Источники тока

Источники тока, устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую. По виду преобразуемой энергии И. т. условно можно разделить на химические и физические. Сведения о первых химических И. т. (гальванических элементах и аккумуляторах) относятся к 19 в. (например, батарея Вольта, элемент Лекланше). Однако вплоть до 40-х гг. 20 в. в мире было разработано и реализовано в конструкциях не более 5 типов гальванических пар. С середины 40-х гг. вследствие развития радиоэлектроники и широкого использования автономных И. т. создано ещё около 25 типов гальванических пар. Теоретически в И. т. может быть реализована свободная энергия химических реакции практически любого окислителя и восстановителя, а следовательно, возможна реализация несколько тысяч гальванических пар. Принципы работы большинства физических И. т. были известны уже в 19 в. В дальнейшем вследствие быстрого развития и совершенствованиятурбогенераторы и гидрогенераторы стали основными промышленными источниками электроэнергии. Физические И. т., основанные на других принципах, получили промышленное развитие лишь в 50—60-х гг. 20 в., что обусловлено возросшими и достаточно специфическими требованиями современной техники. В 60-х гг. технически развитые страны уже имели промышленные образцы термогенераторов, термоэмиссионных генераторов (СССР, ФРГ, США), атомных батарей

Химическими источниками тока принято называть устройства, вырабатывающие электрический ток за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций химических реагентов. В соответствии с эксплуатационной схемой и способностью отдавать энергию в электрическую сеть химические И. т. подразделяются на первичные, вторичные и резервные, а также электрохимические генераторы.

Физическими источниками тока называют устройства, преобразующие тепловую, механическую, электромагнитную энергию, а также энергию радиационного излучения и ядерного распада в электрическую. В соответствии с наиболее часто употребляемой классификацией к физическим И. т. относят: электромашинные генераторы, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, МГД-генераторы, а также генераторы, преобразующие энергию солнечного излучения и атомного распада

Для поддержания электрического тока в проводнике необходим какой-то внешний источник энергии, который все время поддерживал бы разность потенциалов на концах этого проводника.
Такими источниками энергии служат так называемые источники электрического тока, обладающие определенной электродвижущей силой, которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов на концах проводника.

Численно электродвижущая сила измеряется работой, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного положительного заряда по всей замкнутой цепи.

Если источник энергии, совершая работу A, обеспечивает перенос по всей замкнутой цепи заряда q, то его электродвижущая сила (Е) будет равна

Внутреннее сопротивление источника тока - количественная характеристика источника тока, которая определяет величину энергетических потерь при прохождении через источник электрического тока.
Внутреннее сопротивление имеет размерность сопротивления и измеряется в Омах.
При прохождении электрического тока через источник происходят те же процессы диссипации энергии, и при прохождении через сопротивление нагрузки. Благодаря этим процессам напряжение на клеммах источника тока не равна электродвижущей силе, а зависит от величины тока, а, следовательно, от нагрузки. При небольших значениях силы тока эта зависимость линейная и ее можно представить в виде

,

8) Мощность и КПД источника равен отношению напряжения во внешней цепи к величине ЭДС. Электри́ческая мо́щность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Полезная мощность изменяется в зависимости от внешнего сопротивления более сложным образом. Действительно, Pполезн=0 при крайних значениях внешнего сопротивления: при R=0 и R®¥. Таким образом, максимум полезной мощности должен приходиться на промежуточные значения внешнего сопротивления.

9) Хими́ческий исто́чник то́ка (аббр. ХИТ) — источник ЭДС, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

Принцип действия: Основу химических источников тока составляют два электрода (отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель, и положительно заряженный катод, содержащий окислитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на отрицательном аноде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к положительному катоду, создавая разрядный ток, где они участвуют в реакции восстановления окислителя. Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному. Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

В современных химических источниках тока используются:

· в качестве восстановителя (материал анода) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;

· в качестве окислителя (материал катода) — оксид свинца(IV) PbO₂, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO₂ и другие;

· в качестве электролита — растворы щелочей, кислот^[2] или солей.

2) Широкое распространение получили марганцово – цинковые (МЦ) сухие элементы с деполяризатором из диоксида марганца.
Сухой элемент стаканчикового типа (рис. 3) имеет цинковый сосуд прямоугольной или цилиндрической формы, являющийся отрицательным электродом. Внутри него помещён положительный электрод в виде угольной
палочки или пластинки, которая находится в мешке, наполненном смесью диоксида марганца с порошком угля или графита. Уголь или графит добавляют для уменьшения сопротивления. Угольный стержень и мешок с деполяризующей массой называют агломератом. В качестве электролита используется паста, составленная из нашатыря (NH4Cl), крахмала и некоторых других веществ. У стаканчиковых элементов центральный вывод является положительным полюсом.

Кислотные свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди вторичных химических источников тока, обладая сравнительно высокой мощностью в сочетании с надежностью и относительно низкой стоимостью. Эти аккумуляторы находят разнообразное практическое применение. Своей популярностью и широким маштабом производства они обязаны стартерным батареям, предназначенным для различных средств передвижения и прежде всего автомобилей. В этой области их монопольное положение устойчиво и сохраняется долгое время. На базе свинцовых аккумуляторов комплектуется подавляющее большинство стационарных и значительная часть вагонных батарей. Успешно конкурируют с щелочными тяговые свинцовые аккумуляторы.

ле́зо-ни́келевый аккумуля́тор — это вторичный химический источник тока, в котором железо — анод, электролитом является водный раствор гидроксида натрияили калия (с добавками гидроксида лития), катод — гидрат окиси никеля(III).

Активный материал содержится в никелированных стальных трубках или перфорированных карманах. С точки зрения стоимости и удельной энергоемкости, они близки к литий-ионным аккумуляторам, а с точки зрения саморазряда, эффективности и напряжения — к NiMH аккумуляторам. Это достаточно выносливые аккумуляторы, стойкие к грубому обращению (перезаряд, глубокий разряд, короткое замыкание и термические удары) и имеющие очень длинный срок службы.

Их использование стало снижаться с момента остановки производства из-за пожара на заводе/лаборатории Эдисона в 1914 году^[1], по причине плохих показателей работы батарей при низких температурах, плохого удержания заряда и выфсокой стоимости производства, сравнимой с лучшими герметизированными свинцово-кислотными аккумуляторами и до 1/2 стоимости NiMH аккумуляторов. Однако в связи с ростом стоимости свинца в последние годы, из-за чего цена свинцовых аккумуляторов значительно поднялась, цены практически сравнялись.

При сравнении аккумуляторов со свинцово-кислотными следует помнить, что допустимый эксплуатационный разряд свинцово-кислотного аккумулятора в разы меньше, чем теоретическая полная ёмкость, а железоникелевого — очень близок к ней. Поэтому реальная эксплуатационная ёмкость железоникелевого аккумулятора, при равной теоретической полной ёмкости, может быть в разы (в зависимости от режима) больше, чем у свинцово-кислотного.

10) Электротехнические генераторы постоянного и переменного тока.

Машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами.
Простейший генератор постоянного тока (рис. 1) представляет собой помещенную между полюсами магнита рамку из проводника, концы которого присоединены к изолированным полукольцам, называемым пластинами коллектора. К полукольцам (коллектору) прижимаются положительная и отрицательная щетки, которые замыкаются внешней цепью через электрическую лампочку. Для работы генератора рамку проводника с коллектором необходимо вращать. В соответствии с правилом правой руки при вращении рамки проводника с коллектором в ней будет индуктироваться электрический ток, изменяющий свое направление через каждые пол-оборота, так как магнитные силовые линии каждой стороной рамки будут пересекаться то о одном, то в другом направлении. Вместе с этим через каждые пол-оборота изменяется контакт концов проводника рамки и полуколец коллектора со щетками генератора. Во внешнюю цепь ток будет идти в одном направлении, изменяясь только по величине от 0 до максимума. Таким образом, коллектор в генераторе служит для выпрямления переменного тока, вырабатываемого рамкой. Для того чтобы электрический ток был постоянным не только по направлению, но и по величине, (по величине — приблизительно постоянным), коллектор делают из многих (36 и более) пластин, а проводник представляет собой много рамок или секций, выполненных в виде обмотки якоря.

Рис. 1. Схема простейшего генератора постоянного тока: 1 — полукольцо или коллекторная пластина; I — рама проводника; 3 — щетка генератора

Принципиальное устройство простейшего генератора переменного тока показано на рис. 4. В этом генераторе концы рамки проводника присоединяются каждый к своему кольцу, а к кольцам прижимаются щетки генератора. Щетки замыкаются внешней цепью через электрическую лампочку. При вращении рамки с кольцами в магнитном поле генератор даст переменный ток, изменяющий через каждые пол-оборота величину и направление. Такой переменный ток называется однофазным. В технике применяются генераторы трех-

Рис. 2. Схема простейшего генератора переменного тока:

1 — полюс электромагнита; 2 — катушка возбуждения; 3 — контактное кольцо; 4 — щетка генератора; S — внешняя цепь; 6 — рамка проводника; 7 — источник постоянного тока

фазного тока, которые по ряду причин являются наиболее удобными для использования. Простейший трехфазный генератор имеет три рамки (обмотки) проводов, сдвинутых относительно друг друга по окружности вращения на 120 °. Трехфазный ток изменяет свою величину и направление через каждые 120° оборота. Время на совершение одного колебания называется периодом, а число периодов в секунду — частотой переменного электрического тока.