Une source de courant électrique est un dispositif qui génère du courant électrique dans un circuit fermé. De nombreux types de sources ont été inventés à ce jour. Chaque type est utilisé dans un but précis.
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Types de sources de courant électrique
Il existe les types suivants de sources de courant électrique :
- mécanique ;
- thermique ;
- lumière ;
- chimique.
Sources mécaniques
Ces sources convertissent l'énergie mécanique en énergie électrique. La conversion a lieu dans des dispositifs spéciaux - les générateurs. Les principaux générateurs sont les turbogénérateurs, où la machine électrique est entraînée par un courant de gaz ou de vapeur, et les hydrogénérateurs, qui convertissent l'énergie de la chute de l'eau en électricité. Ce sont les convertisseurs mécaniques qui produisent la majeure partie de l'électricité sur terre.
Sources thermiques
C'est là que l'énergie thermique est convertie en électricité. Le courant électrique est généré par la différence de température entre deux paires de métaux ou de semi-conducteurs en contact - les thermocouples. Dans ce cas, les particules chargées sont transportées de la section chauffée à la section froide. L'intensité du courant dépend directement de la différence de température : plus la différence est grande, plus le courant électrique est important. Les thermocouples basés sur des semi-conducteurs donnent jusqu'à 1000 fois plus d'emf thermique que les thermocouples bimétalliques, ils peuvent donc être utilisés pour faire des sources de courant. Les thermocouples métalliques sont uniquement utilisés pour mesurer la température.
TIP ! Pour fabriquer un thermocouple, il faut assembler deux métaux différents.
Actuellement, de nouveaux éléments ont été développés sur la base de la conversion de la chaleur générée par la désintégration naturelle des isotopes radioactifs. Ces éléments sont appelés générateurs thermoélectriques à radio-isotopes. Un générateur éprouvé, où l'isotope 238 du plutonium est utilisé, a été utilisé dans des engins spatiaux. Il donne une puissance de 470 W à une tension de 30 V. La demi-vie de cet isotope étant de 87,7 ans, la durée de vie du générateur est très longue. Un thermocouple bimétallique sert de convertisseur de chaleur en électricité.
Sources de lumière
Avec le développement de la physique des semi-conducteurs à la fin du vingtième siècle, de nouvelles sources de courant sont apparues - les cellules solaires, dans lesquelles l'énergie lumineuse est convertie en énergie électrique. Ils utilisent la propriété des semi-conducteurs de produire une tension lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Les semi-conducteurs en silicium, en particulier, ont cet effet. Toutefois, l'efficacité de ces cellules ne dépasse pas 15 %. Les cellules solaires sont devenues indispensables dans l'industrie spatiale et ont également commencé à être utilisées dans la vie quotidienne. Le prix de ces sources d'énergie est en constante diminution, mais il reste assez élevé : environ 100 roubles pour 1 watt de puissance.
Alimentations chimiques
Toutes les sources d'énergie chimique peuvent être divisées en trois groupes :
- Galvanique
- Piles
- Thermique
Le fonctionnement des cellules galvaniques repose sur l'interaction de deux métaux différents placés dans un électrolyte. Les paires métal et électrolyte peuvent être des éléments chimiques différents et leurs composés. Le type et les caractéristiques de la cellule en dépendent.
IMPORTANT ! Les cellules galvaniques ne sont utilisées qu'une fois, c'est-à-dire qu'une fois déchargées, elles ne peuvent pas être régénérées.
Il existe 3 types de piles (ou batteries) galvaniques :
- Saline ;
- Alcaline ;
- Le lithium.
Les piles salines ou "sèches" utilisent un électrolyte sous forme de pâte, fabriqué à partir d'un sel d'un métal et placé dans une coupelle en zinc. La cathode est une tige de graphite manganèse qui est placée au centre du bécher. Les matériaux bon marché et la facilité de fabrication ont fait de ces batteries les moins chères de toutes. Cependant, elles sont nettement inférieures aux piles alcalines et au lithium.
Les piles alcalines utilisent une solution alcaline pâteuse d'hydroxyde de potassium comme électrolyte. L'anode de zinc a été remplacée par du zinc en poudre, ce qui a permis d'augmenter le courant de sortie et la durée de fonctionnement de la cellule. Ces cellules durent jusqu'à 1,5 fois plus longtemps que les cellules salines.
Dans la pile au lithium, l'anode est constituée de lithium, un métal alcalin, ce qui a permis d'augmenter considérablement la durée de fonctionnement. Mais dans le même temps, le prix a augmenté en raison du coût relativement élevé du lithium. En outre, les piles au lithium peuvent avoir des tensions différentes selon le matériau de la cathode. Les batteries sont disponibles avec des tensions allant de 1,5 V à 3,7 V.
Les batteries sont des sources de courant électrique, qui peuvent être soumises à de nombreux cycles de charge-décharge. Les principaux types de piles sont :
- Plomb-acide ;
- Lithium-ion ;
- Nickel-cadmium.
Les accumulateurs au plomb sont constitués de plaques de plomb immergées dans une solution d'acide sulfurique. Lorsqu'un circuit électrique externe est fermé, il se produit une réaction chimique qui transforme le plomb en sulfate de plomb à la cathode et à l'anode et de l'eau se forme. Pendant le processus de charge, le sulfate de plomb à l'anode est réduit en plomb et en dioxyde de plomb à la cathode.
INFO ! Une seule cellule de batterie plomb-zinc génère une tension de 2 V. En connectant les cellules en série, il est possible d'obtenir n'importe quelle tension multiple de 2. Par exemple, dans les batteries de voiture, la tension est de 12 V, puisque 6 cellules sont connectées.
La batterie lithium-ion tire son nom du fait que les porteurs de l'électricité dans l'électrolyte sont des ions lithium. Les ions sont créés sur une cathode, qui est constituée de sel de lithium sur un substrat de feuille d'aluminium. L'anode est composée de différents matériaux : graphite, oxydes de cobalt et autres composés sur un substrat de feuille de cuivre.
La tension peut être comprise entre 3 V et 4,2 V, en fonction des composants utilisés. En raison de leur faible autodécharge et du nombre élevé de cycles de charge-décharge, les batteries lithium-ion sont devenues très populaires dans les appareils électroménagers.
IMPORTANT ! Les batteries au lithium-ion sont très sensibles à la surcharge. Par conséquent, pour les recharger, n'utilisez que les chargeurs qui leur sont destinés et qui comportent des circuits spéciaux intégrés pour éviter les surcharges. Sinon, la batterie risque de se désintégrer et de prendre feu.
Les batteries nickel-cadmium ont une cathode en sel de nickel sur une grille en acier, une anode en sel de cadmium sur une grille en acier et l'électrolyte est un mélange d'hydroxyde de lithium et d'hydroxyde de potassium. La tension nominale d'une telle batterie est de 1,37 V. La batterie peut être chargée et déchargée entre 100 et 900 cycles.
TIP ! Les batteries Ni-Cd peuvent être stockées à l'état déchargé, contrairement aux batteries lithium-ion.
Les cellules chimiques thermiques servent de sources d'énergie de secours. Ils offrent d'excellentes caractéristiques de densité de courant mais ont une durée de vie courte (jusqu'à 1 heure). Ils sont principalement utilisés dans la technologie des fusées où la fiabilité et une courte durée de vie sont requises.
IMPORTANT ! Au départ, les sources chimiques thermiques ne peuvent pas fournir de courant électrique. Ils contiennent un électrolyte à l'état solide et doivent être chauffés à 500-600°C pour être opérationnels. Ce chauffage est obtenu grâce à un mélange pyrotechnique spécial qui est enflammé au bon moment.
La différence entre une source réelle et une source idéale
Une source idéale, selon les lois de la physique, doit avoir une résistance interne infinie pour assurer la constance du courant électrique dans la charge. Les sources réelles ont une résistance interne finie, ce qui signifie que le courant dépend à la fois de la charge externe et de la résistance interne.
Voilà, en bref, tout ce qu'il y a à dire sur la variété des sources actuelles disponibles aujourd'hui. Comme le montre cet aperçu, un nombre impressionnant de sources présentant des caractéristiques adaptées à toutes les applications ont été créées aujourd'hui.
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