oxidů kobaltu a dalších sloučenin na podložce z měděné fólie.
Napětí se může pohybovat mezi 3 V a 4,2 V v závislosti na použitých součástkách. Díky nízkému samovybíjení a vysokému počtu cyklů nabíjení a vybíjení se lithium-iontové baterie staly velmi oblíbenými v domácích spotřebičích.
DŮLEŽITÉ! Lithium-iontové baterie jsou velmi citlivé na přebíjení. Proto k jejich nabíjení používejte pouze nabíječky pro ně určené, které mají zabudované speciální obvody zabraňující přebíjení. V opačném případě by se baterie mohla rozpadnout a vznítit.
Nikl-kadmiové baterie mají katodu z niklové soli na ocelové mřížce, anodu z kadmiové soli na ocelové mřížce a elektrolyt je směs hydroxidu lithného a hydroxidu draselného. Jmenovité napětí takové baterie je 1,37 V. Akumulátor lze nabíjet a vybíjet v rozmezí 100 až 900 cyklů.
TIP! Ni-Cd baterie lze na rozdíl od lithium-iontových baterií skladovat ve vybitém stavu.
Termální chemické články slouží jako záložní zdroje energie. Poskytují vynikající charakteristiky proudové hustoty, ale mají krátkou životnost (do 1 hodiny). Používají se hlavně v raketové technice, kde se vyžaduje spolehlivost a krátká životnost.
DŮLEŽITÉ! Zpočátku nemohou tepelné chemické zdroje dodávat elektrický proud. Obsahují elektrolyt v tuhém stavu a musí se zahřát na 500-600 °C, aby byly funkční. Takového ohřevu se dosáhne speciální pyrotechnickou směsí, která se ve správný okamžik zapálí.
Rozdíl mezi skutečným a ideálním zdrojem
Ideální zdroj musí mít podle fyzikálních zákonů nekonečný vnitřní odpor, aby byla zajištěna stálost elektrického proudu v zátěži. Skutečné zdroje mají konečný vnitřní odpor, což znamená, že proud závisí jak na vnější zátěži, tak na vnitřním odporu.
To je ve zkratce vše, co se týká různých současných zdrojů, které jsou dnes k dispozici. Jak je z přehledu patrné, v současné době vzniklo úctyhodné množství zdrojů s vlastnostmi vhodnými pro jakoukoli aplikaci.
Související články:
