Az elektromos áramforrás olyan eszköz, amely elektromos áramot termel egy zárt áramkörben. A mai napig sokféle forrást találtak ki. Mindegyik típust meghatározott célra használják.
A tartalom .
Az elektromos áramforrások típusai
A következő típusú elektromos áramforrások léteznek:
- mechanikus;
- termikus;
- fény;
- vegyszer.
Mechanikus források
Ezek a források a mechanikus energiát elektromos energiává alakítják. Az átalakítás speciális eszközökben - generátorokban - történik. A fő generátorok a turbógenerátorok, ahol az elektromos gépet gáz- vagy gőzáram hajtja, és a hidrogenerátorok, amelyek a lezúduló víz energiáját alakítják át villamos energiává. A mechanikus átalakítók termelik a legtöbb villamos energiát a Földön.
Hőforrások
Itt a hőenergiát villamos energiává alakítják át. Az elektromos áramot két egymással érintkező fém vagy félvezető pár - a termoelemek - közötti hőmérsékletkülönbség generálja. Ebben az esetben a töltött részecskék a fűtött szakaszból a hideg szakaszba kerülnek. Az áram nagysága közvetlenül a hőmérsékletkülönbségtől függ: minél nagyobb a különbség, annál nagyobb az elektromos áram. A félvezetőkön alapuló termoelemek 1000-szer nagyobb hőteljesítményt adnak, mint a bimetál termoelemek, így ezekből áramforrások készíthetők. A fém hőelemeket csak hőmérséklet mérésére használják.
TIPP! Ahhoz, hogy termoelemet készítsünk, 2 különböző fémet kell összekötni.
Jelenleg a radioaktív izotópok természetes bomlása során keletkező hő átalakításán alapuló új elemeket fejlesztettek ki. Az ilyen elemeket radioizotópos termoelektromos generátoroknak nevezik. Az űrhajókban jól bevált generátor a plutónium-238 izotópot használja. 30 V feszültség mellett 470 W teljesítményt ad. Mivel ennek az izotópnak a felezési ideje 87,7 év, a generátor élettartama nagyon hosszú. A bimetál termoelem hő-elektromos átalakítóként szolgál.
Fényforrások
A huszadik század végén a félvezetőfizika fejlődésével új áramforrások jelentek meg - a napelemek, amelyekben a fényenergiát elektromos energiává alakítják át. Kihasználják a félvezetők azon tulajdonságát, hogy fény hatására feszültséget termelnek. Különösen a szilícium félvezetőknél jelentkezik ez a hatás. Az ilyen cellák hatásfoka azonban nem haladja meg a 15%-ot. A napelemek nélkülözhetetlenné váltak az űriparban, és a mindennapi életben is elkezdték használni őket. Az ilyen áramforrások ára folyamatosan csökken, de továbbra is meglehetősen magas: körülbelül 100 rubel 1 watt teljesítményenként.
Kémiai tápegységek
Az összes kémiai energiaforrás három csoportba sorolható:
- Galvanikus
- Akkumulátorok
- Termikus
A galvánelemek működése az elektrolitba helyezett két különböző fém kölcsönhatásán alapul. A fém- és elektrolitpárok különböző kémiai elemek és vegyületeik lehetnek. Ettől függ az elem típusa és jellemzői.
FONTOS! A galvánelemek csak egyszer használatosak, azaz ha egyszer lemerültek, nem lehet őket visszanyerni.
A galvánelemeknek (vagy akkumulátoroknak) 3 típusa létezik:
- Sóoldat;
- Lúgos;
- Lítium.
A sóoldatos vagy "száraz" akkumulátorok pasztaszerű elektrolitot használnak, amely valamilyen fém sójából készül, és amelyet egy cinkcsészébe helyeznek. A katód egy mangán-grafitrúd, amelyet a főzőpohár közepén helyezünk el. Az olcsó anyagok és az egyszerű gyártás miatt ezek az elemek voltak a legolcsóbbak. Ezek azonban egyértelműen rosszabbak, mint az alkáli- és lítiumelemek.
Az alkáli elemek elektrolitként kálium-hidroxid pasztaszerű lúgos oldatát használják. A cink anódot porított cinkre cserélték, ami növelte a cella áramkimenetét és üzemidejét. Ezek a cellák akár 1,5-szer tovább bírják, mint a sós cellák.
A lítiumcellában az anód lítiumból, egy lúgos fémből készül, ami jelentősen megnövelte az üzemidőt. Ugyanakkor a lítium relatív magas ára miatt az ár emelkedett. Ezenkívül a lítium akkumulátorok a katód anyagától függően különböző feszültségűek lehetnek. Az akkumulátorok 1,5 V és 3,7 V közötti feszültséggel állnak rendelkezésre.
Az akkumulátorok elektromos áramforrások, amelyek számos töltési-kisütési ciklusnak vethetők alá. Az akkumulátorok főbb típusai a következők:
- Ólomsavas;
- Lítium-ion;
- Nikkel-kadmium.
Az ólomsavas akkumulátorok kénsavas oldatba merített ólomlemezekből állnak. Ha egy külső elektromos áramkört bezárunk, kémiai reakció megy végbe, amely az ólmot ólomszulfáttá alakítja a katódon és az anódon, és víz keletkezik. A töltési folyamat során az ólomszulfát az anódon ólommá és a katódon ólom-dioxiddá redukálódik.
HÁTTÉR! Egyetlen ólom-cink akkumulátorcella 2 V feszültséget generál. A cellák sorba kapcsolásával a feszültség a 2-nek tetszőleges többszörösét lehet elérni. Például az autóakkumulátorokban a feszültség 12 V, mivel 6 cellát kapcsolnak össze.
A lítium-ion akkumulátor nevét onnan kapta, hogy az elektrolitban az elektromosság hordozója a lítiumionok. Az ionok egy katódon keletkeznek, amely lítiumsóból készül egy alumíniumfóliából készült hordozón. Az anód különböző anyagokból készül: grafitból, kobalt-oxidokból és más vegyületekből rézfóliából készült hordozón.
A feszültség a felhasznált alkatrészektől függően 3 V és 4,2 V között lehet. Alacsony önkisülésük és nagyszámú töltési-kisütési ciklusuk miatt a lítium-ion akkumulátorok nagyon népszerűvé váltak a háztartási készülékekben.
FONTOS! A lítium-ion akkumulátorok nagyon érzékenyek a túltöltésre. Ezért töltésükhöz csak az erre a célra szánt töltőket használjuk, amelyekbe speciális áramkörök vannak beépítve a túltöltés megakadályozására. Ellenkező esetben az akkumulátor széteshet és kigyulladhat.
A nikkel-kadmium akkumulátorok katódja acélrácson lévő nikkel-sóból készül, az anódja acélrácson lévő kadmium-sóból, az elektrolit pedig lítium-hidroxid és kálium-hidroxid keveréke. Az ilyen akkumulátor névleges feszültsége 1,37 V. Az akkumulátort 100 és 900 ciklus között lehet tölteni és kisütni.
TIPP! A Ni-Cd akkumulátorok a lítium-ion akkumulátorokkal ellentétben lemerült állapotban is tárolhatók.
A termikus kémiai cellák tartalék energiaforrásként szolgálnak. Kiváló áramsűrűségi jellemzőkkel rendelkeznek, de rövid élettartamúak (legfeljebb 1 óra). Elsősorban a rakétatechnikában használják, ahol megbízhatóságra és rövid élettartamra van szükség.
FONTOS! Kezdetben a termikus kémiai források nem képesek elektromos áramot szolgáltatni. Szilárd állapotban tartalmaznak elektrolitot, és 500-600 °C-ra kell melegíteni őket ahhoz, hogy működőképesek legyenek. Ezt a fűtést egy speciális pirotechnikai keverékkel érik el, amelyet a megfelelő pillanatban meggyújtanak.
A különbség a valós és az ideális forrás között
Az ideális forrásnak a fizika törvényei szerint végtelen belső ellenállással kell rendelkeznie, hogy biztosítsa a terhelésben az elektromos áram állandóságát. A valós források véges belső ellenállással rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy az áram a külső terheléstől és a belső ellenállástól is függ.
Röviden ennyi a ma rendelkezésre álló áramforrások sokfélesége. Amint az áttekintésből látható, ma már lenyűgöző számú, bármilyen alkalmazáshoz megfelelő tulajdonságokkal rendelkező forrást hoztak létre.
Kapcsolódó cikkek:
