Какие существуют виды источников электрического тока?

Похожие курсы

31 августа — 31 декабря 2020 г.

Старт через 13 дней

17 февраля — 30 июня 2020 г.

Завершён

3 сентября — 31 декабря 2019 г.

Завершён

11 марта — 31 мая 2019 г.

Завершён

3 сентября — 31 декабря 2018 г.

Завершён

5 марта — 30 июня 2018 г.

Завершён

18 сентября — 18 декабря 2017 г.

Завершён

6 марта — 22 мая 2017 г.

Завершён

Продвинутые графы

МФТИ

31 августа — 31 декабря 2020 г.

Старт через 13 дней

17 февраля — 15 июля 2020 г.

Завершён

3 сентября — 31 декабря 2019 г.

Завершён

11 марта — 30 июня 2019 г.

Завершён

3 сентября 2018 — 31 января 2019 г.

Завершён

5 марта — 30 июня 2018 г.

Завершён

18 сентября 2017 — 5 февраля 2018 г.

Завершён

13 февраля — 29 мая 2017 г.

Завершён

5 сентября — 25 декабря 2016 г.

Завершён

7 марта — 21 июня 2016 г.

Завершён

Основы комбинаторики

МФТИ

[править] Применение

Постоянный ток имеет много применений — от подзарядки аккумуляторов до крупных источников питания для электронных систем, электродвигателей и тому подобное.

Постоянный ток широко используется в технике: питание подавляющего большинства электронных схем, в автомобилях, троллейбусах, электровозах, в некоторых типах подъемных кранов, в ручном переносном инструменте на аккумуляторах и т. д.

Постоянный ток низкого напряжения используется в электрометаллургии для расплава и электролиза руд, в первую очередь алюминиевых.

Высоковольтный постоянный ток используется для передачи большого количества электроэнергии от удаленных объектов генерации или для соединения электрических сетей переменного тока.

Что такое источники тока

Источники тока – это элементы электрической цепи, который поддерживают энергию с заданными параметрами. При этом, энергоснабжение цепи не зависит от характеристик элементов, входящих в её состав, в частности, сопротивления.

Прибор для выработки тока

Различают идеальные и реальные устройства для выработки тока:

• Идеальные определяются только благодаря гипотезам и теоретическим выкладкам. Так, учёные нередко определяют ряд условий, при которых ток имеет максимальные значения, приближенные к идеалу. То есть, осуществляется имитация идеального источника.
• Реальные условия поддерживают заданные параметры выходного тока и напряжения. Любой прибор обеспечивает свою работу, при условии, что это позволяют сделать его технические характеристики.

Важно! Таким образом, максимальное значение тока и напряжения дают возможность определить, какой именно вариант источника будет использован в цепи – идеальный или реальный

Регулируемые источники

Регулируемый источник состоит из таких компонентов:

• понижающий трансформатор;
• выпрямитель;
• сглаживающий фильтр (устраняет пульсации);
• стабилизатор постоянного напряжения.

Стабилизатор постоянного напряжения — интегральная микросхема, поддерживающая выходное напряжение на одном уровне, независимо от его колебаний на входе.

Колебаний обусловленных перепадами напряжения в электросети, изменением тока нагрузки или температуры. Блоки с такими стабилизаторами называют регулируемыми.

Сегодня распространены импульсные блоки питания, они состоят из таких компонентов:

• входной выпрямитель;
• инвертор;
• понижающий высокочастотный трансформатор;
• выходной выпрямитель.

Инвертор превращает предварительно выпрямленный ток снова в переменный, но при этом значительно повышает его частоту — до 10-15 кГц. При такой частоте, габариты трансформатора и потери в нем значительно сокращаются. Инвертор состоит из ключевых транзисторов, управляемых микросхемой.

Этот же принцип реализован в сварочных инверторах, чем и объясняется их компактность.

Существует множество микросхем-стабилизаторов с разными свойствами. К примеру, микросхема LM317 рассчитана на ток до 1,5 А и позволяет регулировать напряжение на выходе. Более мощный стабилизатор — микросхема LM350.  

Вторичный химический источник — ток

Вторичные химические источники тока допускают многократное их использование — аккумуляторы. Анод аккумулятора при разрядке служит катодом при зарядке. Наиболее распространены свинцовый ( кислотный) и железо-никелевый ( щелочной) аккумуляторы.
 

Вторичные химические источники тока, действие которых основано на использовании обратимых электрохимических систем. Под обратимыми электрохимическими системами понимают такие, в которых вещества, образовавшиеся в процессе разряда, могут быть превращены в первоначальные активные вещества.
 

Вторичные химические источники тока допускают многократное их использование — это аккумуляторы. Анод аккумулятора при разрядке служит катодом при зарядке.
 

Распространяется на первичные и вторичные химические источники тока. Устанавливает требования безопасности к конструкции источников тока.
 

Противоэлемент — это вторичный химический источник тока, практически не имеющий полезной емкости и используемый для встречного включения в цепь аккумуляторной батареи с целью регулирования ее напряжения.
 

Настоящий стандарт распространяется на первичные и вторичные химические источники тока.
 

Стартерные свинцовые аккумуляторные батареи являются вторичными химическими источниками тока. Заложенные в них активные вещества используются многократно.
 

Свинцовые аккумуляторы пользуются наибольшим спросом среди вторичных химических источников тока. Многообразие их электрических и эксплуатационных параметров в зависимости от назначения обеспечивается прежде всего различием технологии и конструкции электродных пластин. Наибольшее распространение получили стартерные аккумуляторы с пастиро-ванными пластинами, которые изучаются в предлагаемой лабораторной работе.
 

Группу щелочных аккумуляторов с окисно-никелевым электродом составляют вторичные химические источники тока трех систем: никель-железный ( сокращенно HJK), никель-кадмиевый ( сокращенно НК) и никель-цинковый. Последний обладает рядом существенных недостатков и прежде всего — малым сроком службы ( меньше 200 циклов) и большим саморазрядом ( до 90 % за месяц), поэтому в настоящее время его не применяют. Однако высокая удельная энергия никель-цинкового аккумулятора, достигающая 60 Вт — ч / кг, дает основания считать его перспективным в будущем.
 

Кислотные свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди вторичных химических источников тока. Разнообразие их электрических и эксплуатационных параметров в зависимости от назначения обеспечивается прежде всего различием технологии и конструкции электродных пластин.
 

Из сказанного следует, что один и тот же электрод вторичного химического источника тока может являться и анодом и катодом в зависимости от того, подвергается ли источник заряду или разряду. Поэтому, чтобы правильно применять при рассмотрении вторичных ХИТ термины анод и катод, необходимо знать природу процессов, протекающих на данном электроде при заряде и разряде источника тока, учитывая при этом, что процессу окисления отвечает термин анод, а процессу восстановления — термин катод.
 

В отличие от простых ( первичных) гальванических элементов ( см. 8.4) аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока.
 

Пропускание электрического тока через электролитическую ячейку вызывает в ней определенные изменения. Если протекающие электрохимические поцессы обратимы, то можно вновь получить электрическую работу за счет накопленной химической энергии. Такие обратимые элементы называются аккумуляторами, или вторичными химическими источниками тока.
 

Пропускание электрического тока через электролитическую ячейку вызывает в ней определенные изменения. Если протекающие электрохимические процессы обратимы, то можно вновь получить электрическую работу за счет накопленной химической энергии. Такие обратимые элементы называются аккумуляторами, или вторичными химическими источниками тока.
 

Отечественной промышленностью выпускается обширный ассортимент малогабаритных источников питания, которые могут использоваться в переносной аппаратуре. Герметические дисковые кадмиево-никелевые аккумуляторы и батареи типа Д-006; Д-01; Д-02; 7Д — 0.1, применяющиеся в приборах широкого потребления, имеют небольшие габариты и вес, однако ограниченный температурный диапазон ( от 5 до 35 С), при котором техническими условиями гарантируется их работоспособность, недостаточен для полевой аппаратуры. Серебряно-цинковые аккумуляторы по своим характеристикам превосходят все вторичные химические источники тока.
 

Химические источники

Пожалуй, наиболее интересными для потребителя являются химические источники тока. Они характеризуются портативными размерами и работают на принципе прохождения окислительно-восстановительных реакций. Один из выводов принято называть анодом (плюс), а другой катодом (минус). На первом происходит окисление вещества, а на втором восстановлении. Пространство между электродами заполнено электролитом — диссоциатором раствора.

Сегодня производство может предложить несколько видов химических генераторов постоянного тока. Основные из них можно перечислить в таблице:

Тип	Напряжение на выводах, В	Ёмкость, мАч	Градиент температур, °С
Солевый	1,5	1000 — 1100	-20 — 60
Щелочной	1,5	2400 — 2500	-30 — 60
Литий-тионилхлоридный	3,3 — 3,6	2000 — 2100	-55 — 85
Литий-диоксидмарганцевый	3	1500 — 1600	-20 — 85
Литий-диоксидсерный	2,6 — 2,9	800 — 900	-55 — 70

Химические источники имеют ряд характеристик:

1. Напряжение без подключения нагрузки.
2. Ёмкость — величина, зависящая от выработки тока относящейся к единице объёма.
3. Мощность.
4. Ток саморазряда.

Потери ёмкости бывают вызваны не только подключением нагрузки, но и химическими реакциями, происходящим в спокойном состоянии элемента. Из-за небольшой мощности такие источники не используют в качестве тяговых. Для этой цели применяют никель-кадмиевые и никель-железные элементы. В них катод изготавливают из NiOOH, а анод из смеси кадмия с железом. В процессе заряда-разряда электролит в аккумуляторе не испаряется. Протекающую реакцию можно описать так: 2 Ni (OOH) + Cd + 2 Н2О = 2 Ni (OH)2 + Cd (OH)2.

Щелочными аккумуляторами называется устройство работающее на никель-кадмиевых и никель-металгидридных соединениях. В нём используется гидроксид калия. Но самыми популярными остаются свинцовые, в которых серная кислота является электролитом.

В сообщениях на тему об источниках электрического тока часто упоминают так называемую сахарную батарею. Работает она на сахарозе, и при разложении образует одну только воду. Какова её ёмкость неизвестно, так как прототип ещё находится на стадии разработки.

Где применяются

Кажется, что вырабатываемый ток в результате химической энергии имеет минимальные показатели и может применяться только для изготовления обычных батареек в плеер или часы. Но это не так. Электроэнергия, полученная таким образом, используется в таких сферах:

• транспортной;
• космической;
• медицинской;
• в простом быту.

Принцип использования

Благодаря своей конструкции и принципу работы подобные устройства являются универсальными и могут применяться во многих сферах и отраслях.

Обратите внимание! Самой популярной в настоящее время является химическая батарея, которая используется в быту и производствах, подпитывая разнообразные приборы и устройства. Также в повседневной жизни используются аккумуляторы для электроники и автомобилей

Электроэнергия — это жизненно необходимый ресурс для современного человечества. Получить электричество можно благодаря определенным источникам тока, но самыми популярными и удобными являются именно химические. Дополнительно они считаются весьма безопасными в экологическом плане для использования, если правильно их утилизировать.

Принцип работы катушки с магнитом

Протекающий ток через катушку вызывает появление переменного магнитного потока. Он, в свою очередь, оказывает на магниты выталкивающую силу, которая заставляет рамку с двумя разнополярными магнитами крутиться. Таким образом, источники электрической энергии служат узлом для движения авто.

Обратный процесс, когда рамка с магнитом вращается внутри обмоток, за счет кинетической энергии позволяет преобразовывать переменный магнитный поток в ЭДС катушек. Далее в цепи установлены стабилизаторы напряжения, обеспечивающие требуемые показатели питающей сети. По этому принципу вырабатывается электричество в гидроэлектростанциях, теплоэлектростанциях.

ЭДС в цепи появляется и в обычной замкнутой цепи. Она существует до тех пор, пока к проводнику приложена разность потенциалов. Электродвижущая сила нужна для описания характеристики источника энергии. Физическое определение термина звучит так: ЭДС в замкнутой цепи пропорциональна работе сторонних сил, осуществляющих перемещение одиночного положительного заряда через всё тело проводника.

Формула E = I*R — сопротивление учитывается полное, складывающееся из внутреннего сопротивления источника питания и результатов сложения сопротивления питаемого участка цепи.

Основные компоненты

Инвентор электрического тока

Все составные части в цепи участвуют в одном электромагнитном процессе. Условно их разделяют на три группы.

• Первичные источники электрической энергии и сигналов могут преобразовывать энергию неэлектромагнитной природы в электрическую. Например, гальванический элемент, аккумулятор, электромеханический генератор.
• Вторичный тип, как на входе, так и на выходе имеет электрическую энергию. Изменяются только ее параметры – напряжение и ток, их форма, величина и частота. Примером могут быть выпрямители, инверторы, трансформаторы.
• Потребители активной энергии преобразовывают электрический ток в освещение или тепло. Это электротермические устройства, лампы, резисторы, электродвигатели.
• К вспомогательным компонентам относят коммутационные устройства, измерительные приборы, соединительные элементы и провод.

Основой электрической сети является схема. Это графический рисунок, который содержит условные изображения и обозначения элементов и их соединение. Они выполняются согласно ГОСТу 2.721-74 – 2.758-81

Схема простейшей линии включает в себя гальванический элемент. С помощью проводов к нему через выключатель подсоединена лампа накаливания. Для измерения силы тока и напряжения в нее включен вольтметр и амперметр.

Реальный генератор

Главное различие между реальным и идеальным устройством — наличие внутреннего сопротивления. Чем выше данный параметр, тем ближе элемент к улучшенному варианту. Из этого следует, что напряжение и мощность значения конечные, т. е имеют определенный рабочий диапазон. При этом система также обладает ограничением по присоединяемой нагрузке. При решении задач, реальное устройство изображают в качестве идеального, с подключенным в параллель внутренним сопротивлением.

Эксплуатация данного агрегата возможна при холостом ходе (без внешней нагрузки) вследствие того, что имеем замкнутый контур за счет внутреннего сопротивления. Ток на выходе во время такого режима снижается до нулевого значения. При подключении накоротко (режим короткого замыкания) получим максимальную величину, а выходное напряжение опустится до 0.

В качестве примера такого устройства, обратимся к катушке индуктивности. Это положение справедливо в момент размыкания цепи. Так разность потенциалов в таком режиме резко увеличивается по сравнению с предыдущим состоянием. Все дело в ЭДС самоиндукции возникающей в этом элементе. При увеличении напряжения катушка накапливает энергию, при снижении отдает ее в сеть.

Еще одним примером является вторичная обмотка трансформатора тока, которая в нормальных условиях работы всегда должна быть закорочена. В противном случае, если в ней произойдет разрыв, то она станет генератором. Все дело в законе сохранения энергии, так мощность на первичной и вторичной обмотке должна быть одинаковой. Параметры первичной обмотки неизменны, вследствие конструктивных особенностей трансформатора (обмотка имеет один виток). При обрыве во вторичной обмотке, упорядоченного движения заряженных частиц не будет, соответственно напряжение резко возрастет.

Что такое электрические цепи

Электрической цепью называют совокупность устройств, необходимых для прохождения по ним электрического тока Электрическая цепь – это комплекс различных элементов, соединенных между собой. Она предназначена для протекания электрического тока, где происходят переходные процессы. Движение электронов обеспечивается наличием разности потенциалов и может быть описано при помощи таких терминов, как напряжение и сила тока.

Внутренняя цепь обеспечивается подключением напряжения, как источника питания. Остальные элементы образуют внешнюю сеть. Для движения зарядов в источнике питания поля потребуется приложение сторонней силы. Это может быть обмотка генератора, трансформатора или гальванический источник.

Чтобы такая система правильно функционировала, ее контур должен быть замкнутый, иначе ток протекать не будет. Это обязательное условие для согласованной работы всех устройств. Не всякий контур может быть электрической цепью. Например, линии заземления или защиты не являются таковыми, поскольку в обычном режиме по ним не проходит ток. Назвать их электрическими можно по принципу действия. В аварийной ситуации по ним проходит ток, а контур замыкается, уходя в грунт.

Фотоэлектрические источники

Атомы некоторых веществ под действием видимого света способны терять электроны. Например, селен, кремний, оксиды цинка, меди, висмута. На основе этих и, некоторых других веществ создают источники, генерирующие электрический ток под действием (рис. 6) света.

Рис. 6. Некоторые оксиды, а, так же, чистые вещества, при освещении видимым светом могут отдавать электроны

Эти источники используют фотоэлектрический эффект (сокращенно — фотоэффект) (ссылка). В них энергия света преобразуется в электрическую.

Существует два вида фотоэффекта – внутренний, который используется в полупроводниках (ссылка) и внешний, используемый в вакуумных фотоэлементах на основе различных металлов.

Вакуумные фотоэлементы

В вакуумном фотоэлементе свет попадает на пластинку металла и выбивает электроны с ее поверхности. Такую пластинку называют катодом.

Выбитые электроны улавливаются другим электродом. Его называют анодом и обычно выполняют в виде металлической сетки.

Оба электрода находятся в стеклянном баллоне из которого удалили воздух. Дело в том, что молекулы воздуха могли бы помешать движению электронов, вылетевших из пластинки. Чтобы этого не происходило, воздух из баллона откачивают (рис. 7).

Рис. 7. Металлический катод и сетчатый анод в прозрачном стеклянном баллоне образуют вакуумный фотоэлемент

Таким образом, под воздействием света между катодом и анодом в вакууме возникает поток заряженных частиц. Они движутся направлено от катода к аноду. Значит, в фотоэлементе под действием света возникает электрический ток. Так световая энергия переходит в электрическую.

Солнечные батареи

Еще одним источником тока, в котором ток возникает за счет световой энергии, являются, так называемые, солнечные батареи. Их изготавливают из полупроводниковых пластин (рис. 8).

Рис. 8. Полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрическую, поэтому, из них изготавливают солнечные батареи

Падающий свет из полупроводника электроны не выбивает. А вызывает переход электронов в такое состояние, в котором у них появляется дополнительная энергия и они могут свободно передвигаться по полупроводнику, создавая электрический ток.

Идеальный источник тока (генератор)

Для начала рассмотрим абстрактный вариант: сила тока, созданная в этом устройстве, всегда одинаковая. Опираясь на закон Ома, можно легко сделать заключение, что напряжение находится в зависимости лишь от сопротивления подключенной нагрузки. Внутреннее сопротивление такого элемента питания имеет бесконечную величину, поэтому не воздействует на основной параметр. Вследствие того, что сила тока значение постоянное, то на значение мощности теоретического агрегата влияет только сопротивление подключенной нагрузки. В устройстве, при возникновении короткого замыкания, также сохраняется основное свойство источника.

Такой идеальный элемент можно создать лишь в теории, его применяют при моделировании электромагнитных процессов. На практике такой системы достичь невозможно, поэтому рассмотрим материальную вариацию.

Источники тока

Первоисточниками электроэнергии, которые нашли применение на практике, стали гальванические элементы. После усовершенствования они используются и сегодня. Их применяют для энергопитания дистанционных пультов, электронных часов, устройств для детей и различных приборов. С появлением генераторов переменного тока электроэнергия стала использоваться еще интенсивнее. В связи с этим, следует ознакомиться с основными типами источников тока.

Механические источники

В них преобразуется механическая энергия в электричество. Процесс происходит в спецустройствах — генераторах. Главными из них считаются турбогенераторы, где электромашина будет приведена в действие с помощью газового либо парового потока, и гидрогенераторы, которые преобразуют энергию воды в электричество. Основная часть электрической энергии на планете производят непосредственно механические преобразователи.

Механические источники

Тепловые источники

Тут происходит преобразование теплоэнергии в электрическую. Появление электротока обусловливается разницей температурных показателей 2 пар контактирующих металлов. В такой ситуации заряженные частицы перемещаются в сторону холодного участка. Величина электротока будет зависеть непосредственно от температурной разницы: чем она выше, тем сильнее ток. Термопары из полупроводников дают термоэдс выше, чем биметаллические, потому они используются для изготовления источников электротока. Термопары из металла применяют только, чтобы измерять температурные показатели.

Тепловые источники

Световые источники

Когда начала развиваться физика полупроводников, стали появляться новые токоисточники — солнечные аккумуляторы, где световая энергия будет преобразовываться в электрическую. Они используют качество полупроводников выдачи напряжения во время действии на них светопотока. В частности такой эффект заметен в полупроводниках из кремния. Однако коэффициент полезного действия подобных элементов не превысит 15%. Солнечные аккумуляторы нашли свое применение в космической сфере, в бытовой. Стоимость на данные источники энергопитания регулярно уменьшается, однако по-прежнему высока.

Световые источники

Химические источники

Их возможно разделить на несколько групп:

• Гальванические;
• Аккумуляторы;
• Тепловые.

Гальванические функционируют благодаря взаимодействию 2 различных металлов, которые помещены в электролит. В виде пар металлов и электролита выступают различные химэлементы и соединения. Это определяет разновидность и параметры элемента.

Важно! Гальванические элементы применяются лишь 1 раз, когда разрядятся их не удастся восстановить. Дешевизна материалов и простота производства аккумуляторов делает их наиболее дешевыми из доступных. Однако по параметрам они существенно уступят щелочным и литиевым

Однако по параметрам они существенно уступят щелочным и литиевым

Дешевизна материалов и простота производства аккумуляторов делает их наиболее дешевыми из доступных. Однако по параметрам они существенно уступят щелочным и литиевым.

Химические источники

Тепловые выступают в качестве источников резервного энергопитания. Они обладают отличными характеристиками по удельной плотности электротока, однако отличаются непродолжительным сроком эксплуатации (до 60 минут). Используются преимущественно в космической отрасли, где требуются точность и кратковременное функционирование.