Урок 5. Источники питания электрических схем

И снова здравствуйте! Сегодня мы быстрым, но уверенным шагом пробежимся по основным видам источников сторонних сил, создающих в проводнике так необходимый нам электрический ток, разглядим поближе процессы, в них протекающие, вывернем наружу секреты их работы, отметим их достоинства и недостатки. Кстати, задач сегодня опять не будет, так что ничто не отвлекает нас от изучения. Вперёд!

Начнём, пожалуй с того, что два вида источников питания уже упоминалось в предыдущих уроках: во-первых, это химический источник энергии – аккумулятор и, во-вторых, затронутый в самом-самом начале эффект заряда стеклянной или эбонитовой палочки при трении её о шерсть, мех или шёлк. Итак. Ещё раз напомню, что источником тока в замкнутой цепи является сторонняя сила, разделяющая заряды внутри источника. Поскольку энергия не может взяться из ниоткуда, для получения электрической энергии необходимо преобразовать любой другой вид энергии. В случае с аккумулятором это химическая энергия, в случае с палочкой – сила трения. Стоит отметить, что трение является самым старым способом получения электричества, с его помощью можно создавать напряжения до нескольких десятков тысяч вольт. Ярким примером источника на основе трения является генератор Ван де Граафа, но мы не будем его рассматривать, поскольку трение практически не используется на практике.

Химических источников напряжения (а именно так называют источники, преобразовывающие химическую энергию в электричество) существует очень и очень много. Для начала отметим две большие группы этих источников: источники, которые не могут быть перезаряжены, – первичные элементы, и источники, которые могут быть перезаряжены и использованы многократно, – вторичные элементы. Вторичные элементы это известные нам аккумуляторы в автомобиле, сотовом телефоне, ноутбуке и т.п. К первичным элементам относятся щелочные и гальванические батареи, так же широко применяемые в мобильных и автономных устройствах. Начнём рассмотрение химических источников с первичного элемента названного по имени его изобретателя Ж. Лекланше Элемент Лекланше является самым известным первичным элементом (батарея одноразового использования, «пальчиковая» батарейка типа АА), который сегодня широко используется в радио, часах, фонариках и т.д. Также элемент Лекланше называют «сухим элементом».

В качестве электродов в сухом элементе выступают цинковый стакан и угольный стержень. Поэтому сухой элемент называют еще угольно-цинковым или солевым элементом. Цинк выступает в роли анода, уголь – в роли катода. Угольный стержень окружен смесью диоксида марганца (MnO2) и угля (сажи). В качестве электролита выступает раствор хлорида аммония (NH4Cl) с небольшой добавкой хлорида цинка (ZnCl2) сгущенный крахмалом и мукой. Сухой элемент герметичен, воздухонепроницаем. При потреблении тока электроны поступают (через внешнюю электрическую цепь) с цинкового анода на угольный стержень.
электроника сухой элемент

Рисунок 5.1 – «Сухой элемент»

Происходят следующие реакции:
Анод: Zn → Zn2+ + 2e
На угольном стержне, катоде, электроны расходуются на восстановление H3O+-ионов:
2H3O+ + 2e → H2 + 2H2O

При восстановлении H3O+-ионов образуется водород, который не может удалиться (корпус герметичен) и образует вокруг угольного стержня прослойку газа (поляризация угольного электрода). Ток медленно затухает. Чтобы избежать образования водорода, угольный электрод окружают слоем диоксида марганца (MnO2). Из-за присутствия диоксида марганца происходит восстановление H3O+-ионов до воды и поляризация электрода исключается. Во время разрядки цинковый стакан частично растворяется. Во избежание вытекания электролита или продуктов реакции цинковый стакан имеет запас по толщине или окружён железной защитной оболочкой. К достоинству данного элемента можно отнести относительно большое напряжение – до 1.8В и дешевизну по сравнению с другими химическими источниками. А вот недостатков у «сухого элемента» более чем достаточно: невысокие срок хранения (не более двух лет), отсутствие возможности зарядки (это всё-таки одноразовый элемент – отработал, выбросили), кроме того, к недостаткам можно смело отнести невысокую плотность энергии на единицу массы, но об этом мы говорим попозже, когда будем рассматривать вопросы работы и мощности электрического тока.

Кроме элемента Лекланше существует еще несколько разновидностей первичных источников, основанных на том же принципе работы – взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента (а их называют еще и так!) зависит от материала электродов и состава электролита. Строение и принцип остаются теми же, меняются только материалы, поэтому не будем рассматривать их подробно, просто приведём сравнительную таблицу с указанием достоинств и недостатков.

Таблица 5.1 – Сравнение первичных химических источников энергии

таблица сравнения первичных источников энергии

Так же мы не будем останавливаться на подробном рассмотрении вторичных химических источников (аккумуляторов). Оговорим лишь тот факт, что принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, называют аккумуляторной батареей. Как и в случае с первичными источниками рассмотрим основные характеристики и область применения различных типов аккумуляторов.

Таблица 5.2 – Сравнение вторичных химических источников энергии

таблица вторичных источников питания электрических схем

Ну вот, с химическими источниками мы закончили. Теперь стоит более подробно остановиться на преобразователях (а источники электричества – преобразователи одного вида энергии в другой!) тепловой энергии в электрическую. Эффект преобразования тепла в ток носит название термоэлектрического эффекта или эффекта Зеебека. Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой. Суть этого эффекта в следующем: если вдоль проводника существует градиент температур (то есть температура конкретной точки проводника зависит от координаты), то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие. А так как процесс нагрева происходит непрерывно, мы получаем непотенциальную силу, способную разделять заряды на концах термопары.
Термопара электротехника схема

Рисунок 5.2 – Термопара

Термопара характеризуется значением коэффициента термоЭДС – единицы, которая в определённом диапазоне температур показывает, насколько изменится ЭДС термопары при изменении разности температур концов на 1oС. Например, существуют такие виды термопар:

  • Хромель (сплав хрома, никеля и марганца) – алюмель (сплав алюминия, никеля и марганца): коэффициент термоЭДС – 40мкВ/oС при ΔT 0-1300oC;
  • Медь–константан (сплав меди, никеля и марганца): коэффициент термоЭДС – 50мкВ/oС при ΔT 0-400oC;
  • вольфрамрениевые: коэффициент термоЭДС – 10мкВ/oС при ΔT 1300-2500oC;
  • платинородий (сплав платины и родия) – платиновые: коэффициент термоЭДС – 12мкВ/oС при ΔT 600-1600oC;

Поскольку ЭДС термопар сравнительно невелико, их не используют в качестве источников напряжения. Основная область применения термопар – измерение температуры, так как ЭДС очень зависима от разности температур концов.
Основными достоинствами термопар можно считать высокую точность измерений (до десятых долей градуса), большой температурный диапазон (от -200 до +2500оС), простоту в изготовлении и эксплуатации, дешевизну и надежность. Однако они имеют и некоторые недостатки: влияние температуры свободных концов на измерение температуры спая, протекание тока через спай в момент измерения приводит к охлаждению горячего спая, зависимость ЭДС от температуры не является линейной.

Эффект, обратный преобразованию тепла в электричество, называется эффектом Пельтье. Суть эффекта Пельте в том, что выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока. На этом эффекте основан элемент Пельте – термоэлектрический охладитель. Такие охладители, например, не так давно применялись в системах охлаждения центральных процессоров, показывая довольно хорошие результаты, причем охлаждение могло быть полностью пассивным – без использования вентилятора. Однако из-за низкого коэффициента полезного действия и больших габаритов постепенно элементы Пельте были вытеснены активными системами охлаждения на основе радиатора и вентилятора.

Так же в последнее время популярными является способ преобразования энергии Солнца в электрический ток. Эффект такого преобразования называется фотовольтаическим эффектом. Он основан на том, что свет, который является потоком частиц – фотонов, может сообщать энергию электронам, входящим в состав материала, тем самым высвобождая их от влияния атомных связей. В случае если энергии, сообщенной светом, хватает для того, чтобы разорвать эти связи, электроны приобретают направленное движение, в результате чего изменяется их количество в различных частях материала, что и вызывает появления фото-эдс. Значение этой ЭДС довольно невелико, поэтому для получения больших напряжений необходимо использовать большое количество фотоэлементов. Кроме того, в отличие от термоэлектрического эффекта, фото-эдс возникает лучше всего в полупроводниках и диэлектриках. Фотоэлементы используются для источников питания спутников, космических станций, так же их можно встретить, например, в калькуляторах. Из-за высокой стоимости и чрезвычайно грязного цикла производства применение фотоэлементов очень ограничено.
питание калькулятора  фотоэлемент

Рисунок 5.3 – Фотоэлемент калькулятора

Последним из рассматриваемых сегодня способов преобразования сторонних сил в электричество является пьезоэлектрический эффект. Это преобразование давления в электрический ток. Пьезоэлектрический эффект справедлив для кристаллических веществ: кварц, турмалин и титанат бария. До приложения давления заряд равномерно распределён по всему объему вещества и ЭДС не возникает. После того, как материал будет подвержен деформации, внутри материала происходит поляризация, которая сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е1, направленное против внешнего поля с напряженностью Е0. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е01. После снятия давления, заряды в материале вновь распределяются равномерно по всему объёму ЭДС исчезает вместе с исчезновение напряженности поля Е. Пьезоэлектрический эффект используется в пьезозажигалках, для получения высокого напряжения на разряднике и поджога газа, в датчиках в качестве чувствительного к силе элемента (чем больше сила, тем выше напряжение на контактах), например, в силоизмерительных датчиках и датчиках давления жидкостей и газов, в качестве чувствительного элемента в микрофонах, гидрофонах, приемных элементов сонаров и т.д.

Хочется заметить, что мы не рассмотрели преобразование механической энергии в электрическую, которая происходит в электрических машинах: двигателях и генераторах, поскольку этот вопрос требует более детального рассмотрения и он обязательно будет освещён. А на этом я говорю вам «Всего доброго! До скорого!»

Урок 4: Когда есть ток? | Содержание | Урок 6: Работа и мощность тока