Μια πηγή ηλεκτρικού ρεύματος είναι μια συσκευή που παράγει ηλεκτρικό ρεύμα σε κλειστό κύκλωμα. Μέχρι σήμερα έχουν εφευρεθεί πολλά είδη πηγών. Κάθε τύπος χρησιμοποιείται για συγκεκριμένο σκοπό.
Τα περιεχόμενα του .
Τύποι πηγών ηλεκτρικού ρεύματος
Υπάρχουν οι ακόλουθοι τύποι πηγών ηλεκτρικού ρεύματος:
- μηχανικά,
- θερμική,
- φως,
- χημικά.
Μηχανικές πηγές
Αυτές οι πηγές μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Η μετατροπή πραγματοποιείται σε ειδικές συσκευές - γεννήτριες. Οι κύριες γεννήτριες είναι οι στροβιλογεννήτριες, όπου η ηλεκτρική μηχανή κινείται από ρεύμα αερίου ή ατμού, και οι υδρογεννήτριες, οι οποίες μετατρέπουν την ενέργεια του νερού που πέφτει σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι μηχανικοί μετατροπείς είναι αυτοί που παράγουν το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας στη γη.
Θερμικές πηγές
Εδώ μετατρέπεται η θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική. Το ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο ζευγών μετάλλων ή ημιαγωγών που έρχονται σε επαφή - θερμοστοιχεία. Στην περίπτωση αυτή, φορτισμένα σωματίδια μεταφέρονται από το θερμαινόμενο τμήμα στο ψυχρό τμήμα. Το μέγεθος του ρεύματος εξαρτάται άμεσα από τη διαφορά θερμοκρασίας: όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά, τόσο μεγαλύτερο είναι το ηλεκτρικό ρεύμα. Τα θερμοζεύγη που βασίζονται σε ημιαγωγούς δίνουν θερμικά emfs 1000 φορές υψηλότερα από τα διμεταλλικά θερμοζεύγη, οπότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή πηγών ρεύματος. Τα μεταλλικά θερμοστοιχεία χρησιμοποιούνται μόνο για τη μέτρηση της θερμοκρασίας.
TIP! Για να κατασκευαστεί ένα θερμοστοιχείο, πρέπει να ενωθούν 2 διαφορετικά μέταλλα μεταξύ τους.
Επί του παρόντος, νέα στοιχεία έχουν αναπτυχθεί με βάση τη μετατροπή της θερμότητας που παράγεται από τη φυσική διάσπαση των ραδιενεργών ισοτόπων. Τα στοιχεία αυτά ονομάζονται ραδιοϊσοτοπικές θερμοηλεκτρικές γεννήτριες. Μια καλά δοκιμασμένη γεννήτρια σε διαστημόπλοια χρησιμοποιεί το ισότοπο πλουτώνιο-238. Παρέχει ισχύ 470 W σε τάση 30 V. Δεδομένου ότι ο χρόνος ημιζωής αυτού του ισοτόπου είναι 87,7 έτη, η διάρκεια ζωής της γεννήτριας είναι πολύ μεγάλη. Ένα διμεταλλικό θερμοστοιχείο χρησιμεύει ως μετατροπέας θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια.
Πηγές φωτός
Με την ανάπτυξη της φυσικής των ημιαγωγών στα τέλη του εικοστού αιώνα, εμφανίστηκαν νέες πηγές ρεύματος - οι ηλιακές κυψέλες, στις οποίες η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Χρησιμοποιούν την ιδιότητα των ημιαγωγών να παράγουν τάση όταν εκτίθενται στο φως. Ειδικά οι ημιαγωγοί πυριτίου έχουν αυτό το αποτέλεσμα. Ωστόσο, η απόδοση αυτών των κυψελών δεν υπερβαίνει το 15%. Οι ηλιακές κυψέλες έχουν γίνει απαραίτητες στη διαστημική βιομηχανία και έχουν επίσης αρχίσει να χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή. Η τιμή αυτών των πηγών ενέργειας μειώνεται συνεχώς, αλλά παραμένει αρκετά υψηλή: περίπου 100 ρούβλια ανά 1 watt ισχύος.
Χημικά τροφοδοτικά
Όλες οι χημικές πηγές ενέργειας μπορούν να χωριστούν σε τρεις ομάδες:
- Γαλβανικό
- Μπαταρίες
- Θερμική
Οι γαλβανικές κυψέλες λειτουργούν με βάση την αλληλεπίδραση δύο διαφορετικών μετάλλων που τοποθετούνται σε έναν ηλεκτρολύτη. Τα ζεύγη μετάλλου και ηλεκτρολύτη μπορεί να είναι διαφορετικά χημικά στοιχεία και οι ενώσεις τους. Ο τύπος και τα χαρακτηριστικά του κυττάρου εξαρτώνται από αυτό.
ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ! Οι γαλβανικές κυψέλες χρησιμοποιούνται μόνο μία φορά, δηλαδή όταν εκφορτιστούν δεν μπορούν να αναγεννηθούν.
Υπάρχουν 3 τύποι γαλβανικών κυψελών (ή μπαταριών):
- Αλατούχο,
- Αλκαλικό,
- Λίθιο.
Οι αλατούχες ή "ξηρές" μπαταρίες χρησιμοποιούν έναν ηλεκτρολύτη που μοιάζει με πάστα, ο οποίος παρασκευάζεται από ένα άλας κάποιου μετάλλου και ο οποίος τοποθετείται σε ένα κύπελλο ψευδαργύρου. Η κάθοδος είναι μια ράβδος γραφίτη μαγγανίου που τοποθετείται στο κέντρο του ποτηριού ζέσεως. Τα φτηνά υλικά και η ευκολία κατασκευής έκαναν αυτές τις μπαταρίες τις φθηνότερες όλων. Ωστόσο, είναι σαφώς κατώτερες από τις αλκαλικές μπαταρίες και τις μπαταρίες λιθίου.
Οι αλκαλικές μπαταρίες χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη ένα αλκαλικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου που μοιάζει με πάστα. Η άνοδος ψευδαργύρου έχει αντικατασταθεί από ψευδάργυρο σε σκόνη, γεγονός που έχει αυξήσει την έξοδο ρεύματος και το χρόνο λειτουργίας της κυψέλης. Αυτά τα κύτταρα διαρκούν έως και 1,5 φορά περισσότερο από τα κύτταρα αλατιού.
Στην κυψέλη λιθίου η άνοδος είναι κατασκευασμένη από λίθιο, ένα αλκαλικό μέταλλο, γεγονός που έχει αυξήσει σημαντικά το χρόνο λειτουργίας. Ταυτόχρονα όμως η τιμή έχει αυξηθεί λόγω του σχετικά υψηλού κόστους του λιθίου. Επιπλέον, οι μπαταρίες λιθίου μπορούν να έχουν διαφορετικές τάσεις ανάλογα με το υλικό της καθόδου. Διατίθενται μπαταρίες με τάσεις από 1,5 V έως 3,7 V.
Οι μπαταρίες είναι πηγές ηλεκτρικού ρεύματος, οι οποίες μπορούν να υποβληθούν σε πολλούς κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης. Οι κύριοι τύποι μπαταριών είναι:
- Μόλυβδος-οξύ,
- Ιόντων λιθίου,
- Νικέλιο-κάδμιο.
Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος αποτελούνται από πλάκες μολύβδου βυθισμένες σε διάλυμα θειικού οξέος. Όταν κλείνει ένα εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα, λαμβάνει χώρα μια χημική αντίδραση που μετατρέπει τον μόλυβδο σε θειικό μόλυβδο στην κάθοδο και την άνοδο και σχηματίζεται νερό. Κατά τη διαδικασία φόρτισης, ο θειικός μόλυβδος στην άνοδο ανάγεται σε μόλυβδο και διοξείδιο του μολύβδου στην κάθοδο.
ΙΣΤΟΡΙΚΟ! Ένα μόνο στοιχείο μπαταρίας μολύβδου-ψευδαργύρου παράγει τάση 2 V. Συνδέοντας τα στοιχεία σε σειρά, είναι δυνατόν να επιτευχθεί οποιαδήποτε τάση πολλαπλάσια του 2. Για παράδειγμα, στις μπαταρίες αυτοκινήτων, η τάση είναι 12 V, αφού συνδέονται 6 στοιχεία.
Η μπαταρία ιόντων λιθίου πήρε το όνομά της από το γεγονός ότι ο φορέας του ηλεκτρισμού στον ηλεκτρολύτη είναι τα ιόντα λιθίου. Τα ιόντα δημιουργούνται σε μια κάθοδο, η οποία είναι κατασκευασμένη από άλας λιθίου πάνω σε ένα υπόστρωμα από φύλλο αλουμινίου. Η άνοδος είναι κατασκευασμένη από διάφορα υλικά: γραφίτη, οξείδια κοβαλτίου και άλλες ενώσεις σε υπόστρωμα από φύλλο χαλκού.
Η τάση μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 3 V και 4,2 V, ανάλογα με τα χρησιμοποιούμενα εξαρτήματα. Λόγω της χαμηλής αυτοεκφόρτισης και του μεγάλου αριθμού κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν γίνει πολύ δημοφιλείς στις οικιακές συσκευές.
ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ! Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι πολύ ευαίσθητες στην υπερφόρτιση. Επομένως, για τη φόρτιση τους, να χρησιμοποιείτε μόνο φορτιστές που προορίζονται για αυτά, οι οποίοι διαθέτουν ειδικά κυκλώματα ενσωματωμένα για την αποφυγή υπερφόρτισης. Διαφορετικά, η μπαταρία μπορεί να διαλυθεί και να πάρει φωτιά.
Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου έχουν μια κάθοδο από άλας νικελίου σε χαλύβδινο πλέγμα, μια άνοδο από άλας καδμίου σε χαλύβδινο πλέγμα και ο ηλεκτρολύτης είναι ένα μείγμα υδροξειδίου του λιθίου και υδροξειδίου του καλίου. Η ονομαστική τάση μιας τέτοιας μπαταρίας είναι 1,37 V. Η μπαταρία μπορεί να φορτιστεί και να εκφορτιστεί μεταξύ 100 και 900 κύκλων.
TIP! Οι μπαταρίες Ni-Cd μπορούν να αποθηκευτούν σε αποφορτισμένη κατάσταση, σε αντίθεση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Οι θερμικές χημικές κυψέλες χρησιμεύουν ως εφεδρικές πηγές ενέργειας. Παρέχουν εξαιρετικά χαρακτηριστικά πυκνότητας ρεύματος αλλά έχουν μικρό χρόνο ζωής (έως 1 ώρα). Χρησιμοποιούνται κυρίως στην τεχνολογία πυραύλων όπου απαιτείται αξιοπιστία και μικρή διάρκεια ζωής.
ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ! Αρχικά, οι θερμικές χημικές πηγές δεν μπορούν να παρέχουν ηλεκτρικό ρεύμα. Περιέχουν ηλεκτρολύτη σε στερεή κατάσταση και πρέπει να θερμανθούν στους 500-600°C για να είναι λειτουργικοί. Η θέρμανση αυτή επιτυγχάνεται με ένα ειδικό πυροτεχνικό μείγμα που αναφλέγεται την κατάλληλη στιγμή.
Η διαφορά μεταξύ μιας πραγματικής και μιας ιδανικής πηγής
Μια ιδανική πηγή, σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής, πρέπει να έχει άπειρη εσωτερική αντίσταση για να εξασφαλίζει τη σταθερότητα του ηλεκτρικού ρεύματος στο φορτίο. Οι πραγματικές πηγές έχουν πεπερασμένη εσωτερική αντίσταση, πράγμα που σημαίνει ότι το ρεύμα εξαρτάται τόσο από το εξωτερικό φορτίο όσο και από την εσωτερική αντίσταση.
Αυτό, εν ολίγοις, είναι το μόνο που υπάρχει στην ποικιλία των πηγών ρεύματος που είναι διαθέσιμες σήμερα. Όπως φαίνεται από την επισκόπηση, σήμερα έχει δημιουργηθεί ένας εντυπωσιακός αριθμός πηγών με χαρακτηριστικά κατάλληλα για κάθε εφαρμογή.
Σχετικά άρθρα:
