Elektros srovės šaltinis – įtaisas, kuriuo uždaroje elektros grandinėje sukuriama elektros srovė. Šiuo metu yra išrasta daugybė tokių šaltinių tipų. Kiekvienas tipas naudojamas konkretiems tikslams.
Turinys
Elektros srovės šaltinių tipai
Yra šių tipų elektros srovės šaltiniai:
- mechaninis;
- terminis;
- šviesa;
- cheminis.
Mechaniniai šaltiniai
Šie šaltiniai mechaninę energiją paverčia elektros energija. Konversija atliekama specialiuose įrenginiuose – generatoriuose. Pagrindiniai generatoriai yra turbogeneratoriai, kur elektros mašina varoma dujų arba garų srautu, ir hidrogeneratoriai, kurie krintančio vandens energiją paverčia elektra. Didžioji dalis elektros Žemėje pagaminama būtent mechaniniais keitikliais.
Šilumos šaltiniai
Čia šiluminė energija paverčiama elektros energija. Elektros srovė atsiranda dėl temperatūrų skirtumo tarp dviejų besiliečiančių metalų arba puslaidininkių porų – termoporų. Tokiu atveju įkrautos dalelės iš šildomos vietos perkeliamos į šaltą. Srovės dydis tiesiogiai priklauso nuo temperatūrų skirtumo: kuo didesnis šis skirtumas, tuo didesnė elektros srovė. Puslaidininkinės termoporos suteikia 1000 kartų didesnę termoelektrinę galią nei bimetalinės, todėl iš jų galima gaminti srovės šaltinius. Metalinės termoporos naudojamos tik temperatūrai matuoti.
NUORODA! Norint gauti termoporą, reikia prijungti 2 skirtingus metalus.
Šiuo metu yra sukurti nauji elementai, pagrįsti natūralaus radioaktyviųjų izotopų skilimo metu išsiskiriančios šilumos konversija. Tokie elementai vadinami radioizotopiniais termoelektriniais generatoriais. Erdvėlaiviuose gerai pasiteisino generatorius, kuriame naudojamas plutonio-238 izotopas. Jis duoda 470 W galią esant 30 V įtampai. Kadangi šio izotopo pusinės eliminacijos laikas yra 87,7 metų, generatoriaus tarnavimo laikas yra labai ilgas. Bimetalinė termopora naudojama šilumai paversti elektra.
šviesos šaltiniai
XX amžiaus pabaigoje tobulėjant puslaidininkių fizikai, atsirado nauji srovės šaltiniai – saulės baterijos, kuriose šviesos energija paverčiama elektros energija. Jie naudoja puslaidininkių savybę generuoti įtampą, kai yra veikiami šviesos srauto. Šis efektas ypač stiprus silicio puslaidininkiuose. Tačiau vis tiek tokių elementų efektyvumas neviršija 15%.Saulės baterijos tapo nepakeičiamos kosmoso pramonėje ir buvo pradėtos naudoti kasdieniame gyvenime. Tokių maitinimo šaltinių kaina nuolat mažėja, tačiau išlieka gana didelė: apie 100 rublių už 1 vatą galios.
Cheminiai šaltiniai
Visi cheminiai šaltiniai gali būti suskirstyti į 3 grupes:
- Galvaninis
- Baterijos
- Šiluminis
Galvaninės ląstelės veikia dviejų skirtingų metalų, esančių elektrolite, sąveikos pagrindu. Įvairūs cheminiai elementai ir jų junginiai gali tarnauti kaip metalų ir elektrolito poros. Nuo to priklauso elemento tipas ir savybės.
SVARBU! Galvaniniai elementai naudojami tik vieną kartą, t.y. Iškrovus jų negalima atkurti.
Yra 3 tipų galvaniniai šaltiniai (arba akumuliatoriai):
- Druska;
- Šarminis;
- Ličio.
Druskos arba kitaip „sausos“ baterijose naudojamas pastos pavidalo elektrolitas iš metalo druskos, dedamas į cinko puodelį. Katodas yra grafito-mangano strypas, esantis puodelio centre. Pigios medžiagos ir paprastas tokių baterijų gamyba padarė jas pigiausias iš visų. Tačiau pagal charakteristikas jie gerokai prastesni už šarminius ir ličio.
Šarminėse baterijose kaip elektrolitas naudojamas pastos pavidalo šarmo, kalio hidroksido tirpalas. Cinko anodas buvo pakeistas milteliniu cinku, kuris leido padidinti elemento srovę ir veikimo laiką. Šie elementai tarnauja 1,5 karto ilgiau nei druskos.
Ličio elemente anodas pagamintas iš ličio, šarminio metalo, kuris labai padidino veikimo trukmę. Tačiau tuo pat metu kaina padidėjo dėl santykinai didelių ličio kainų. Be to, ličio baterija gali turėti skirtingą įtampą, priklausomai nuo katodo medžiagos.Jie gamina baterijas, kurių įtampa yra nuo 1,5 V iki 3,7 V.
Baterijos yra elektros srovės šaltiniai, kurie gali būti atliekami daugybe įkrovimo-iškrovimo ciklų. Pagrindiniai baterijų tipai yra šie:
- Švino rūgštis;
- ličio jonų;
- Nikelis-kadmis.
Švino rūgšties akumuliatoriai susideda iš švino plokščių, panardintų į sieros rūgšties tirpalą. Uždarius išorinę elektros grandinę, įvyksta cheminė reakcija, kurios metu prie katodo ir anodo švinas virsta švino sulfatu, taip pat susidaro vanduo. Įkrovimo metu švino sulfatas prie anodo redukuojamas į šviną, o prie katodo - į švino dioksidą.
NUORODA! Vienas švino-cinko akumuliatoriaus elementas sukuria 2 V įtampą. Sujungus elementus nuosekliai, galima gauti bet kokią įtampą, kuri yra kartotinė iš 2. Pavyzdžiui, automobilių akumuliatoriuose įtampa yra 12 V, nes. sujungti 6 elementai.
Ličio jonų akumuliatorius gavo savo pavadinimą dėl to, kad ličio jonai yra elektros nešiklis elektrolite. Jonai kilę iš katodo, kuris pagamintas iš ličio druskos ant aliuminio folijos pagrindo. Anodas pagamintas iš įvairių medžiagų: grafito, kobalto oksidų ir kitų junginių ant vario folijos pagrindo.
Įtampa, priklausomai nuo naudojamų komponentų, gali būti nuo 3 V iki 4,2 V. Dėl mažo savaiminio išsikrovimo ir didelio įkrovimo-iškrovimo ciklų skaičiaus ličio jonų akumuliatoriai labai išpopuliarėjo buitinėje technikoje.
SVARBU! Ličio jonų akumuliatoriai yra labai jautrūs perkrovimui.Todėl norint juos įkrauti reikia naudoti tik jiems skirtus įkroviklius, kuriuose yra įmontuotos specialios grandinės, neleidžiančios perkrauti. Priešingu atveju akumuliatorius gali sugesti ir užsidegti.
Nikelio-kadmio baterijose katodas yra pagamintas iš nikelio druskos ant plieno tinklelio, anodas pagamintas iš kadmio druskos ant plieno tinklelio, o elektrolitas yra ličio hidroksido ir kalio hidroksido mišinys. Tokios baterijos vardinė įtampa yra 1,37 V. Jis gali atlaikyti nuo 100 iki 900 įkrovimo-iškrovimo ciklų.
NUORODA! Nikelio-kadmio baterijas, skirtingai nei ličio jonų, galima laikyti išsikrovusias.
Terminiai cheminiai elementai yra atsarginiai energijos šaltiniai. Jie suteikia puikias charakteristikas pagal specifinį srovės tankį, tačiau turi trumpą tarnavimo laiką (iki 1 valandos). Jie daugiausia naudojami raketų technikoje, kur reikalingas patikimumas ir trumpalaikis veikimas.
SVARBU! Iš pradžių šiluminiai cheminiai šaltiniai negali gaminti elektros srovės. Juose elektrolitas yra kietos būsenos, o norint, kad akumuliatorius veiktų, būtina pašildyti iki 500–600 ° C. Tokį šildymą atlieka specialus pirotechninis mišinys, kuris reikiamu metu užsidega.
Skirtumas tarp tikrojo šaltinio ir idealaus
Idealus šaltinis, pagal fizikos dėsnius, turi turėti begalinę vidinę varžą, kad apkrovoje būtų užtikrinta pastovi elektros srovė. Tikrieji šaltiniai turi baigtinę vidinę varžą, o tai reiškia, kad srovė priklauso ir nuo išorinės apkrovos, ir nuo vidinės varžos.
Čia pateikiama trumpa šiuolaikinių elektros srovės šaltinių įvairovės santrauka. Kaip matyti iš apžvalgos, iki šiol buvo sukurta įspūdinga daugybė šaltinių, kurių charakteristikos tinka bet kokiai programai.
Panašūs straipsniai:
