Eine elektrische Stromquelle ist ein Gerät, das in einem geschlossenen Stromkreis elektrischen Strom erzeugt. Bis heute sind viele Arten von Quellen erfunden worden. Jeder Typ wird für einen bestimmten Zweck verwendet.
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Arten von elektrischen Stromquellen
Es gibt die folgenden Arten von elektrischen Stromquellen:
- mechanisch;
- Thermik;
- Licht;
- Chemie.
Mechanische Quellen
Diese Quellen wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um. Die Umwandlung findet in speziellen Geräten - Generatoren - statt. Die wichtigsten Generatoren sind Turbogeneratoren, bei denen die elektrische Maschine durch einen Gas- oder Dampfstrom angetrieben wird, und Hydrogeneratoren, die die Energie des fallenden Wassers in Strom umwandeln. Der größte Teil des Stroms auf der Erde wird durch mechanische Umformer erzeugt.
Thermische Quellen
Hier wird Wärmeenergie in Strom umgewandelt. Der elektrische Strom wird durch den Temperaturunterschied zwischen zwei Paaren von sich berührenden Metallen oder Halbleitern - Thermoelementen - erzeugt. In diesem Fall werden geladene Teilchen vom beheizten Teil zum kalten Teil transportiert. Die Größe des Stroms hängt direkt von der Temperaturdifferenz ab: je größer die Differenz, desto größer der elektrische Strom. Thermoelemente auf Halbleiterbasis liefern eine 1000-mal höhere Wärmeleistung als Bimetall-Thermoelemente, so dass sie als Stromquellen verwendet werden können. Metallische Thermoelemente werden nur zur Temperaturmessung verwendet.
TIPP! Um ein Thermoelement herzustellen, müssen 2 verschiedene Metalle miteinander verbunden werden.
Derzeit werden neue Elemente entwickelt, die auf der Umwandlung von Wärme basieren, die durch den natürlichen Zerfall radioaktiver Isotope entsteht. Solche Elemente werden als radioisotopische thermoelektrische Generatoren bezeichnet. Ein bewährter Generator in Raumfahrzeugen verwendet das Isotop Plutonium-238. Er liefert eine Leistung von 470 W bei einer Spannung von 30 V. Da die Halbwertszeit dieses Isotops 87,7 Jahre beträgt, ist die Lebensdauer des Generators sehr lang. Ein Bimetall-Thermoelement dient als Wärme-Strom-Wandler.
Lichtquellen
Mit der Entwicklung der Halbleiterphysik im späten zwanzigsten Jahrhundert entstanden neue Stromquellen - Solarzellen, in denen Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Sie machen sich die Eigenschaft von Halbleitern zunutze, bei Lichteinfall Spannung zu erzeugen. Vor allem Silizium-Halbleiter haben diesen Effekt. Der Wirkungsgrad solcher Zellen liegt jedoch nicht über 15 %. Solarzellen sind aus der Raumfahrtindustrie nicht mehr wegzudenken und haben auch im Alltag Einzug gehalten. Der Preis für solche Stromquellen sinkt ständig, ist aber immer noch recht hoch: etwa 100 Rubel pro 1 Watt Leistung.
Chemische Stromversorgungen
Alle chemischen Energiequellen lassen sich in drei Gruppen einteilen:
- Galvanisch
- Batterien
- Thermische
Galvanische Zellen funktionieren auf der Grundlage der Wechselwirkung zwischen zwei verschiedenen Metallen, die sich in einem Elektrolyten befinden. Bei den Metall- und Elektrolytpaaren kann es sich um verschiedene chemische Elemente und deren Verbindungen handeln. Davon hängen die Art und die Eigenschaften des Elements ab.
WICHTIG! Galvanische Zellen werden nur einmal verwendet, d. h. einmal entladen, können sie nicht wiederhergestellt werden.
Es gibt 3 Arten von galvanischen Zellen (oder Batterien):
- Kochsalzlösung;
- Alkalisch;
- Lithium.
Bei den Salz- oder Trockenbatterien wird ein pastenartiger Elektrolyt verwendet, der aus einem Metallsalz hergestellt und in einen Zinkbecher gefüllt wird. Die Kathode ist ein Mangangraphitstab, der in der Mitte des Bechers platziert wird. Die billigen Materialien und die einfache Herstellung machten diese Batterien zu den billigsten von allen. Sie sind jedoch den Alkali- und Lithiumbatterien deutlich unterlegen.
Alkalibatterien verwenden eine pastenartige alkalische Lösung aus Kaliumhydroxid als Elektrolyt. Die Zinkanode wurde durch pulverisiertes Zink ersetzt, was die Stromleistung und die Betriebsdauer der Zelle erhöht hat. Diese Zellen halten bis zu 1,5 Mal länger als Salzzellen.
Bei der Lithiumzelle besteht die Anode aus Lithium, einem Alkalimetall, was die Betriebsdauer erheblich verlängert hat. Gleichzeitig ist jedoch der Preis aufgrund der relativ hohen Kosten für Lithium gestiegen. Darüber hinaus können Lithiumbatterien je nach Kathodenmaterial unterschiedliche Spannungen aufweisen. Die Batterien sind mit Spannungen von 1,5 V bis 3,7 V erhältlich.
Batterien sind elektrische Stromquellen, die vielen Lade- und Entladezyklen unterzogen werden können. Die wichtigsten Batterietypen sind:
- Blei-Säure;
- Lithium-Ionen;
- Nickel-Cadmium.
Blei-Säure-Batterien bestehen aus Bleiplatten, die in eine Schwefelsäurelösung getaucht sind. Wenn ein externer Stromkreis geschlossen wird, findet eine chemische Reaktion statt, bei der Blei an der Kathode und der Anode in Bleisulfat umgewandelt wird und Wasser entsteht. Während des Ladevorgangs wird Bleisulfat an der Anode zu Blei und Bleidioxid an der Kathode reduziert.
HINTERGRUND! Eine einzelne Blei-Zink-Batteriezelle erzeugt eine Spannung von 2 V. Durch Reihenschaltung der Zellen kann ein beliebiges Vielfaches der Spannung von 2 erreicht werden. Bei Autobatterien beträgt die Spannung beispielsweise 12 V, da 6 Zellen angeschlossen sind.
Die Lithium-Ionen-Batterie hat ihren Namen von der Tatsache, dass die Träger der Elektrizität im Elektrolyt Lithium-Ionen sind. Die Ionen werden an einer Kathode erzeugt, die aus Lithiumsalz auf einem Substrat aus Aluminiumfolie besteht. Die Anode besteht aus verschiedenen Materialien: Graphit, Kobaltoxide und andere Verbindungen auf einem Substrat aus Kupferfolie.
Die Spannung kann zwischen 3 V und 4,2 V liegen, je nach den verwendeten Komponenten. Aufgrund ihrer geringen Selbstentladung und der hohen Anzahl von Lade- und Entladezyklen sind Lithium-Ionen-Batterien in Haushaltsgeräten sehr beliebt geworden.
WICHTIG! Lithium-Ionen-Batterien sind sehr empfindlich gegenüber Überladung. Verwenden Sie daher zum Aufladen nur die dafür vorgesehenen Ladegeräte, die mit speziellen Schaltkreisen ausgestattet sind, um ein Überladen zu verhindern. Andernfalls kann sich die Batterie zersetzen und in Brand geraten.
Nickel-Cadmium-Batterien haben eine Kathode aus Nickelsalz auf einem Stahlgitter, eine Anode aus Cadmiumsalz auf einem Stahlgitter und der Elektrolyt ist eine Mischung aus Lithiumhydroxid und Kaliumhydroxid. Die Nennspannung einer solchen Batterie beträgt 1,37 V. Die Batterie kann zwischen 100 und 900 Zyklen geladen und entladen werden.
TIPP! Ni-Cd-Batterien können im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien in entladenem Zustand gelagert werden.
Thermochemische Zellen dienen als Reservestromquellen. Sie zeichnen sich durch eine hervorragende Stromdichte aus, haben aber eine kurze Lebensdauer (bis zu 1 Stunde). Sie werden hauptsächlich in der Raketentechnik eingesetzt, wo Zuverlässigkeit und kurze Lebensdauer gefragt sind.
WICHTIG! Thermochemische Quellen können zunächst keinen elektrischen Strom liefern. Sie enthalten Elektrolyt in festem Zustand und müssen auf 500-600°C erhitzt werden, um betriebsbereit zu sein. Diese Erhitzung wird durch eine spezielle pyrotechnische Mischung erreicht, die im richtigen Moment gezündet wird.
Der Unterschied zwischen einer realen und einer idealen Quelle
Eine ideale Quelle muss nach den Gesetzen der Physik einen unendlichen Innenwiderstand haben, damit der elektrische Strom in der Last konstant bleibt. Echte Quellen haben einen endlichen Innenwiderstand, was bedeutet, dass der Strom sowohl von der externen Last als auch vom Innenwiderstand abhängt.
Das ist, kurz gesagt, alles, was die Vielfalt der heute verfügbaren Stromquellen ausmacht. Wie aus der Übersicht ersichtlich ist, gibt es heute eine beeindruckende Anzahl von Quellen mit Eigenschaften, die für jede Anwendung geeignet sind.
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