Sähkövirtalähde on laite, joka tuottaa sähkövirtaa suljetussa virtapiirissä. Tähän mennessä on keksitty monenlaisia lähteitä. Kutakin tyyppiä käytetään tiettyyn tarkoitukseen.
Sisältö .
Sähkövirtalähteiden tyypit
Sähkövirtalähteitä on seuraavanlaisia:
- mekaaninen;
- lämpö;
- valoa;
- kemikaali.
Mekaaniset lähteet
Nämä lähteet muuttavat mekaanisen energian sähköenergiaksi. Muuntaminen tapahtuu erityislaitteissa - generaattoreissa. Tärkeimpiä generaattoreita ovat turbogeneraattorit, joissa sähkökone toimii kaasu- tai höyryvirran avulla, ja vesivoimageneraattorit, jotka muuttavat putoavan veden energian sähköksi. Mekaaniset muuntimet tuottavat suurimman osan maapallon sähköstä.
Lämpölähteet
Tällöin lämpöenergia muutetaan sähköksi. Sähkövirta syntyy kahden toisiinsa kosketuksissa olevan metalli- tai puolijohdeparin - termoparin - välisestä lämpötilaerosta. Tällöin varatut hiukkaset siirtyvät lämmitetystä osasta kylmään osaan. Virran suuruus riippuu suoraan lämpötilaerosta: mitä suurempi ero, sitä suurempi sähkövirta. Puolijohteisiin perustuvat lämpöparit antavat 1000 kertaa suuremmat lämpöemf:t kuin bimetallilämpöparit, joten niitä voidaan käyttää virtalähteinä. Metallisia termopareja käytetään ainoastaan lämpötilan mittaamiseen.
VINKKI! Lämpöparin valmistamiseksi on liitettävä yhteen 2 eri metallia.
Tällä hetkellä on kehitetty uusia alkuaineita, jotka perustuvat radioaktiivisten isotooppien luonnollisen hajoamisen tuottaman lämmön muuntamiseen. Tällaisia elementtejä kutsutaan radioisotooppilämpögeneraattoreiksi. Avaruusaluksissa on käytetty hyväksi havaittua generaattoria, jossa käytetään plutonium-238-isotooppia. Sen teho on 470 W 30 V:n jännitteellä. Koska tämän isotoopin puoliintumisaika on 87,7 vuotta, generaattorin käyttöikä on hyvin pitkä. Bimetallinen termopari toimii lämmön muuntimena sähköksi.
Valonlähteet
Puolijohdefysiikan kehittyessä 1900-luvun lopulla ilmestyi uusia virtalähteitä - aurinkokennoja, joissa valoenergia muunnetaan sähköenergiaksi. Ne hyödyntävät puolijohteiden ominaisuutta tuottaa jännitettä, kun ne altistetaan valolle. Erityisesti piipuolijohteilla on tämä vaikutus. Tällaisten kennojen hyötysuhde ei kuitenkaan ylitä 15 prosenttia. Aurinkokennoista on tullut korvaamattomia avaruusteollisuudessa, ja niitä on alettu käyttää myös jokapäiväisessä elämässä. Tällaisten virtalähteiden hinta laskee jatkuvasti, mutta se on edelleen melko korkea: noin 100 ruplaa 1 watin tehoa kohti.
Kemialliset teholähteet
Kaikki kemialliset energialähteet voidaan jakaa kolmeen ryhmään:
- Galvaaninen
- Paristot
- Thermal
Galvaanisten kennojen toiminta perustuu kahden eri metallin vuorovaikutukseen, jotka on sijoitettu elektrolyyttiin. Metalli- ja elektrolyyttiparit voivat olla erilaisia kemiallisia alkuaineita ja niiden yhdisteitä. Solun tyyppi ja ominaisuudet riippuvat tästä.
TÄRKEÄÄ! Galvaanisia kennoja käytetään vain kerran, eli kerran purettuja kennoja ei voida elvyttää.
Galvaanisia kennoja (tai akkuja) on 3 erilaista:
- Suolaliuos;
- Emäksinen;
- Litium.
Suolaliuos- tai "kuivaparistoissa" käytetään tahnamaista elektrolyyttiä, joka on valmistettu jonkin metallin suolasta ja joka on sijoitettu sinkkikuppiin. Katodi on mangaanigrafiittisauva, joka asetetaan dekantterilasin keskelle. Halvat materiaalit ja valmistuksen helppous tekivät näistä akuista kaikista halvimpia. Ne ovat kuitenkin selvästi huonompia kuin alkali- ja litiumparistot.
Alkaliparistoissa käytetään elektrolyyttinä kaliumhydroksidiliuosta, joka muistuttaa tahnaa. Sinkkianodi on korvattu jauhemaisella sinkillä, mikä on lisännyt kennon virrankulutusta ja käyttöaikaa. Nämä kennot kestävät jopa 1,5 kertaa pidempään kuin suolakennot.
Litiumkennossa anodi on valmistettu litiumista, joka on emäksinen metalli, mikä on pidentänyt käyttöaikaa huomattavasti. Samaan aikaan hinta on kuitenkin noussut litiumin suhteellisen korkean hinnan vuoksi. Lisäksi litiumparistojen jännitteet voivat vaihdella katodimateriaalista riippuen. Paristoja on saatavana 1,5 V:n ja 3,7 V:n jännitteillä.
Akut ovat sähkövirtalähteitä, joille voidaan tehdä useita lataus- ja purkaussyklejä. Tärkeimmät paristotyypit ovat:
- Lyijyakut;
- Litium-ioni;
- Nikkeli-kadmium.
Lyijyakut koostuvat rikkihappoliuokseen upotetuista lyijylevyistä. Kun ulkoinen virtapiiri suljetaan, tapahtuu kemiallinen reaktio, jossa lyijy muuttuu lyijysulfaatiksi katodilla ja anodilla ja muodostuu vettä. Latausprosessin aikana lyijysulfaatti anodilla pelkistyy lyijyksi ja lyijydioksidiksi katodilla.
TAUSTAA! Yhden lyijysinkkipariston kenno tuottaa 2 V:n jännitteen. Kytkemällä kennot sarjaan on mahdollista saada mikä tahansa jännite, joka on 2:n monikerta. Esimerkiksi auton akuissa jännite on 12 V, koska niihin on kytketty 6 kennoa.
Litiumioniakku on saanut nimensä siitä, että elektrolyytissä olevan sähkön kantajina ovat litiumionit. Ionit syntyvät katodilla, joka on valmistettu litiumsuolasta alumiinifolion alustalla. Anodi on valmistettu erilaisista materiaaleista: grafiitista, kobolttioksideista ja muista yhdisteistä kuparifolion alustalla.
Jännite voi olla 3 V:n ja 4,2 V:n välillä käytetyistä komponenteista riippuen. Koska litiumioniakkujen itsepurkautuminen on vähäistä ja lataus- ja purkaussyklien määrä suuri, niistä on tullut erittäin suosittuja kodinkoneissa.
TÄRKEÄÄ! Litiumioniakut ovat erittäin herkkiä ylilataukselle. Käytä siksi niiden lataamiseen vain niille tarkoitettuja latureita, joissa on sisäänrakennetut erikoispiirit ylilatauksen estämiseksi. Muuten akku voi hajota ja syttyä tuleen.
Nikkeli-kadmium-akkujen katodi on nikkelisuolaa teräsverkolla, anodi kadmiumsuolaa teräsverkolla ja elektrolyytti on litiumhydroksidin ja kaliumhydroksidin seos. Tällaisen akun nimellisjännite on 1,37 V. Akkua voidaan ladata ja purkaa 100-900 syklin välillä.
VINKKI! Ni-Cd-akkuja voidaan varastoida purkautuneina, toisin kuin litiumioniakkuja.
Kemialliset lämpökennot toimivat varavirtalähteenä. Ne antavat erinomaiset virrantiheysominaisuudet, mutta niiden käyttöikä on lyhyt (enintään 1 tunti). Niitä käytetään pääasiassa rakettitekniikassa, jossa vaaditaan luotettavuutta ja lyhyttä käyttöikää.
TÄRKEÄÄ! Aluksi kemialliset lämpölähteet eivät voi tuottaa sähkövirtaa. Ne sisältävät elektrolyyttiä kiinteässä tilassa, ja ne on kuumennettava 500-600 °C:seen, jotta ne toimisivat. Kuumennus saadaan aikaan erityisellä pyroteknisellä seoksella, joka sytytetään oikealla hetkellä.
Todellisen ja ihanteellisen lähteen ero
Fysiikan lakien mukaan ihanteellisella lähteellä on oltava ääretön sisäinen vastus, jotta kuormituksessa kulkeva sähkövirta pysyy vakiona. Todellisilla lähteillä on rajallinen sisäinen resistanssi, mikä tarkoittaa, että virta riippuu sekä ulkoisesta kuormasta että sisäisestä resistanssista.
Lyhyesti sanottuna siinä on kaikki nykyisin saatavilla olevien virtalähteiden valikoima. Kuten yleiskatsauksesta käy ilmi, nykyään on luotu vaikuttava määrä lähteitä, joiden ominaisuudet soveltuvat kaikkiin sovelluksiin.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
