Elektriskās strāvas avots ir ierīce, kas ģenerē elektrisko strāvu slēgtā ķēdē. Līdz šim ir izgudroti daudzi avoti. Katrs veids tiek izmantots konkrētam mērķim.
Saturs .
Elektriskās strāvas avotu veidi
Ir šādi elektriskās strāvas avotu veidi:
- mehāniskas;
- siltuma;
- gaisma;
- ķimikālijas.
Mehāniskie avoti
Šie avoti pārvērš mehānisko enerģiju elektroenerģijā. Pārveide notiek īpašās ierīcēs - ģeneratoros. Galvenie ģeneratori ir turboģeneratori, kuros elektrisko mašīnu darbina gāzes vai tvaika plūsma, un hidroģeneratori, kas pārvērš krītoša ūdens enerģiju elektrībā. Tieši mehāniskie pārveidotāji ražo lielāko daļu elektroenerģijas uz Zemes.
Siltuma avoti
Šeit siltumenerģija tiek pārvērsta elektroenerģijā. Elektrisko strāvu rada temperatūras starpība starp diviem saskares metālu vai pusvadītāju pāriem - termopāriem. Šajā gadījumā lādētās daļiņas tiek transportētas no sakarsētās daļas uz auksto daļu. Strāvas lielums ir tieši atkarīgs no temperatūras starpības: jo lielāka starpība, jo lielāka elektriskā strāva. Termoelementi, kuru pamatā ir pusvadītāji, rada līdz pat 1000 reižu lielāku termisko emfiju nekā bimetāla termopāri, tāpēc tos var izmantot strāvas avotu izgatavošanai. Metāla termopāri tiek izmantoti tikai temperatūras mērīšanai.
TIP! Lai izveidotu termopāri, ir jāsavieno 2 dažādi metāli.
Pašlaik ir izstrādāti jauni elementi, kuru pamatā ir radioaktīvo izotopu dabiskās sabrukšanas radītā siltuma pārveidošana. Šādus elementus sauc par radioizotopu termoelektriskiem ģeneratoriem. Labi pārbaudīts ģenerators, kurā izmantots plutonija-238 izotops, ir izmantots kosmosa kuģos. Tā jauda ir 470 W pie 30 V sprieguma. Tā kā šī izotopa pussabrukšanas periods ir 87,7 gadi, ģeneratora kalpošanas laiks ir ļoti ilgs. Bimetāla termopara kalpo kā siltuma pārveidotājs elektrībā.
Gaismas avoti
Līdz ar pusvadītāju fizikas attīstību divdesmitā gadsimta beigās parādījās jauni strāvas avoti - saules baterijas, kurās gaismas enerģija tiek pārvērsta elektriskā enerģijā. Tās izmanto pusvadītāju īpašību radīt spriegumu, kad tie ir pakļauti gaismas iedarbībai. Īpaši silīcija pusvadītājiem ir šāda ietekme. Tomēr šādu elementu efektivitāte nepārsniedz 15 %. Saules baterijas ir kļuvušas neaizstājamas kosmosa nozarē, un tās sāk izmantot arī ikdienā. Šādu enerģijas avotu cena pastāvīgi samazinās, taču tā joprojām ir diezgan augsta: aptuveni 100 rubļu par 1 vatu jaudas.
Ķīmiskie barošanas avoti
Visus ķīmiskos enerģijas avotus var iedalīt trīs grupās:
- Galvaniskais
- Baterijas
- Thermal
Galvaniskie elementi darbojas, pamatojoties uz divu dažādu metālu mijiedarbību, kas atrodas elektrolītā. Metāla un elektrolīta pāri var būt dažādi ķīmiskie elementi un to savienojumi. No tā ir atkarīgs šūnas tips un īpašības.
SVARĪGI! Galvaniskie elementi tiek izmantoti tikai vienu reizi, t. i., pēc izlādes tos nevar atjaunot.
Ir 3 veidu galvaniskie elementi (jeb baterijas):
- Fizioloģiskais šķīdums;
- Sārmains;
- Litijs.
Sāļās jeb "sausās" baterijas izmanto elektrolītam līdzīgu pastu, kas izgatavota no kāda metāla sāls un ievietota cinka kausiņā. Katods ir mangāna grafīta stienis, kas novietots vārglāzes vidū. Lētie materiāli un vienkāršā ražošana padarīja šīs baterijas lētākās no visām. Tomēr tās ir nepārprotami zemākas par sārmu un litija baterijām.
Sārmu baterijās kā elektrolīts tiek izmantots kālija hidroksīda pastas veida sārmains šķīdums. Cinka anoda ir aizstāta ar cinka pulveri, kas ir palielinājis baterijas izejas strāvu un darbības laiku. Šīs šūnas kalpo līdz 1,5 reizēm ilgāk nekā sāls šūnas.
Litija elementā anodu veido litijs - sārmains metāls, kas ievērojami pagarina darbības laiku. Taču tajā pašā laikā cena ir palielinājusies litija relatīvi augsto izmaksu dēļ. Turklāt litija baterijām var būt atšķirīgs spriegums atkarībā no katoda materiāla. Ir pieejami akumulatori ar spriegumu no 1,5 V līdz 3,7 V.
Akumulatori ir elektriskās strāvas avoti, kurus var pakļaut daudziem uzlādes-izlādes cikliem. Galvenie akumulatoru veidi ir šādi:
- Svina-skābes;
- Litija jonu;
- niķeļa-kadmija.
Svina-skābes akumulatori sastāv no svina plāksnēm, kas iegremdētas sērskābes šķīdumā. Kad ārējā elektriskā ķēde ir noslēgta, notiek ķīmiska reakcija, kuras rezultātā svins katodā un anodā pārvēršas svina sulfātā un veidojas ūdens. Uzlādes procesā svina sulfāts anodā reducējas līdz svinam un svina dioksīdam katodā.
FONĀ! Viena svina-cinka akumulatora šūna rada 2 V spriegumu. Sērijveidā savienojot šūnas, var iegūt jebkuru sprieguma reizinājumu ar 2. Piemēram, automašīnas akumulatorā spriegums ir 12 V, jo ir savienotas 6 šūnas.
Litija jonu akumulatora nosaukums cēlies no tā, ka elektrības nesējs elektrolītā ir litija joni. Joni tiek radīti uz katoda, kas ir izgatavots no litija sāls uz alumīnija folijas substrāta. Anodu izgatavo no dažādiem materiāliem: grafīta, kobalta oksīdiem un citiem savienojumiem uz vara folijas pamatnes.
Spriegums var būt no 3 V līdz 4,2 V atkarībā no izmantotajiem komponentiem. Litija jonu baterijas ir kļuvušas ļoti populāras sadzīves ierīcēs, jo tām ir zema pašizlāde un liels uzlādes un izlādes ciklu skaits.
SVARĪGI! Litija jonu akumulatori ir ļoti jutīgi pret pārlādi. Tāpēc, lai tās uzlādētu, izmantojiet tikai tām paredzētus lādētājus, kuros ir iebūvētas īpašas shēmas, lai novērstu uzlādes pārslodzi. Pretējā gadījumā akumulators var sabojāties un aizdegties.
Niķeļa-kadmija baterijām ir katods, kas izgatavots no niķeļa sāls uz tērauda režģa, anods, kas izgatavots no kadmija sāls uz tērauda režģa, un elektrolīts ir litija hidroksīda un kālija hidroksīda maisījums. Šādas baterijas nominālais spriegums ir 1,37 V. Akumulatoru var uzlādēt un izlādēt no 100 līdz 900 cikliem.
TIP! Ni-Cd akumulatorus atšķirībā no litija jonu akumulatoriem var uzglabāt izlādētā stāvoklī.
Termiskie ķīmiskie elementi kalpo kā rezerves enerģijas avoti. Tie nodrošina lieliskas strāvas blīvuma īpašības, bet to kalpošanas laiks ir īss (līdz 1 stundai). Tos galvenokārt izmanto raķešu tehnoloģijās, kur nepieciešama uzticamība un īss kalpošanas laiks.
SVARĪGI! Sākotnēji siltumķīmiskie avoti nevar piegādāt elektrisko strāvu. Tie satur elektrolītu cietā stāvoklī, un, lai tie darbotos, tie jāsasilda līdz 500-600°C. Šādu uzkarsēšanu panāk ar īpašu pirotehnisko maisījumu, kas tiek aizdedzināts īstajā brīdī.
Atšķirība starp reālu un ideālu avotu
Ideālam avotam saskaņā ar fizikas likumiem ir jābūt bezgalīgai iekšējai pretestībai, lai nodrošinātu elektriskās strāvas konstanci slodzē. Reālajiem avotiem ir galīga iekšējā pretestība, kas nozīmē, ka strāva ir atkarīga gan no ārējās slodzes, gan no iekšējās pretestības.
Tas īsumā ir viss, kas attiecas uz šodien pieejamo pašreizējo avotu daudzveidību. Kā redzams no pārskata, šodien ir radīts iespaidīgs skaits avotu ar īpašībām, kas piemērotas jebkuram lietojumam.
Saistītie raksti:
