Elektros srovės šaltinis - tai prietaisas, kuris uždaroje grandinėje generuoja elektros srovę. Iki šiol išrasta daugybė šaltinių. Kiekvienas tipas naudojamas tam tikram tikslui.
Turinys .
Elektros srovės šaltinių tipai
Skiriami šie elektros srovės šaltinių tipai:
- mechaninis;
- šilumos;
- šviesa;
- cheminės medžiagos.
Mechaniniai šaltiniai
Šie šaltiniai mechaninę energiją paverčia elektros energija. Konversija vyksta specialiuose įrenginiuose - generatoriuose. Pagrindiniai generatoriai yra turbogeneratoriai, kuriuose elektros mašiną suka dujų arba garo srovė, ir hidrogeneratoriai, kuriuose krintančio vandens energija paverčiama elektros energija. Didžiąją dalį elektros energijos Žemėje pagamina mechaniniai keitikliai.
Šilumos šaltiniai
Čia šiluminė energija paverčiama elektros energija. Elektros srovė susidaro dėl temperatūrų skirtumo tarp dviejų besiliečiančių metalų arba puslaidininkių porų - termoelementų. Šiuo atveju įkrautos dalelės pernešamos iš įkaitusios sekcijos į šaltąją. Srovės dydis tiesiogiai priklauso nuo temperatūrų skirtumo: kuo didesnis skirtumas, tuo didesnė elektros srovė. Puslaidininkių termoelementų pagrindu pagamintos termoelementų poros duoda 1000 kartų didesnes šilumines emfazes nei bimetalinės termoelementų poros, todėl jas galima naudoti srovės šaltiniams gaminti. Metalinės termoporos naudojamos tik temperatūrai matuoti.
PATARIMAS! Norint pagaminti termoporą, reikia sujungti 2 skirtingus metalus.
Šiuo metu naujų elementų kūrimas pagrįstas šilumos, susidarančios dėl natūralaus radioaktyviųjų izotopų skilimo, konversija. Tokie elementai vadinami radioizotopiniais termoelektriniais generatoriais. Kosminiuose laivuose buvo naudojamas gerai patikrintas generatorius, kuriame naudojamas plutonio-238 izotopas. Jo galia, esant 30 V įtampai, yra 470 W. Kadangi šio izotopo pusėjimo trukmė yra 87,7 metų, generatoriaus gyvavimo laikas yra labai ilgas. Bimetalinė termopora yra šilumos ir elektros srovės keitiklis.
Šviesos šaltiniai
XX a. pabaigoje, tobulėjant puslaidininkių fizikai, atsirado naujų srovės šaltinių - saulės elementų, kuriuose šviesos energija paverčiama elektros energija. Juose panaudojama puslaidininkių savybė gaminti įtampą veikiant šviesai. Šis poveikis ypač būdingas silicio puslaidininkiams. Tačiau tokių elementų efektyvumas neviršija 15 %. Saulės baterijos tapo nepakeičiamos kosmoso pramonėje ir pradėtos naudoti kasdieniame gyvenime. Tokių energijos šaltinių kaina nuolat mažėja, tačiau išlieka gana didelė: apie 100 rublių už 1 vatą galios.
Cheminiai maitinimo šaltiniai
Visus cheminius energijos šaltinius galima suskirstyti į tris grupes:
- Galvaninis
- Baterijos
- Terminis
Galvaniniai elementai veikia dėl dviejų skirtingų metalų, esančių elektrolite, sąveikos. Metalo ir elektrolito poros gali būti skirtingi cheminiai elementai ir jų junginiai. Nuo to priklauso elemento tipas ir savybės.
SVARBU! Galvaniniai elementai naudojami tik vieną kartą, t. y. kartą išsikrovę jie negali būti atkurti.
Yra 3 galvaninių elementų (arba baterijų) tipai:
- Druskos tirpalas;
- Šarminis;
- Ličio.
Druskos arba "sausosiose" baterijose naudojamas į pastą panašus elektrolitas, pagamintas iš tam tikro metalo druskos ir įdėtas į cinko taurę. Katodas - tai mangano grafito strypas, kuris dedamas į stiklinės vidurį. Dėl pigių medžiagų ir paprastos gamybos šie akumuliatoriai buvo pigiausi iš visų. Tačiau jos akivaizdžiai prastesnės už šarmines ir ličio baterijas.
Šarminėse baterijose kaip elektrolitas naudojamas pastos pavidalo šarminis kalio hidroksido tirpalas. Cinko anodas buvo pakeistas cinko milteliais, todėl padidėjo elemento išėjimo srovė ir veikimo laikas. Šios ląstelės veikia iki 1,5 karto ilgiau nei druskos ląstelės.
Ličio elemento anodas pagamintas iš ličio, šarminio metalo, todėl gerokai pailgėjo veikimo laikas. Tačiau tuo pat metu kaina padidėjo dėl santykinai didelių ličio sąnaudų. Be to, priklausomai nuo katodo medžiagos, ličio akumuliatorių įtampa gali būti skirtinga. Galima įsigyti nuo 1,5 V iki 3,7 V įtampos akumuliatorių.
Akumuliatoriai yra elektros srovės šaltiniai, kuriuos galima įkrauti ir iškrauti daug kartų. Pagrindiniai akumuliatorių tipai:
- Švino rūgštis;
- Ličio jonų;
- Nikelio-kadmio.
Švino rūgštinius akumuliatorius sudaro švino plokštės, panardintos į sieros rūgšties tirpalą. Uždarius išorinę elektros grandinę, vyksta cheminė reakcija, kurios metu katode ir anode švinas virsta švino sulfatu ir susidaro vanduo. Įkrovimo metu anode švino sulfatas redukuojamas į šviną ir švino dioksidą katode.
ATGAL Į PRAEITĮ! Vieno švino-cinko akumuliatoriaus elemento įtampa yra 2 V. Jungiant elementus nuosekliai, galima gauti bet kokią įtampą, padaugintą iš 2. Pavyzdžiui, automobilių akumuliatorių įtampa yra 12 V, nes sujungti 6 elementai.
Ličio jonų akumuliatoriaus pavadinimas kilęs iš to, kad elektrolite elektros energijos nešėjai yra ličio jonai. Jonus sukuria katodas, pagamintas iš ličio druskos ant aliuminio folijos pagrindo. Anodas gaminamas iš įvairių medžiagų: grafito, kobalto oksidų ir kitų junginių ant vario folijos pagrindo.
Įtampa gali būti nuo 3 V iki 4,2 V, priklausomai nuo naudojamų komponentų. Dėl mažo savaiminio išsikrovimo ir didelio įkrovimo-iškrovimo ciklų skaičiaus ličio jonų baterijos tapo labai populiarios buitiniuose prietaisuose.
SVARBU! Ličio jonų akumuliatoriai yra labai jautrūs perkrovimui. Todėl juos įkraukite tik jiems skirtais įkrovikliais, kurie turi specialias grandines, apsaugančias nuo per didelės įkrovos. Priešingu atveju akumuliatorius gali suirti ir užsidegti.
Nikelio-kadmio akumuliatorių katodas pagamintas iš nikelio druskos ant plieninio tinklelio, anodas - iš kadmio druskos ant plieninio tinklelio, o elektrolitas yra ličio hidroksido ir kalio hidroksido mišinys. Tokio akumuliatoriaus vardinė įtampa yra 1,37 V. Akumuliatorių galima įkrauti ir iškrauti nuo 100 iki 900 ciklų.
PATARIMAS! Skirtingai nei ličio jonų akumuliatorius, Ni-Cd akumuliatorius galima laikyti iškrautus.
Šiluminiai cheminiai elementai naudojami kaip atsarginiai energijos šaltiniai. Jie pasižymi puikiomis srovės tankio charakteristikomis, tačiau jų veikimo laikas trumpas (iki 1 valandos). Jie daugiausia naudojami raketų technologijose, kur reikalingas patikimumas ir trumpas tarnavimo laikas.
SVARBU! Iš pradžių šiluminiai cheminiai šaltiniai negali tiekti elektros srovės. Juose yra kietos būsenos elektrolito, kuris turi būti įkaitintas iki 500-600 °C, kad veiktų. Toks kaitinimas pasiekiamas specialiu pirotechniniu mišiniu, kuris uždegamas reikiamu momentu.
Skirtumas tarp tikrojo ir idealiojo šaltinio
Pagal fizikos dėsnius idealus šaltinis turi turėti begalinę vidinę varžą, kad būtų užtikrintas elektros srovės pastovumas apkrovoje. Tikrieji šaltiniai turi baigtinę vidinę varžą, o tai reiškia, kad srovė priklauso ir nuo išorinės apkrovos, ir nuo vidinės varžos.
Trumpai tariant, tai viskas, ką galima pasakyti apie šiandien turimų dabartinių šaltinių įvairovę. Kaip matyti iš apžvalgos, šiandien sukurta daugybė šaltinių, kurių charakteristikos tinka bet kokiam taikymui.
Susiję straipsniai:
