Una fuente de corriente eléctrica es un dispositivo que genera corriente eléctrica en un circuito cerrado. Hasta la fecha se han inventado muchos tipos de fuentes. Cada tipo se utiliza para un propósito específico.
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Tipos de fuentes de corriente eléctrica
Existen los siguientes tipos de fuentes de corriente eléctrica:
- mecánica;
- térmica;
- luz;
- química.
Fuentes mecánicas
Estas fuentes convierten la energía mecánica en energía eléctrica. La conversión tiene lugar en dispositivos especiales: los generadores. Los principales generadores son los turbogeneradores, en los que la máquina eléctrica es impulsada por una corriente de gas o vapor, y los hidrogeneradores, que convierten la energía del agua que cae en electricidad. Son los convertidores mecánicos los que producen la mayor parte de la electricidad en la tierra.
Fuentes térmicas
Aquí se convierte la energía térmica en electricidad. La corriente eléctrica se genera por la diferencia de temperatura entre dos pares de metales o semiconductores en contacto: los termopares. En este caso, las partículas cargadas se transportan desde la sección calentada a la sección fría. La magnitud de la corriente depende directamente de la diferencia de temperatura: cuanto mayor sea la diferencia, mayor será la corriente eléctrica. Los termopares basados en semiconductores dan rendimientos térmicos 1000 veces superiores a los termopares bimetálicos, por lo que pueden utilizarse para hacer fuentes de corriente. Los termopares metálicos sólo se utilizan para medir la temperatura.
¡TIP! Para fabricar un termopar, hay que unir dos metales diferentes.
Actualmente, se han desarrollado nuevos elementos basados en la conversión del calor generado por la desintegración natural de los isótopos radiactivos. Estos elementos se denominan generadores termoeléctricos radioisotópicos. Un generador bien probado en las naves espaciales utiliza el isótopo plutonio-238. Da una potencia de 470 W a una tensión de 30 V. Como la vida media de este isótopo es de 87,7 años, la vida útil del generador es muy larga. Un termopar bimetálico sirve como convertidor de calor a electricidad.
Fuentes de luz
Con el desarrollo de la física de los semiconductores a finales del siglo XX, aparecieron nuevas fuentes de corriente: las células solares, en las que la energía luminosa se convierte en energía eléctrica. Aprovechan la propiedad de los semiconductores de producir tensión cuando se exponen a la luz. Los semiconductores de silicio, en particular, tienen este efecto. Sin embargo, la eficiencia de estas células no supera el 15%. Las células solares se han hecho indispensables en la industria espacial y también han empezado a utilizarse en la vida cotidiana. El precio de estas fuentes de energía disminuye constantemente, pero sigue siendo bastante elevado: unos 100 rublos por 1 vatio de potencia.
Fuentes de alimentación químicas
Todas las fuentes de energía química pueden dividirse en tres grupos:
- Galvánica
- Baterías
- Térmico
Las células galvánicas funcionan en base a la interacción de dos metales diferentes colocados en un electrolito. Los pares de metales y electrolitos pueden ser elementos químicos diferentes y sus compuestos. De ello depende el tipo y las características de la célula.
¡IMPORTANTE! Las células galvánicas sólo se utilizan una vez, es decir, una vez descargadas no pueden regenerarse.
Existen 3 tipos de pilas (o baterías) galvánicas:
- Salina;
- Alcalino;
- El litio.
Las pilas salinas o "secas" utilizan un electrolito pastoso que está hecho de una sal de algún metal y que se coloca en un vaso de zinc. El cátodo es una varilla de grafito de manganeso que se coloca en el centro del vaso. Los materiales baratos y la facilidad de fabricación hicieron que estas baterías fueran las más baratas de todas. Sin embargo, son claramente inferiores a las pilas alcalinas y de litio.
Las pilas alcalinas utilizan una solución alcalina pastosa de hidróxido de potasio como electrolito. El ánodo de zinc se ha sustituido por zinc en polvo, lo que ha aumentado la salida de corriente y el tiempo de funcionamiento de la célula. Estas células duran hasta 1,5 veces más que las de sal.
En la pila de litio el ánodo es de litio, un metal alcalino, lo que ha aumentado considerablemente el tiempo de funcionamiento. Pero al mismo tiempo el precio ha aumentado debido al alto coste relativo del litio. Además, las baterías de litio pueden tener diferentes voltajes en función del material del cátodo. Las baterías están disponibles con voltajes de 1,5 V a 3,7 V.
Las baterías son fuentes de corriente eléctrica que pueden ser sometidas a muchos ciclos de carga y descarga. Los principales tipos de pilas son:
- De plomo;
- De iones de litio;
- Níquel-cadmio.
Las baterías de plomo-ácido están formadas por placas de plomo sumergidas en una solución de ácido sulfúrico. Cuando se cierra un circuito eléctrico externo, se produce una reacción química que convierte el plomo en sulfato de plomo en el cátodo y el ánodo y se forma agua. Durante el proceso de carga, el sulfato de plomo en el ánodo se reduce a plomo y dióxido de plomo en el cátodo.
¡INFO! Una sola célula de batería de plomo-zinc genera una tensión de 2 V. Conectando las celdas en serie, es posible obtener cualquier tensión múltiplo de 2. Por ejemplo, en las baterías de coche, la tensión es de 12 V, ya que se conectan 6 celdas.
La batería de iones de litio recibe su nombre del hecho de que el portador de la electricidad en el electrolito son los iones de litio. Los iones se crean en un cátodo, que está hecho de sal de litio sobre un sustrato de papel de aluminio. El ánodo está hecho de diferentes materiales: grafito, óxidos de cobalto y otros compuestos sobre un sustrato de lámina de cobre.
La tensión puede estar entre 3 V y 4,2 V, según los componentes utilizados. Debido a su baja autodescarga y al elevado número de ciclos de carga y descarga, las baterías de iones de litio se han hecho muy populares en los electrodomésticos.
¡IMPORTANTE! Las baterías de iones de litio son muy sensibles a la sobrecarga. Por lo tanto, para cargarlos, utilice únicamente cargadores destinados a ellos, que llevan incorporados circuitos especiales para evitar la sobrecarga. De lo contrario, la batería podría desintegrarse e incendiarse.
Las baterías de níquel-cadmio tienen un cátodo de sal de níquel sobre una rejilla de acero, un ánodo de sal de cadmio sobre una rejilla de acero y el electrolito es una mezcla de hidróxido de litio e hidróxido de potasio. La tensión nominal de una batería de este tipo es de 1,37 V. La batería puede cargarse y descargarse entre 100 y 900 ciclos.
¡TIP! Las baterías de Ni-Cd pueden almacenarse en estado descargado, a diferencia de las de iones de litio.
Las células termoquímicas sirven como fuentes de energía de reserva. Ofrecen excelentes características de densidad de corriente, pero tienen una corta vida útil (hasta 1 hora). Se utilizan principalmente en la tecnología de cohetes, donde se requiere fiabilidad y una vida útil corta.
¡IMPORTANTE! Inicialmente, las fuentes químicas térmicas no pueden suministrar corriente eléctrica. Contienen electrolito en estado sólido y deben ser calentados a 500-600°C para ser operativos. Este calentamiento se consigue mediante una mezcla pirotécnica especial que se enciende en el momento adecuado.
La diferencia entre una fuente real y una ideal
Una fuente ideal, según las leyes de la física, debe tener una resistencia interna infinita para garantizar la constancia de la corriente eléctrica en la carga. Las fuentes reales tienen una resistencia interna finita, lo que significa que la corriente depende tanto de la carga externa como de la resistencia interna.
En resumen, eso es todo lo que hay en la variedad de fuentes actuales disponibles hoy en día. Como se puede ver en el resumen, hoy en día se ha creado un número impresionante de fuentes con características adecuadas para cualquier aplicación.
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