Источники электрического тока
Источники электрического тока — это устройства, которые производят или поддерживают электрический ток в электрической цепи. Источники тока работают за счет преобразования различных видов энергии в электрическую энергию, а также за счет разделения положительно и отрицательно заряженных частиц.
Существуют разные виды источников тока, которые можно классифицировать по разным критериям. Вот некоторые из них:
По виду энергии, которая преобразуется в электрическую энергию, различают следующие виды источников тока:
- Механические — генераторы, которые преобразуют механическую энергию вращения вала в электрическую энергию.
- Тепловые — термопары и термогенераторы, которые преобразуют тепловую энергию в электрическую энергию за счет разности температур.
- Световые (фотоэлектрические) — солнечные батареи и фотоэлементы, которые преобразуют энергию фотонов света в электрическую энергию за счет фотоэффекта.
- Химические — гальванические элементы и аккумуляторы, которые преобразуют химическую энергию реакций в электрическую энергию за счет электрохимических процессов.
По способу получения электрического тока, различают следующие виды источников тока:
- Первичные — источники тока, которые не могут быть восстановлены после истощения их энергетических ресурсов, например, гальванические элементы.
- Вторичные — источники тока, которые могут быть восстановлены путем подачи электрического тока от другого источника, например, аккумуляторы.
- Переменные — источники тока, которые дают во внешнюю цепь ток, меняющий свое направление и величину, например, генераторы переменного тока.
- Постоянные — источники тока, которые дают во внешнюю цепь ток, не меняющий свое направление и величину, например, генераторы постоянного тока.
Электрический ток — как его создавать и поддерживать
Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в проводнике надо создать в нем электрическое поле. Если заряженное тело соединить проводником с землей, то в проводнике возникает кратковременный электрический ток. Для того чтобы получить и поддерживать в проводнике электрическое поле, применяют источники электрического тока .
Во всяком источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделенные частицы накапливаются на полюсах источника. Между полюсами образуется электрическое поле. Если соединить их проводником, то поле возникает в проводнике.
В электрической машине разделение зарядов производится с помощью механической энергии. При этом она превращается в электрическую. В термоэлементе внутренняя энергия превращается в электрическую. Атомные батареи преобразуют атомную энергию в электрическую.
Фотоэлемент превращает световую энергию в электрическую. Из фотоэлементов составляют солнечные батареи. Их используют там, где световая энергия является самой доступной.
Энергию рек, угля, нефти, атома превращают в электрическую энергию на электростанциях. Наиболее распространенные источники электрического тока — гальванические элементы и аккумуляторы.
Чем отличаются источник тока от источников напряжения
Источник тока и источник напряжения — это два разных типа источников электрической энергии, которые имеют разные свойства и характеристики.
Основное различие между ними заключается в том, что источник тока поддерживает постоянный ток в электрической цепи, независимо от напряжения на его зажимах, а источник напряжения поддерживает постоянное напряжение на своих зажимах, независимо от тока в цепи.
Источник тока можно представить как идеальный генератор тока, который имеет бесконечно большое сопротивление, а источник напряжения — как идеальный генератор напряжения, который имеет нулевое сопротивление.
В реальности такие идеальные источники не существуют, и все источники имеют некоторое внутреннее сопротивление, которое влияет на их работу.
В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления и сопротивления нагрузки, источники могут быть ближе к источнику тока или к источнику напряжения.
Источник тока и источник напряжения могут быть созданы из разных видов энергии, таких как механическая, тепловая, световая, химическая и другие.
Например, генератор, который преобразует механическую энергию вращения вала в электрическую энергию, может быть источником тока или источником напряжения в зависимости от его конструкции и режима работы.
Термопара, которая преобразует тепловую энергию разности температур в электрическую энергию, является источником напряжения.
Солнечная батарея, которая преобразует энергию фотонов света в электрическую энергию, является источником тока. Гальванический элемент, который преобразует химическую энергию реакций в электрическую энергию, может быть источником тока или источником напряжения в зависимости от его типа и состояния.
Гальваническим элементом называются источники электрического тока, в которых химическая энергия превращается в электрическую.
Так устроен простейший гальванически элемент.
Первый гальванический элемент был изобретен Вольтом в 1799 году. Из отдельных элементов он сконструировал батарею, которую назвали «вольтов столб». В гальваническом элементе электроды обязательно должны по-разному взаимодействовать с раствором, поэтому электроды делают из различных материалов.
Цинковая пластинка в элементе Вольта заряжается отрицательно, а медная — положительно.
А так устроен сухой гальванический элемент. Вместо жидкости в нем используют густой клейстер:
Из нескольких элементов можно составить батарею:
От гальванических элементов работают лампочки в электрических фонарях, а также другие различные переносные электроприборы и детские игрушки. Когда электроды в гальваническом элементе израсходуются, элемент заменяю новым.
Аккумуляторами называют химические источники электрического тока, в которых электроды не расходуются. Простейший аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в раствор серной кислоты.
Такой аккумулятор еще не дает тока. Перед использованием его надо зарядить. Для этого соединяют полюсы аккумулятора с такими же полюсами какого-либо источника тока.
Ток, который идет через аккумулятор во время зарядки, изменяет химический состав его пластин. Химическая энергия аккумулятора увеличивается.
Разряжаясь аккумулятор превращает химическую энергию в электрическую. Разрядившийся аккумулятор можно заряжать снова.
Из отдельных аккумуляторов собирают батареи.
Кроме аккумуляторов кислотных (свинцовых), применяют аккумуляторы щелочные (железо-никелевые).
В настоящее время широко применяются также никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные аккумуляторы. В авиации и космосе используют серебряно-цинковые аккумуляторы. Новые типы аккумуляторов: литий-ионные, литий-полимерные используются в мобильных телефонах, планшетах и другой современной переносной технике.
Аккумуляторы применяют в тех случаях, когда источник электрического тока выгоднее перезаряжать, чем заменять новым. В автомобиле аккумулятор служит для запуска двигателя и работы различных приборов. В космосе аккумулятор заряжается от солнечных батарей. Разряжаясь, он питает радиопередатчики и аппаратуру.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
ИСТО́ЧНИКИ ТО́КА
ИСТО́ЧНИКИ ТО́КА, устройства, преобразующие разл. виды энергии в электрическую энергию. По виду преобразуемой энергии И. т. условно разделяют на химические и физические. Первые сведения о химич. И. т. (гальванич. элементах и аккумуляторах) относятся к 19 в. (напр., вольтов столб, 1800; элемент Даниеля – Якоби, 1836; свинцовый аккумулятор, 1859). До 1940-х гг. в мире разработано и реализовано на практике лишь неск. типов гальванич. элементов и аккумуляторов; в дальнейшем в связи с развитием радиоэлектроники и широким использованием автономных источников электропитания их произ-во непрерывно расширялось. Переносные осветит. приборы, магнитофоны и радиоприёмники, телевизоры и переносная мед. аппаратура, транспортные средства, летательные и космич. аппараты и многое другое оснащены малогабаритными И. т. Первый электромашинный генератор постоянного тока создан Б. С. Якоби в 1842. С 1920-х гг. в качестве пром. источников электроэнергии стали применяться турбогенераторы и гидрогенераторы . Физич. И. т., основанные на др. принципах (термоэлектрич. генераторы, термоэмиссионные преобразователи, солнечные батареи и т. д.), разработаны и получили развитие во 2-й пол. 20 в., что обусловлено возросшими требованиями совр. техники.
Какие устройства называются источниками тока
Интенсивность направленного движения заряженных частиц в проводнике характеризует величина электрического заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за 1 с, или сила тока (I).
Сила тока в данный момент времени — скалярная физическая величина, равная пределу отношения величины электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени его прохождения.
Единица силы тока (основная единица СИ) — ампер (1 A): 1 A = 1 Кл/с.
Постоянный электрический ток — ток, сила которого не изменяется с течением времени (I = const).
Источники тока
Источник тока — устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды.
Заряды в нём разделяются под действием сторонних сил различной природы (механической, световой, химической), в зависимости от типа источника, отношение работы которых (Aст) к величине заряда называется электродвижущей силой (ЭДС, ε). ЭДС создаёт разность потенциалов на зажимах источника тока.
Рассмотрим действие источников тока на примере гальванического элемента.
Гальванический элемент представляет собой сосуд с концентрированным раствором серной кислоты (H2SO4), в который погружены два электрода — медный и цинковый. Отрицательные ионы серной кислоты «отрывают» положительные ионы меди и цинка от электродов, за счёт чего они заряжаются отрицательно, но цинковый электрод имеет больший отрицательный заряд, чем медный, так как нормальный электродный потенциал (φ) меди больше (+0,34 В) чем цинка (-0,76 В), вследствие чего медный электрод становится анодом, а цинковый — катодом. Между катодом и анодом создаётся разность потенциалов (Δφ), которая создаёт внешнее электрическое поле, под действием которого электроны начинают упорядоченно двигаться по проводнику от цинкового электрода к медному, вследствие чего их заряды постепенно уравниваются и разность потенциалов пропадает, но под действием химической реакции она снова восполняется, и так происходит до тех пор, пока энергия притяжения между разноимёнными ионами больше, чем энергия связей между ионами в кристаллических решётках электродов.
Нормальные электродные потенциалы — это потенциалы на электродах, отсчитываемые относительно водородного электрода.
Нормальные электродные потенциалы
| Металл | φ, В |
| Литий | -3 |
| Калий | -2,9 |
| Натрий | -2,7 |
| Алюминий | -1,7 |
| Цинк | -0,76 |
| Железо | -0,44 |
| Олово | -0,14 |
| Свинец | -0,13 |
| Медь | +0,34 |
| Ртуть | +0,8 |
| Серебро | +0,8 |
| Платина | +1,2 |
| Золото | +1,3 |
Какие устройства называются источниками тока
Электрический ток течёт в электрических цепях, представляющих собой различные приборы и устройства, соединённые проводниками.
Если бы носители заряда, приведённые в движение в замкнутом проводнике, не взаимодействовали с ионами, то они двигались бы бесконечно долго. Такой ток можно наблюдать в некоторых веществах при весьма низких температурах; удельное сопротивление таких веществ – их называют сверхпроводниками – равно нулю при этих температурах.
Но в большинстве проводников при протекании тока движущиеся заряженные частицы взаимодействуют с неподвижными и теряют кинетическую энергию.
Для получения постоянного тока, т. е. не изменяющегося с течением времени, на заряды в электрической цепи должны действовать не только силы электрического поля, но и другие силы, отличные от сил электрического взаимодействия. Такие силы получили общее название сторонних электродвижущих сил. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называют источником тока. Источниками тока являются, например, батарейки, аккумуляторы и т. д.
Сторонние силы в источниках возникают по разным причинам. В химических источниках, например, в автомобильном аккумуляторе или в гальваническом элементе, они возникают благодаря химическим реакциям в области контакта пластин аккумулятора или электродов батарейки с жидким электролитом. В фотоэлементе они возникают в результате действия электромагнитного излучения на электроны в металле или полупроводнике. В генераторах на электростанции сторонние силы возникают в проводниках при движении их в магнитном поле.
Если воспользоваться гидростатической аналогией, то силы электрического поля в электрической цепи можно уподобить силе тяжести, стремящейся выравнивать уровни жидкости в сообщающихся сосудах; источник тока с действующими в нём сторонними электродвижущими силами можно сравнить с насосом, работающим против силы тяжести и восстанавливающим разность уровней в сосудах, несмотря на течение жидкости.
Источник тока по результатам своего действия представляет собой устройство, отделяющее положительные заряды от отрицательных. После разделения заряды перемещаются на полюса (электроды) источника. При этом один из электродов заряжается положительно, другой отрицательно. И если к источнику подключить проводник, то эти заряды действуют на заряды проводника вблизи полюсов, те в свою очередь действуют на соседние и т. д. В результате этих коллективных взаимодействий в цепи на поверхности проводника возникает такое распределение зарядов, которое обеспечивает существование внутри проводника электрического поля, а в проводнике под действием сил этого поля течёт электрический ток.