Zdroj elektrického prúdu je zariadenie, ktoré generuje elektrický prúd v uzavretom obvode. Doteraz bolo vynájdených mnoho druhov zdrojov. Každý typ sa používa na konkrétny účel.
Obsah .
Typy zdrojov elektrického prúdu
Existujú tieto typy zdrojov elektrického prúdu:
- mechanické;
- tepelné;
- svetlo;
- chemické látky.
Mechanické zdroje
Tieto zdroje premieňajú mechanickú energiu na elektrickú. Konverzia sa uskutočňuje v špeciálnych zariadeniach - generátoroch. Hlavnými generátormi sú turbogenerátory, v ktorých je elektrický stroj poháňaný prúdom plynu alebo pary, a hydrogenerátory, ktoré premieňajú energiu padajúcej vody na elektrickú energiu. Väčšinu elektrickej energie na Zemi vyrábajú mechanické meniče.
Tepelné zdroje
Tu sa tepelná energia premieňa na elektrickú energiu. Elektrický prúd vzniká na základe rozdielu teplôt medzi dvoma dvojicami dotýkajúcich sa kovov alebo polovodičov - termočlánkov. V tomto prípade sa nabité častice prenášajú z vyhrievanej časti do studenej časti. Veľkosť prúdu priamo závisí od rozdielu teplôt: čím väčší je rozdiel, tým väčší je elektrický prúd. Termočlánky na báze polovodičov poskytujú 1000-krát väčšie tepelné výkony ako bimetalové termočlánky, takže ich možno použiť na výrobu zdrojov prúdu. Kovové termočlánky sa používajú len na meranie teploty.
TIP! Na vytvorenie termočlánku je potrebné spojiť 2 rôzne kovy.
V súčasnosti boli vyvinuté nové prvky založené na premene tepla vznikajúceho pri prirodzenom rozpade rádioaktívnych izotopov. Takéto prvky sa nazývajú rádioizotopové termoelektrické generátory. Osvedčený generátor, v ktorom sa používa izotop plutónia 238, sa používa v kozmických lodiach. Poskytuje výkon 470 W pri napätí 30 V. Keďže polčas rozpadu tohto izotopu je 87,7 roka, životnosť generátora je veľmi dlhá. Bimetalový termočlánok slúži ako prevodník tepla na elektrinu.
Zdroje svetla
S rozvojom fyziky polovodičov koncom dvadsiateho storočia sa objavili nové zdroje prúdu - solárne články, v ktorých sa svetelná energia premieňa na elektrickú. Využívajú vlastnosť polovodičov produkovať napätie, keď sú vystavené svetlu. Tento efekt majú najmä kremíkové polovodiče. Účinnosť takýchto článkov však nepresahuje 15 %. Solárne články sa stali nepostrádateľnými vo vesmírnom priemysle a začali sa používať aj v každodennom živote. Cena takýchto zdrojov energie sa neustále znižuje, ale zostáva pomerne vysoká: približne 100 rubľov za 1 watt energie.
Chemické zdroje energie
Všetky chemické zdroje energie možno rozdeliť do troch skupín:
- Galvanické
- Batérie
- Tepelná
Galvanické články fungujú na základe interakcie dvoch rôznych kovov umiestnených v elektrolyte. Pár kovu a elektrolytu môžu tvoriť rôzne chemické prvky a ich zlúčeniny. Od toho závisí typ a vlastnosti bunky.
DÔLEŽITÉ! Galvanické články sa používajú len raz, t. j. po vybití sa nedajú regenerovať.
Existujú 3 typy galvanických článkov (alebo batérií):
- Fyziologický roztok;
- Alkalický;
- Lítium.
Fyziologické alebo "suché" batérie používajú elektrolyt podobný paste, ktorý sa vyrába zo soli nejakého kovu a ktorý je umiestnený v zinkovom pohári. Katóda je mangánová grafitová tyčinka, ktorá sa umiestni do stredu kadičky. Vďaka lacným materiálom a jednoduchej výrobe boli tieto batérie najlacnejšie zo všetkých. Sú však jednoznačne horšie ako alkalické a lítiové batérie.
Alkalické batérie používajú ako elektrolyt pastovitý roztok hydroxidu draselného. Zinková anóda bola nahradená práškovým zinkom, čím sa zvýšil výstupný prúd a prevádzkový čas článku. Tieto články vydržia až 1,5-krát dlhšie ako soľné články.
V lítiovom článku je anóda vyrobená z lítia, alkalického kovu, čo výrazne predĺžilo dobu prevádzky. Zároveň sa však zvýšila cena v dôsledku relatívne vysokých nákladov na lítium. Okrem toho môžu mať lítiové batérie rôzne napätia v závislosti od materiálu katódy. K dispozícii sú batérie s napätím od 1,5 V do 3,7 V.
Batérie sú zdroje elektrického prúdu, ktoré môžu byť vystavené mnohým cyklom nabíjania a vybíjania. Hlavné typy batérií sú:
- Olovený akumulátor;
- Lítium-iónové;
- Nikel-kadmium.
Olovené akumulátory pozostávajú z olovených dosiek ponorených do roztoku kyseliny sírovej. Po uzavretí vonkajšieho elektrického obvodu prebieha chemická reakcia, pri ktorej sa olovo na katóde a anóde mení na síran olovnatý a vzniká voda. Počas nabíjania sa síran olovnatý na anóde redukuje na olovo a oxid olovnatý na katóde.
ZADNÉ POZADIE! Jeden článok oloveného zinkového akumulátora vytvára napätie 2 V. Sériovým zapojením článkov je možné získať ľubovoľný násobok napätia 2. Napríklad v autobatérii je napätie 12 V, pretože je zapojených 6 článkov.
Lítium-iónová batéria dostala svoj názov podľa toho, že nositeľom elektrickej energie v elektrolyte sú ióny lítia. Ióny sa vytvárajú na katóde, ktorá je vyrobená z lítiovej soli na substráte z hliníkovej fólie. Anóda je vyrobená z rôznych materiálov: grafitu, oxidov kobaltu a iných zlúčenín na podklade z medenej fólie.
Napätie môže byť v závislosti od použitých komponentov od 3 V do 4,2 V. Vďaka nízkemu samovybíjaniu a vysokému počtu cyklov nabíjania a vybíjania sa lítium-iónové batérie stali veľmi obľúbenými v domácich spotrebičoch.
DÔLEŽITÉ! Lítium-iónové batérie sú veľmi citlivé na prebíjanie. Preto na ich nabíjanie používajte len nabíjačky určené pre ne, ktoré majú zabudované špeciálne obvody zabraňujúce prebíjaniu. V opačnom prípade sa batéria môže rozpadnúť a vznietiť.
Nikel-kadmiové batérie majú katódu z niklovej soli na oceľovej mriežke, anódu z kadmiovej soli na oceľovej mriežke a elektrolyt je zmes hydroxidu lítneho a hydroxidu draselného. Menovité napätie takejto batérie je 1,37 V. Batériu možno nabíjať a vybíjať v rozsahu 100 až 900 cyklov.
TIP! Na rozdiel od lítium-iónových batérií je možné Ni-Cd batérie skladovať vo vybitom stave.
Termálne chemické články slúžia ako záložné zdroje energie. Poskytujú vynikajúce charakteristiky prúdovej hustoty, ale majú krátku životnosť (do 1 hodiny). Používajú sa najmä v raketovej technike, kde sa vyžaduje spoľahlivosť a krátka životnosť.
DÔLEŽITÉ! Tepelné chemické zdroje nemôžu spočiatku dodávať elektrický prúd. Obsahujú elektrolyt v pevnom stave a musia sa zahriať na 500-600 °C, aby boli funkčné. Takéto zahrievanie sa dosahuje pomocou špeciálnej pyrotechnickej zmesi, ktorá sa zapáli v správnom okamihu.
Rozdiel medzi skutočným a ideálnym zdrojom
Ideálny zdroj musí mať podľa fyzikálnych zákonov nekonečný vnútorný odpor, aby sa zabezpečila stálosť elektrického prúdu v záťaži. Reálne zdroje majú konečný vnútorný odpor, čo znamená, že prúd závisí od vonkajšej záťaže aj od vnútorného odporu.
To je v skratke všetko, čo sa týka rôznych aktuálnych zdrojov, ktoré sú dnes k dispozícii. Ako je zrejmé z prehľadu, v súčasnosti bolo vytvorené úctyhodné množstvo zdrojov s vlastnosťami vhodnými pre akékoľvek použitie.
Súvisiace články:
