Elektrivooluallikas on seade, mis genereerib suletud ahelas elektrivoolu. Tänapäeval on selliseid allikaid leiutatud palju erinevaid. Iga tüüpi kasutatakse konkreetsel eesmärgil.
Sisu .
Elektrivooluallikate tüübid
Elektrivooluallikaid on järgmist tüüpi:
- mehaaniline;
- soojus;
- valgus;
- keemiline.
Mehaanilised allikad
Nendes allikates muundatakse mehaaniline energia elektrienergiaks. Ümberkujundamine viiakse läbi spetsiaalsetes seadmetes - generaatorites. Peamisteks generaatoriteks on turbiingeneraatorid, kus elektrimasinat käitab gaasi- või auruvool, ja hüdrogeneraatorid, mis muudavad langeva vee energia elektriks. Just mehaanilised muundurid toodavad suurema osa Maa elektrist.
Soojusallikad
Siin muundatakse soojusenergia elektriks. Elektrivool tekib temperatuuride erinevusest kahe kokkupuutuva metalli või pooljuhtide paari – termopaaride – vahel. Sel juhul transporditakse laetud osakesed kuumutatud alalt külma. Voolutugevus sõltub otseselt temperatuuride erinevusest: mida suurem erinevus, seda suurem on elektrivool.Pooljuhtidel põhinevad termopaarid annavad 1000 korda suurema soojusvõimsuse kui bimetallist termopaarid, nii et neid saab kasutada vooluallikate valmistamiseks. Metallist termopaare kasutatakse ainult temperatuuri mõõtmiseks.
VIHJE! Termopaari valmistamiseks tuleb omavahel ühendada 2 erinevat metalli.
Nüüd on välja töötatud uued elemendid, mis põhinevad radioaktiivsete isotoopide loomulikul lagunemisel vabaneva soojuse muundamisel. Selliseid elemente nimetatakse radioisotoopide termoelektrilisteks generaatoriteks. Kosmoselaevades on end hästi tõestanud generaator, kus kasutatakse isotoopi plutoonium-238. See annab võimsuseks 470 W pingel 30 V. Kuna selle isotoobi poolestusaeg on 87,7 aastat, on generaatori eluiga väga pikk. Bimetallist termopaar toimib soojuse-elektri muundurina.
Valgusallikad
Seoses pooljuhtide füüsika arenguga kahekümnenda sajandi lõpus tekkisid uued vooluallikad - päikesepatareid, milles valguse energia muundatakse elektrienergiaks. Nad kasutavad pooljuhtide omadust valgusvooga kokkupuutel pinge tekitamiseks. See efekt on eriti tugev räni pooljuhtide puhul. Siiski ei ületa selliste rakkude efektiivsus 15%. Päikesepatareid on muutunud kosmosetööstuses asendamatuks ja neid on hakatud kasutama ka igapäevaelus. Selliste toiteallikate hind langeb pidevalt, kuid jääb üsna kõrgeks: umbes 100 rubla 1 vatti võimsuse kohta.
Keemilised allikad
Kõik keemilised allikad võib jagada kolme rühma:
- Galvaaniline
- Akud
- Soojus
Galvaanilised elemendid töötavad kahe erineva elektrolüüti asetatud metalli koosmõjul. Metalli ja elektrolüüdi paarid võivad olla erinevad keemilised elemendid ja nende ühendid. Sellest sõltub elemendi tüüp ja omadused.
TÄHTIS! Galvaanilisi elemente kasutatakse ainult üks kord, st kui need on tühjaks saanud, ei saa neid taastada.
Galvaanilisi allikaid (või patareisid) on kolme tüüpi:
- soolalahus;
- Leeliseline;
- Liitium.
Soola- või muul viisil "kuivad" akud kasutavad tsinktopsi asetatud mõne metalli soola pastataolist elektrolüüti. Katood on grafiit-mangaani varras tassi keskel. Selliste akude odavad materjalid ja valmistamise lihtsus muutsid need kõige odavamaks. Kuid nende omadused on palju halvemad kui leelis- ja liitiumakudel.
Leelispatareid kasutavad elektrolüüdina leeliselise kaaliumhüdroksiidi pastataolist lahust. Tsinganood asendati pulbrilise tsingiga, mis suurendas elemendi vooluvõimsust ja tööaega. Need rakud kestavad 1,5 korda kauem kui soolarakud.
Liitiumelemendis on anood valmistatud liitiumist, leelismetallist, mis pikendas oluliselt tööaega. Kuid samal ajal on hind tõusnud liitiumi suhteliselt kõrge hinna tõttu. Lisaks võivad liitiumakud sõltuvalt katoodi materjalist olla erineva pingega. Patareid on saadaval pingega 1,5 V kuni 3,7 V.
Patareid – elektrivoolu allikad, mida saab läbi viia mitmel laadimis-tühjenemistsüklil. Peamised akude tüübid on:
- Pliihape;
- liitiumioon;
- Nikkel-kaadmium.
Pliiakud koosnevad väävelhappe lahusesse sukeldatud pliiplaatidest. Kui väline elektriahel on suletud, toimub keemiline reaktsioon, mis muudab plii katoodil ja anoodil pliisulfaadiks ning tekib vesi. Laadimisprotsessi käigus redutseeritakse anoodil olev pliisulfaat pliiks ja katoodil pliidoksiidiks.
ALLIKAS! Üks plii-tsink-aku element toodab pinget 2 V. Ühendades elemendid järjestikku, saad mis tahes pinge kordse 2. Näiteks autoakudes on pinge 12 V, kuna ühendatud on 6 elementi.
Liitiumioonaku on saanud oma nime, kuna elektrolüüdis oleva elektri kandjaks on liitiumioonid. Ioonid tekivad katoodil, mis on valmistatud liitiumisoolast alumiiniumfooliumi substraadil. Anood on valmistatud erinevatest materjalidest: grafiidist, koobaltoksiididest ja muudest vaskfooliumi substraadil olevatest ühenditest.
Sõltuvalt kasutatavatest komponentidest võib pinge olla vahemikus 3 V kuni 4,2 V. Tänu madalale isetühjenemisele ja suurele laadimis-tühjenemistsüklite arvule on liitiumioonakud muutunud kodumasinate seas väga populaarseks.
TÄHTIS! Liitiumioonakud on ülelaadimise suhtes väga tundlikud. Seetõttu tuleb nende laadimiseks kasutada ainult neile mõeldud laadijaid, millel on ülelaadimise vältimiseks spetsiaalsed vooluringid. Vastasel juhul võib see aku hävitada ja süttida.
Nikkel-kaadmiumpatareide puhul on katood valmistatud niklisoolast terasvõrest, anood on valmistatud kaadmiumsoolast terasvõrgul ja elektrolüüdiks on liitiumhüdroksiidi ja kaaliumhüdroksiidi segu. Sellise aku nimipinge on 1,37 V. See talub 100–900 laadimis-tühjenemistsüklit.
VIHJE! Erinevalt liitiumioonakudest saab Ni-Cd akusid hoida tühjana.
Termilised keemilised rakud toimivad varutoiteallikana. Need annavad suurepärased voolutiheduse omadused, kuid neil on lühike kasutusiga (kuni 1 tund). Neid kasutatakse peamiselt raketitehnoloogias, kus on vaja töökindlust ja lühiajalist töötamist.
TÄHTIS! Algselt ei saa termilised keemilised allikad elektrivoolu anda. Need sisaldavad tahkes olekus elektrolüüti ja aku töötamiseks on vaja seda kuumutada temperatuurini 500-600°C. Sellist kuumutamist teeb spetsiaalne pürotehniline segu, mis süüdatakse õigel hetkel.
Erinevus tõelise ja ideaalse allika vahel
Ideaalsel allikal peab füüsikaseaduste kohaselt olema lõpmatu sisetakistus, et tagada koormuse elektrivoolu püsivus. Pärisallikatel on lõplik sisetakistus, mis tähendab, et vool sõltub nii väliskoormusest kui ka sisetakistusest.
Lühidalt öeldes on see kõik tänapäevaste elektrivooluallikate mitmekesisus. Nagu ülevaatest näha, on tänaseks loodud muljetavaldav hulk allikaid, mille omadused sobivad igale rakendusele.
Seotud artiklid:
