Основные химические источники электроэнергии

Отличительные особенности

Из сказанного понимаем следующее:

  1. Физика под источником тока понимает агрегат, формирующий на выходе постоянный параметр. Практика часто предъявляет иные требования. Хотя чаще ток требуется постоянный.
  2. На схемах источник тока обозначают по-другому, нежели источник ЭДС. Круг с двумя галками. Иногда рядом стоит латинская литера I. Сие помогает решать согласно уравнениям Кирхгофа задачи нахождения условий элементов электрической цепи.
  3. Форма закона генерируемого тока определяется нуждами потребителя. Большинство бытовых приборов питается напряжением. Постоянство тока, особая форма не нужны, даже приносят вред. Мясорубка при заклинивании вала костью требует больше энергии. На это настроена регулирующая и защитная электроника.
  4. Мощность, отдаваемая идеальным источником, растет пропорционально активному сопротивлению нагрузки. В реальности видим некий лимит, выше которого параметры начнут отличаться от заданных.

Проще говоря, исторически с точки зрения практики удобнее постоянным поддерживать напряжение, не ток. Термин, рассматриваемый разделом, вызывает много затруднений у людей посторонних, далеких электронике, вполне сведущих в технике. Итак, источник тока – отвечает за поддержание нужной формы тока. Чаще требуется постоянный.

Величина тока послужит целям регулирования. Искрение коллекторного двигателя сопровождается возрастанием нагрузки. Растет потребляемый ток, цепи контроля повышают напряжение на обмотках с целью преодолеть возникший «кризис». Приводит к необходимости контроля величины тока. В мясорубках задачу решает цепь обратной связи, формирующая угол отсечки ключом входного напряжения.

Пытаясь сохранить постоянной разность потенциалов, приборы варьируют потребление тока. В результате запрашиваемая от подстанции мощность меняется, эффект приводит к проседанию вольтажа. Визуально наблюдаем медленным миганием лампочек накала (энергосберегающие несут в цоколе драйвер для поддержания постоянства напряжения). Аналогичным образом устройства показали бы проседание тока при неизменном напряжении.

Химические источники электрического тока

Химические источники тока – это устройства, работа которых обусловлена преобразованием выделяемой при окислительно-восстановительном процессе химической энергии в энергию электрическую.

К преимуществам химических источников тока относится универсальность их применения.

Источником питания многих бытовых устройств, а также приборов, используемых в научных лабораториях или на производстве, являются именно химические источники питания.

Востребованность химических источников тока в обеспечении функционирования аппаратуры связи или портативной электронной аппаратуры заслуживает особого внимания, так как в этом случае они являются незаменимыми.

Основные химические источники электроэнергии

Химические источники электротока

Конструктивно химические источники тока представляют собой два металлических электрода, разделенных электролитом. Электроды изготавливаются из металла, который является проводником электронов (электронная проводимость), а электролит изготавливается из жидкого или твердого вещества, являющегося проводником ионов (ионная проводимость).

Если для питания, какого либо потребителя, требуется высокое напряжение, то электрические аккумуляторы соединяются последовательно. В случае, когда для электропитания требуется большой ток, электрические аккумуляторы соединяются параллельно и носят название аккумуляторной батареи.

Советуем изучить Металлоискатель своими руками

Основные химические источники электроэнергии

Последовательное соединение (согласное включение)

Еобщ = Е1 + Е2 + Е3

Основные химические источники электроэнергии

Смешанное соединение (встречное)

Еобщ = Е1 – Е2 + Е3

Основные химические источники электроэнергии

  • Параллельное соединение источников питания. ( Такое соединение применяется
  • для увеличения тока в цепи. )

Еобщ = Е1 = Е2 = Е3

В зависимости от характера работы различные типы химических источников питания носят название гальванических элементов либо электрических аккумуляторов.

К отличительной особенности химических источников тока, называемых гальваническими элементами, относится возможность одноразового применения, так как их выделяющие электрическую энергию активные вещества подлежат полному распаду в процессе химической реакции. При полном разряде гальванического элемента его дальнейшее применение невозможно.

Особенностью таких химических источников тока, как электрические аккумуляторы, является их многоразовое использование за счет обратимости основных действующих процессов.

Разряженный электрический аккумулятор обладает способностью регенерировать свои дающие электрическую энергию активные вещества за счет процесса пропускания через него постоянного тока, источником которого служит другое устройство.

При заряде электрического аккумулятора постоянный тока другого источника должен протекать в направлении, противоположном разрядному току. Такое условие способствует замене реакции окисления на реакцию восстановления на положительном электроде, и наоборот, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется на реакцию восстановления.

К химическим источникам тока предъявляется ряд общих и специальных технических требований. Все требования оговорены в соответствующей нормативной документации.

Общими являются требования: к габаритно-массовым характеристикам; к надежности; к отсутствию вредного влияния на окружающую среду; к безопасному использованию обслуживающим персоналом; к сроку службы; к минимальному саморазряду.

Специальными техническими условиями являются требования к удельным характеристикам, к механической прочности, к температурному диапазону рабочего режима, к невысокому значению внутреннего сопротивления, к работоспособности в любом положении, к удобству в эксплуатации.

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ПИТАНИЯ

Вторичные источники подключаются к первичным и преобразуют получаемую электроэнергию в выходное напряжение с требуемыми параметрами частоты, пульсации и т. д.

Основные функции вторичных источников:

  • обеспечение передачи требуемой мощности с наименьшими потерями;
  • преобразование формы напряжения (переменного напряжения в постоянное, изменение частоты, формирование импульсов;
  • преобразование значение напряжения (повышение или понижение его величины, формирование нескольких величин для разных цепей);
  • стабилизация напряжения (его показатели на выходе должны находиться в заданном диапазоне);
  • защита (чтобы напряжение, превысившее допустимые значения вследствие неисправности, не вывело из строя аппаратуру или сам ИП);
  • гальваническое разделение цепей.

Существует два основных типа источников вторичного питания (ИВП) – трансформаторный и импульсный.

Трансформаторный блок питания.

Трансформаторный, или линейный ИВП – классический блок питания. Регулировка выходного напряжения происходит в нем непрерывно, то есть линейно.

Популярные статьи  Индуктивность: формула

В его конструкцию последовательно входят:

  • трансформатор (корректирует напряжение в ту или иную сторону до нужной величины);
  • выпрямитель (преобразует переменное напряжение в постоянное);
  • фильтр (сглаживает пульсацию (колебания) в выпрямленном напряжении).

Также схема может включать защиту от короткого замыкания, фильтр высокочастотных помех, стабилизатор и др.

Достоинства трансформаторных ИВП:

  • простота конструкции;
  • гальваническая развязка от сети;
  • надежность в эксплуатации.

Недостатки:

  • большие габариты и вес, которые прямо пропорциональны его мощности;
  • относительно низкий КПД.

В бытовой технике линейные ИП малой мощности используются для питания плат управления стиральных машин, микроволновок, отопительных котлов.

Импульсный ИВП.

Импульсный блок питания устроен принципиально иначе и имеет более сложную конструкцию.

Он содержит:

выпрямитель (входное напряжение сначала выпрямляется – преобразуется из переменного в постоянное);
блок широтно-импульсной модуляции – ШИМ (преобразует постоянное напряжение в импульсы определенной частоты и скважности);
частотный фильтр (в блоках без гальванической развязки);
трансформатор (в блоках с гальванической развязкой от сети).

В импульсных источниках вторичного напряжения стабилизация реализуется посредством обратной связи, что позволяет поддерживать выходное напряжение на заданном уровне независимо от скачков входных параметров.

Например, в блоках с гальванической развязкой в зависимости от величины выходного сигнала изменяется скважность (отношение частоты следования импульсов к их длительности) на выходе ШИМ-контроллера. Достоинства импульсных источников питания:

Достоинства импульсных источников питания:

  • малый вес и небольшие размеры;
  • высокий КПД (до 98%);
  • широкий диапазон допустимого входного напряжения;
  • встроенная защита от короткого замыкания и других форс-мажоров;
  • невысокая цена;
  • по надежности сравнимы с трансформаторными ИП.

Недостатки:

  • являются источниками высокочастотных помех, которые нельзя полностью устранить;
  • имеют ограничение по минимальной мощности нагрузки: не включаются, если она ниже требуемой.

Импульсные источники – это зарядки мобильных телефонов, блоки питания компьютеров, оргтехники, бытовой электроники.

Электрическая мощность

Основные химические источники электроэнергии

Электричество – это тип энергии, который зависит от притяжения или отталкивания электрических зарядов. Существует два вида электричества: статическое и текущее. Статическое электричество связано с наличием статических нагрузок, т.е. нагрузок, которые не двигаются. Электрический ток происходит из-за перемещение грузов.

Пример статического электричества – когда мы натираем воздушный шарик на волосы. Воздушный шар удерживает электроны от волос, заряжаясь отрицательно, в то время как волосы заряжены положительно. Если вы подойдете к воздушному шарику к своей голове, не касаясь его, вы увидите, как пряди волос тянутся к воздушному шарику.

Электрический ток – это поток зарядов из-за движения свободных электронов в проводнике. Это движение происходит в электрическом поле, то есть в области вокруг заряда, где действует сила. Электрические заряды легко переносятся такими материалами, как металлы, особенно серебро, медь и алюминий.

В батареях или электрических батареях происходит превращение химической энергии в электрическую энергию. Химическая энергия происходит в результате реакции между электродами и электролитом, когда положительный полюс соединен с отрицательным полюсом батареи. Вольт – это единица измерения потенциальной энергии на заряд в батарее.

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.

Популярные статьи  Развитие солнечной энергетики в мире

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.

Импульсные источники

Схемы с использованием входных трансформаторов напряжения сети получили название линейных. В импульсных источниках питания производится двойное преобразование — сначала переменное напряжение выпрямителем преобразуется в постоянное, затем вырабатывается переменное импульсное напряжение более высокой частоты, которое в выходном каскаде снова преобразуется в постоянное напряжение необходимого значения.

Генераторы импульсов вырабатывают непрерывную импульсную последовательность с частотой (15-60) кГц

Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой уровень сигнала на выходе блока питания определяется шириной импульсов, вырабатываемых генератором и значением их скважности. Регулированные источники питания постоянного тока импульсного типа все чаще используются при создании аппаратуры различного назначения

2. Принцип действия

Основу химических источников тока составляют два электрода (анод, содержащий окислитель, и катод, содержащий восстановитель), контактирующих 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 катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются:

  • в качестве восстановителя (на катоде) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
  • в качестве окислителя (на аноде) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;
  • в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.

Современное применение ХИТ

Источники тока химические в настоящее время применяются в:

  • транспортных средствах;
  • переносных приборах;
  • военной и космической технике;
  • научном оборудовании;
  • медицине (электрокардиостимуляторы).

Привычные примеры ХИТ в быту:

  • батарейки (сухие батареи);
  • аккумуляторные батареи переносных бытовых приборов и электроники;
  • источники бесперебойного питания;
  • автомобильные аккумуляторы.

Особенно широкое применение получили литиевые химические источники тока. Это связано с тем, что литий (Li) обладает самой высокой удельной энергией. Дело в том, что он отличается самым отрицательным электродным потенциалом среди всех прочих металлов. Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) опережают все прочие ХИТ по величинам удельной энергии и рабочего напряжения. Сейчас они постепенно осваивают новую сферу — автомобильный транспорт. В дальнейшем разработки ученых, связанные с усовершенствованием литиевых элементов питания, будут двигаться в направлении сверхтонких конструкций и крупных сверхмощных аккумуляторных батарей.

Источник

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Электрическая цепь состоит из двух
существенно различных частей: внешней, на которой выделяется полезная мощность
и внутренней, содержащей источник тока (рис. 1).

Основные химические источники электроэнергии

Рис.
1.

Источник тока характеризуется электродвижущей
силой e
и внутренним сопротивлением r.
Электродвижущей силой источника тока называется его энергетическая
характеристика, которая численно равна работе сторонних сил по перемещению
положительного единичного заряда внутри источника.

Рассмотрим электрическую цепь с
направлением обхода против часовой стрелки (рис. 1). Работа электростатических
сил при перемещении заряда по замкнутому контуру равна нулю. Поэтому полная
работа A
на внутреннем и внешнем участках будет равна работе сторонних сил. По
определению э.д.с. эта работа равна

                                       (1)

Сторонние силы действуют внутри
источника. Часть работы сторонних сил на внутреннем участке 2-e-1 идет на увеличение потенциальной энергии
зарядов (создание и поддержание электростатического поля с разностью
потенциалов j1 — j2 ), другая часть
работы Авнт
превращается в тепло внутри источника.

                             (2)

Полезная работа на внешнем участке
1-2 совершается за счет энергии электростатического поля

Основные химические источники электроэнергии                        (3)

Эта работа идет на
преодоление сопротивления движению заряда и превращается в тепло (в
нагревательном элементе). Кроме того, эта энергия может быть преобразована в
механическую работу (в электродвигателе) или химическую энергию (при зарядке
аккумулятора). При этом на внешнем участке будут действовать также сторонние
силы (э.д.с. электромагнитной индукции, возникающая при вращении ротора
двигателя или э.д.с. аккумулятора). Ради простоты, однако, будем считать, что
на внешнем участке сторонние силы отсутствуют (нагрузка представляет собой нагревательный
элемент, обладающий сопротивлением R).Потери энергии внутри источника согласно формулам (1), (3)
равны

Основные химические источники электроэнергии             (4)

Правая часть равенства (4)
имеет смысл полной работы сторонних и электростатических сил по перемещению
заряда q на внутреннем участке в направлении тока.

Популярные статьи  Как правильно посчитать потребление мощности всех электроприборов?

Величина, равная

                             (5)

является падением
напряжения на внутреннем участке 2-e-1
(с учетом направления обхода). В соответствии с законом Ома это падение напряжения
равно

                                     (6)

Падение напряжения
на внешнем участке 1-R-2 равно

                             (7)

Закон Ома для замкнутой цепи

                                   (8)

по существу
выражает закон сохранения энергии в форме (2) при .
Вольтметр, подключенный к клеммам нагрузки покажет разность потенциалов между
этими точками, которая равна падению напряжения на внешнем участке (т.к. э.д.с.
на этом участке отсутствует).

Тогда из формул (5) и (6) следует

                          (9)

Формула (9) выражает закон
перераспределения
напряжения между внутренним и внешним участками цепи:
напряжение на внешнем участке будет меньше э.д.с. на величину падения
напряжения внутри источника.

Зависимость Uн (I) в
соответствии в формулой (9) является линейной: коэффициент пропорциональности
равен внутреннему сопротивлению, а свободный член — э.д.с. При уменьшении сопротивления нагрузки и возрастании
тока в цепи показания вольтметра будут уменьшаться. Если же цепь разомкнута, а
сопротивление вольтметра велико, то ток в цепи будет весьма мал, и показания
вольтметра будут близки к э.д.с.

Умножив правую и левую часть
уравнения (9) на силу тока I,
получим закон перераспределения мощности

                                                                                                     (10)

или

                                                                                                    (10’)

Здесь:

                                                                                                     (11)

— это полезная мощность, выделяемая на
нагрузке.

Первый член в правой части

                                                                                                    (11’)

— это мощность, развиваемая источником
(линейно зависит от тока).

Второй член в правой части

                                       (11”)

— мощность потерь внутри источника
(квадратичная функция тока).

При I = 0, а также I = er — короткое замыкание: R = 0 —
полезная мощность равна 0. При разомкнутой цепи (R =¥ , I = 0 ) источник не работает, а в режиме
короткого замыкания вся мощность источника превращается в тепло внутри
источника. Зависимость Pн (I) будет иметь максимум, это можно увидеть
качественно при графическом анализе формулы (10).

Что такое электрический ток?

Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.

Как всё начиналось

Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».

Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.

Основные химические источники электроэнергии
Рис. 1. Опыт с заряженными телами

Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.

Определение

В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».

Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Основные химические источники электроэнергии
Рисунок 2. Электрофорная машина

Источники тока

Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.

С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.

Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.

Оцените статью
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий