Een elektrische stroombron is een apparaat dat elektrische stroom opwekt in een gesloten circuit. Tot op heden zijn er vele soorten bronnen uitgevonden. Elk type wordt voor een specifiek doel gebruikt.
De inhoud van .
Soorten elektrische stroombronnen
Er zijn de volgende soorten elektrische stroombronnen:
- mechanisch;
- thermisch;
- licht;
- chemisch.
Mechanische bronnen
Deze bronnen zetten mechanische energie om in elektrische energie. De omzetting vindt plaats in speciale apparaten - generatoren. De belangrijkste generatoren zijn turbogeneratoren, waarbij de elektrische machine wordt aangedreven door een gas- of stoomstroom, en hydrogeneratoren, die de energie van vallend water omzetten in elektriciteit. Het zijn de mechanische convertoren die de meeste elektriciteit op aarde produceren.
Thermische bronnen
Dit is waar thermische energie wordt omgezet in elektriciteit. De elektrische stroom wordt opgewekt door het temperatuurverschil tussen twee paren contacterende metalen of halfgeleiders - thermokoppels. In dit geval worden geladen deeltjes getransporteerd van de verwarmde sectie naar de koude sectie. De grootte van de stroom hangt rechtstreeks af van het temperatuurverschil: hoe groter het verschil, hoe groter de elektrische stroom. Thermokoppels op basis van halfgeleiders geven een thermisch vermogen dat 1000 maal groter is dan dat van bimetaalthermokoppels, zodat zij kunnen worden gebruikt om stroombronnen te maken. Metalen thermokoppels worden alleen gebruikt om temperatuur te meten.
TIP! Om een thermokoppel te maken, moeten 2 verschillende metalen worden samengevoegd.
Momenteel zijn nieuwe elementen ontwikkeld op basis van de omzetting van warmte die wordt opgewekt door het natuurlijke verval van radioactieve isotopen. Dergelijke elementen worden radio-isotopen thermo-elektrische generatoren genoemd. Een beproefde generator in ruimtevaartuigen gebruikt de isotoop plutonium-238. Hij geeft een vermogen van 470 W bij een spanning van 30 V. Aangezien de halveringstijd van deze isotoop 87,7 jaar is, is de levensduur van de generator zeer lang. Een bimetaal thermokoppel dient als warmte-elektriciteitsomzetter.
Lichtbronnen
Met de ontwikkeling van de halfgeleiderfysica aan het eind van de twintigste eeuw verschenen nieuwe bronnen van stroom - zonnecellen, waarin lichtenergie wordt omgezet in elektrische energie. Zij maken gebruik van de eigenschap van halfgeleiders om bij blootstelling aan licht spanningen te produceren. Silicium halfgeleiders in het bijzonder hebben dit effect. Het rendement van dergelijke cellen bedraagt echter niet meer dan 15%. Zonnecellen zijn onmisbaar geworden in de ruimtevaartindustrie en beginnen ook in het dagelijks leven te worden gebruikt. De prijs van dergelijke energiebronnen daalt voortdurend, maar hij blijft vrij hoog: ongeveer 100 roebel per 1 watt vermogen.
Chemische voedingen
Alle chemische energiebronnen kunnen in drie groepen worden verdeeld:
- Galvanisch
- Batterijen
- Thermisch
Galvanische cellen werken op basis van de wisselwerking tussen twee verschillende metalen die in een elektrolyt worden geplaatst. De paren metaal en elektrolyt kunnen verschillende chemische elementen en hun verbindingen zijn. Het type en de kenmerken van de cel hangen hiervan af.
BELANGRIJK! Galvanische cellen worden slechts eenmaal gebruikt, d.w.z. eenmaal ontladen kunnen zij niet worden geregenereerd.
Er zijn 3 soorten galvanische cellen (of batterijen):
- Zoutoplossing;
- Alkalisch;
- Lithium.
De zoute of "droge" batterijen maken gebruik van een pasta-achtige elektrolyt die is gemaakt van een zout van een of ander metaal en die in een zinken beker wordt geplaatst. De kathode is een staaf mangaan-grafiet die in het midden van het bekerglas wordt geplaatst. Door de goedkope materialen en het gemak waarmee ze konden worden vervaardigd, waren deze batterijen de goedkoopste van allemaal. Zij zijn echter duidelijk inferieur aan alkaline- en lithiumbatterijen.
Alkalinebatterijen gebruiken een pasta-achtige alkalische oplossing van kaliumhydroxide als elektrolyt. De zinkanode is vervangen door zinkpoeder, waardoor de stroomopbrengst en de bedrijfstijd van de cel zijn toegenomen. Deze cellen gaan tot 1,5 keer langer mee dan zoutcellen.
In de lithiumcel is de anode gemaakt van lithium, een alkalisch metaal, waardoor de bedrijfstijd aanzienlijk is verlengd. Maar tegelijkertijd is de prijs gestegen als gevolg van de relatief hoge kosten van lithium. Bovendien kunnen lithiumbatterijen verschillende spanningen hebben, afhankelijk van het kathodemateriaal. Batterijen zijn verkrijgbaar met spanningen van 1,5 V tot 3,7 V.
Batterijen zijn elektrische stroombronnen, die aan vele laad/ontlaadcycli kunnen worden onderworpen. De belangrijkste soorten batterijen zijn:
- Lood-zuur;
- Lithium-ion;
- Nikkel-cadmium.
Lood-zuur-batterijen bestaan uit loden platen die in een zwavelzuuroplossing zijn ondergedompeld. Wanneer een extern elektrisch circuit wordt gesloten, vindt een chemische reactie plaats waarbij lood wordt omgezet in loodsulfaat aan de kathode en anode en water wordt gevormd. Tijdens het laadproces wordt loodsulfaat aan de anode gereduceerd tot lood en looddioxide aan de kathode.
INFO! Een enkele lood-zink-batterijcel genereert een spanning van 2 V. Door de cellen in serie te schakelen, kan men een spanning verkrijgen die een veelvoud is van 2. In autoaccu's bijvoorbeeld bedraagt de spanning 12 V, aangezien 6 cellen zijn aangesloten.
De lithium-ion batterij dankt zijn naam aan het feit dat de drager van de elektriciteit in de elektrolyt lithium-ionen zijn. De ionen worden gecreëerd aan een kathode, die is gemaakt van lithiumzout op een substraat van aluminiumfolie. De anode is gemaakt van verschillende materialen: grafiet, kobaltoxiden en andere verbindingen op een substraat van koperfolie.
De spanning kan tussen 3 V en 4,2 V liggen, afhankelijk van de gebruikte componenten. Door hun geringe zelfontlading en hoge aantal laad/ontlaadcycli zijn lithium-ionbatterijen zeer populair geworden in huishoudelijke apparaten.
BELANGRIJK! Lithium-ion batterijen zijn zeer gevoelig voor overladen. Gebruik daarom voor het opladen alleen opladers die daarvoor bedoeld zijn en die speciale circuits hebben ingebouwd om overladen te voorkomen. Anders kan de batterij uit elkaar vallen en vlam vatten.
Nikkel-cadmium-batterijen hebben een kathode van nikkelzout op een stalen rooster, een anode van cadmiumzout op een stalen rooster en de elektrolyt is een mengsel van lithiumhydroxide en kaliumhydroxide. De nominale spanning van een dergelijke batterij bedraagt 1,37 V. De batterij kan worden opgeladen en ontladen tussen 100 en 900 cycli.
TIP! Ni-Cd-batterijen kunnen in ontladen toestand worden bewaard, in tegenstelling tot lithium-ion-batterijen.
Thermische chemische cellen dienen als reserve-energiebron. Zij geven uitstekende stroomdichtheidseigenschappen maar hebben een korte levensduur (tot 1 uur). Zij worden vooral gebruikt in de rakettechnologie, waar betrouwbaarheid en een korte levensduur vereist zijn.
BELANGRIJK! In eerste instantie kunnen thermische chemische bronnen geen elektrische stroom leveren. Zij bevatten elektrolyt in vaste toestand en moeten worden verhit tot 500-600°C om operationeel te zijn. Deze verhitting wordt bereikt door een speciaal pyrotechnisch mengsel dat op het juiste moment wordt ontstoken.
Het verschil tussen een echte en een ideale bron
Een ideale bron moet, volgens de wetten van de fysica, een oneindige inwendige weerstand hebben om een constantheid van de elektrische stroom in de belasting te verzekeren. Reële bronnen hebben een eindige inwendige weerstand, hetgeen betekent dat de stroom afhangt van zowel de externe belasting als de inwendige weerstand.
Dat is in het kort alles wat er is aan huidige bronnen. Zoals uit het overzicht blijkt, is er vandaag een indrukwekkend aantal bronnen gecreëerd met kenmerken die geschikt zijn voor elke toepassing.
Verwante artikelen:
