Для чего нужен источник тока

Что такое электричество и как оно возникает ⋆ diodov.net

Для чего нужен источник тока

Электроника – это замечательная прикладная и теоретическая наука, которая с каждым днем набирает обороты, распространяется и внедряется во все отрасли. Изучение ее следует начинать с самых общих понятий и физических процессов. Знание которых, в дальнейшем упростит понимание принципов работы различных электронных приборов и устройств. И первое понятие, которое нам нужно усвоить – это, что такое электричество?

Открытие электричества

Впервые свойства электричества были обнаружены более 2,5 тысяч лет назад древним философом Фалесом Милетским, когда он протирал шерстью янтарь.

Внимательный философ заметил, что к уже натертому драгоценному камню притягиваются мелкие предметы. Хотя по логике, сформированной на уровне знаний того времени, все предметы должны были притягиваться к земле, т.е. падать на землю под действием сил притяжения.

Однако натертый шерстью янтарь приобретал некоторое загадочное свойство, впоследствии названое зарядом, который создавал силу по величине превосходящую силу земного притяжения. И эта сила получила название «электричество».

Так как слово «электрон» с греческого переводится «янтарь», то электричество дословно можно перевести янтаричество.

В те давние времена считалось, что только янтарь обладает неким загадочным свойством, способным после натирания шерстью притягивать легкие предметы, преодолевая силу земного притяжения. Однако сейчас подобный опыт довольно просто повторить, если вместо этого камня взять пластмассовую палочку и потереть ее об одежду, содержащую в своем составе шерсть. Затем, при поднесении натертой палочки к мелким кусочкам бумаги под действием электрических сил кусочки бумаги притянутся к палочке.

Из выше сказанного давайте выделим два важнейших момента:

  1. Только после натирания о шерсть пластмассовая палочка приобретает некие свойства.
  2. Приобретенные свойства порождают некую силу, под действие которой к палочке притягиваются кусочки бумаги.

Теперь мы четко знаем, на какие вопросы на нужно найти ответ, чтобы понять, что такое электричество.

Давайте рассмотрим физику происходящего процесса. И первым делом, чтобы анализировать, что происходит с веществом (в данном случае с пластмассой и шерстью) нам понадобятся знания о строении любого вещества. Заранее скажем, что в дальнейшем рассказе будем принимать обобщения и упрощения, однако они не исказят суть данной темы.

Строение атома

И так, начнем. Любое вещество, будь то дерево, камень, стекло или вода, состоит из более мелких элементов, которые называются молекулами. Например, капля воды состоит из множества отдельных молекул, имеющих знакомую нам химическую формулу H2O. Далее молекулу вещества можно разделить еще на более мелкие частицы – атомы.

Одно время считалось, что атом является наименьшей частичкой, существующей в природе и на более мелкие элементы разделить его уже невозможно. Поэтому слово «атом» переводится з древнегреческого «неделимый».

Сейчас известны всего лишь более ста различных атомов, однако они могут образовать миллионы разных молекул и соответственно столько же разных веществ. Например, молекулу воды H2O образуют два атома водорода H и один кислорода O.

Со временем, проделав множество кропотливых опытов, ученые пришли к выводу о существовании еще гораздо меньших частичек.

Планетарная модель атома

Центральный и наиболее тяжелым элементом атома считается ядро. Вокруг него на некотором расстоянии по разным орбитам перемещаются электроны. Ядро не является цельным элементом, его составляют протоны и нейтроны.

Электроны обладает отрицательным зарядом, а протоны – положительным. Нейтрон не проявляет свойств ни тех, ни других зарядов, т.е. он нейтрален, отсюда и получил свое название.

Для упрощения некоторых процессов применяется планетарная модель атома. По аналогии с Солнцем, вокруг которого по орбитам движутся планеты, в атоме вокруг ядра движутся электроны. Но электрон – это не какая-то плотная частичка, а размазанный в пространстве сгусток энергии, наподобие расплюснутой шаровой молнии.

Масса протона приблизительно в 2000 раз превышает массу электрона. Но суммарный положительный электрический заряд всех протонов равен суммарному отрицательному заряду всех электронов. Поэтому при нормальных условиях (по умолчанию) атом электрически нейтрален и за его пределами не ощущаются никакие силы. Положительные и отрицательные заряды как бы нейтрализуют друг друга.

В периодической системе химических элементов, известной нам, как таблица Менделеева, все атомы расположены в строгой последовательности: от наиболее легкого до наиболее тяжелого – по величине относительной атомной массе, основную долю которой составляют протоны. Нейтроны также имею массу, но о них мы говорить не будем, поскольку они не обладают выраженным электрическим зарядом.

Наиболее легким химическим элементом является водород, поэтому он первый размещен в таблице Менделеева. Атом водород имеет один протон и один электрон. Другие химические элементы содержат несколько протонов в ядре. А вокруг ядра по нескольким орбитам перемещаются электроны.

Чем ближе электрон находится к ядру, тем сильнее, с большей силой он притянут к протону. Электроны, расположенные на наиболее отдаленных орбитах, имеют самую слабую электрическую связь с протонами.

И если атому придать некоторой энергии из вне, например нагреть его, то под действием избыточной энергии электрон может покинуть свою орбиту, и соответственно свой атом.

Однако он может не только покинуть совой атом, но и занять место на орбите другого атома. Именно те электроны, которые расположены на самых удаленных от ядра орбитах, в электронике имеют практическое применение, поскольку при наличии дополнительной энергии они легко покидают свои орбиты и становятся свободными. А свободный электрон при перемещении уже может выполнять некоторую полезную работу.

Положительный и отрицательный ионы

Как мы уже ранее заметили, по умолчанию атом электрически нейтрален: положительный и отрицательный заряды равны и компенсируют другу друга. Но как только хотя-бы один электрон покинет сове место в атоме, то суммарный положительный электрический заряд протонов преобладает отрицательный заряд всех оставшихся электронов, поэтому такой атом вцелом имеет свойства положительного заряда и называется положительный ион.

Если атом получил дополнительный электрон, то в нем будет преобладать отрицательный заряд. В этом случае атом называется отрицательный ион.

Следует заметить, что не только атом будет иметь положительный или отрицательный заряд, но и молекула, а соответственно и вещество, которое содержит данный атом.

Электризация

Процесс получения дополнительного электрона или, наоборот потеря электрона, называется электризация. Если какое-либо тело имеет избыток или нехватку электронов, т.е. явно выраженный заряд какого либо знака, то говорят, что тело наэлектризовано.

Опытным путем установлено, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Подобный опыт можно повторить следующим очень известным образом: подвесить на нити два металлических шарика, которые изначально имеют нейтральный заряд. Далее придать одному шарику положительный заряд, а второму отрицательный. В результате шарики притянутся друг к другу. Если двум шарикам сообщить заряд одного знака, то они будут отталкиваться.

Теперь настало время вернуться к нашему опыту с натиранием шерстью пластмассовой палочки. При натирании пластмассы за счет сил трения, электронам, находящимся в атомах шерсти сообщается некоторая энергия, под действие которой они покидают свои атомы и занимают место на орбитах атомов пластмассы. В результате этого пластмассовая палочка приобретает отрицательный заряд за счет избытка электронов, поступивших из шерсти.

При натирании стеклянной палочки шелком, все происходит наоборот. Электроны поверхностного слоя стекла покидают палочку. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд за счет перевеса суммарного заряда протонов.

Таким образом, изменение количества электронов в верхних слоях рассматриваемых материалов во время их трения, называют электризация трением.

Здесь следует заметить, что вследствие трения лишь очень мизерная часть атомов отдает свои электроны. Даже если сказать, что одна миллиардная часть атомов остается без электронов на внешней орбите, то это все еще будет слишком большим преувеличением, поэтому массы наэлектризованных тел остаются практически неизменными.

Также нужно заметить, что в результате электризации электроны ни откуда не возникают и никуда не деваются, а лишь переходят с атомов одного тела к атомам другого тела.

В нашем опыте мы использовали стекло, пластмассу, шерсть, шелк. По этим материалам очень плохо перемещаются электроны, поэтому они относятся к хорошим диэлектрикам – материалам, которые в отличие от проводников, имеют очень плохую проводимость.

Источник: https://diodov.net/chto-takoe-elektrichestvo-i-kak-ono-voznikaet/

Законы постоянного тока – FIZI4KA

Для чего нужен источник тока

ЕГЭ 2018 по физике ›

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.

Условия существования электрического тока в проводнике:

  • наличие свободных заряженных частиц;
  • наличие электрического поля.

Напряженность электрического поля должна быть постоянной.

Цепь постоянного тока должна быть замкнутой.

Важно!
Тепловое движение заряженных частиц нельзя назвать электрическим током, так как оно беспорядочное.

Электрический ток можно обнаружить по его действиям:

  • тепловому – при протекании тока проводник нагревается;
  • химическому – изменяется состав вещества при прохождении электрического тока (электролиз);
  • магнитному – электрический ток создает магнитное поле.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженной частицы.

Сила тока – это скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени, за которое этот заряд переносится.

Обозначение – ​\( I \)​, единица измерения в СИ – ампер (А) (является основной).

Вычисляется по формуле:

Если за одинаковые промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд, то ток постоянный.

Для измерения силы тока используют амперметр.

Условное обозначение на схемах:

Амперметр – измерительный прибор для определения силы тока в электрической цепи.

При измерении силы тока амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором измеряют, и с соблюдением полярности. Клемму амперметра со знаком «+» нужно обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока.

Для того чтобы включение амперметра не влияло на величину измеряемого тока, его сопротивление по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньшим. Каждый амперметр рассчитывается на некоторое определенное максимальное значение измеряемой величины. Но возникают ситуации, когда необходимо выполнить измерение силы тока больше предельно допустимого значения силы тока.

Для этого параллельно амперметру присоединяют проводник (шунт), по которому проходит часть измеряемого тока. Значение сопротивления этого проводника рассчитывается так, чтобы сила тока, проходящего через амперметр, не превышала его максимально допустимого значения.

Сопротивление шунта рассчитывается по формуле:

где ​\( I_ц \)​ – сила тока в цепи, \( I_а \) – максимально допустимая для данного амперметра сила тока, \( R_а \) – сопротивление амперметра, ​\( n=\frac{I_ц}{I_а} \)​.

При этом цена деления прибора увеличивается в n раз, а точность измерений во столько же раз уменьшается.

Работающим с электрическими цепями надо знать, что для человеческого организма безопасной считается сила тока до 1 мА. Сила тока больше 100 мА приводит к серьезным поражениям организма.

Постоянный электрический ток. Напряжение

В проводнике, по которому протекает ток, заряды движутся под действием сил электростатического поля. Работу электростатических сил характеризуют разностью потенциалов или напряжением.

Электрическое напряжение – скалярная физическая величина, равная отношению работы по перемещению электрического заряда между двумя точками цепи к величине этого заряда.

Обозначение – ​\( U \)​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Формула для вычисления:

Напряжение равно разности потенциалов только в том случае, если рассматриваемый участок цепи не содержит источник тока (ЭДС = 0).

Измеряют напряжение вольтметром.

Изображение вольтметра на схеме:

При измерении напряжения вольтметр включают в цепь параллельно с тем прибором, напряжение на котором измеряют, и с соблюдением полярности. Клемму вольтметра со знаком «+» нужно обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. Для того чтобы включение вольтметра не влияло на измерение напряжения, его сопротивление должно быть большим.

Для измерения напряжения больше, чем допустимое для данного вольтметра, используют добавочное сопротивление – резистор, включаемый последовательно с вольтметром.

Величина добавочного сопротивления рассчитывается по формуле:

где ​\( U \)​ – напряжение, которое нужно измерить, ​\( U_В \)​ – напряжение, на которое рассчитан вольтметр, ​\( n=\frac{U}{U_В} \)​, ​\( R_В \)​ – сопротивление вольтметра.

При этом цена деления прибора увеличивается в ​\( n \)​ раз, а точность измерений во столько же раз уменьшается.

Закон Ома для участка цепи

Взаимосвязь между силой тока, протекающей по проводнику, и напряжением на его концах была экспериментально установлена Г. Омом и носит название закона Ома для участка цепи.

Закон Ома для участка цепи

Сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:

График зависимости силы тока от напряжения называется вольт-амперной характеристикой. Из закона Ома для участка цепи следует, что при постоянном сопротивлении сила тока прямо пропорциональна напряжению. Следовательно, вольт-амперная характеристика для металлического проводника представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат.

Проводник с такими свойствами называется резистором.

Угол наклона графика к оси напряжений зависит от сопротивления проводника. Тангенс угла наклона графика равен проводимости резистора.

Электрическое сопротивление. Удельное сопротивление вещества

Электрическое сопротивление – свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока.

Обозначение – ​\( R \)​, единица измерения в СИ – Ом.

Объяснить наличие сопротивления можно на основе строения металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику встречают на своем пути ионы кристаллической решетки и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток.

Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены, их длины, геометрической формы и температуры. Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2.

Обозначение – ​\( \rho \)​, единица измерения в СИ – Ом·м.

Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Например, удельное сопротивление меди равно 1,7·10-8 Ом·м, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 м2 обладает сопротивлением 1,7·10-8 Ом. На практике часто используют единицу удельного сопротивления (Ом·мм2)/м.

Электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.

Формула для вычисления:

Сопротивление проводника увеличивается с ростом температуры. Удельное сопротивление зависит от температуры:

где ​\( \rho_0 \)​ – удельное сопротивление при ​\( T_0 \)​ = 293 К (20°С), ​\( \Delta T=T-T_0 \)​, ​\( \alpha \)​ – температурный коэффициент сопротивления.

Единица измерения температурного коэффициента сопротивления – К-1.

При нагревании увеличивается интенсивность движения частиц вещества. Это создает трудности для направленного движения электронов. Увеличивается число столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решетки.

Свойство изменения сопротивления при изменении температуры используется в термометрах сопротивления. Эти приборы могут измерять температуру, основываясь на зависимости сопротивления от температуры. У термометров сопротивления высокая точность измерений.

Электродвижущая сила. Внутреннее сопротивление источника тока

Для создания электрического поля в проводниках используют источник тока. Внутри источника тока происходит перераспределение зарядов, в результате которого на полюсах источника возникает избыток зарядов разных знаков.

Виды источников тока:

  • электрофорная машина;
  • термопара;
  • фотоэлемент;
  • аккумулятор;
  • гальванический элемент.

Сторонними называются силы неэлектрической природы, действующие внутри источника тока.

Когда проводник соединяют с полюсами источника, то на внешнем участке цепи заряженные частицы движутся под действием электростатической силы. А внутри источника на заряды действуют сторонние и электростатические силы.

Под действием этих сил внутри источника происходит перемещение положительных зарядов от отрицательного полюса источника к положительному. Это перемещение происходит до тех пор, пока сторонние силы не станут равными электростатическим. При переносе заряда эти силы совершают работу. Работа сторонних сил по перемещению заряда компенсирует потери энергии заряженными частицами при их движении по цепи.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как проверить на исправность терморезистор

Электродвижущей силой (ЭДС) называется отношение работы сторонних сил по перемещению положительного заряда к величине этого заряда.

Источник: https://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/zakony-postojannogo-toka.html

Источник тока

Для чего нужен источник тока

Источник тока – элемент питания электрической цепи, обеспечивающий постоянное потребление, измеренное амперами, либо заданную форму закона изменения параметра. Так работают сварочные аппараты, каждой толщине металла соответствует номер (диаметр) электрода. Процесс обеспечен постоянным током. В противном случае начинается срыв дуги, происходят другие неприятные эффекты.

Отличие реального источника от идеального

Известно, мощность источника питания электрической цепи ограничена. В результате увеличение нагрузки вызывает изменение параметров. Общеизвестны скачки напряжения гаражных кооперативов, дач, прочих специфичных объектов. Подстанция выделяет ограниченный ресурс, потребление бывает немаленьким. В первую очередь, подразумеваются нагревательные приборы (воды), сварочные аппараты.

Таким образом, розетка выступает источником напряжения. Вольтаж сильно зависит от поведения потребителей. Замечено, утренние часы подстанции перегружают, соответствующим образом учитывается областями при тарификации. Что касается идеальных источников, подразумевается, параметры постоянные. До некоторых пор встретить подобное оборудование представлялось невозможным, современные технологии рамки ограничений сильно расширили.

Инвертор сварочный

Сварочный инвертор IWM 220 сохраняет работоспособность в диапазоне питающих напряжений 180 – 250 вольт, выдавая постоянное действующее значение тока на зажимы. Электронные блоки питания достигают столь высоких показателей путем гибкого регулирования режимов работы. Брать инверторы, принцип действия основан на выпрямлении, фильтрации напряжения 220 вольт, последующей нарезкой пачками импульсов. Варьированием скважности посылок, длиной достигается изменение тока.

Измерительный датчик Холла влияет, напрямую или опосредованно, на напряжение смещения силового ключа. Возможны другие, процессорные, схемы управления выходными параметрами приборов. В последнем случае заботы забирает процессор, несущий соответствующую программу, заложенную в память цифровым кодом.

Для сварки используются переменный и постоянный токи, для черных и цветных металлов. Важно понимать: источник способен поддерживать любой закон изменения параметров. Это признаётся отличительной особенностью, предназначением. Обеспечивает правильное функционирование потребителей.

Требования к факторам питания

В учебниках физики приводятся в качестве примеров источников тока:

Несложно заметить, сплошь гальванические источники питания химического принципа действия. Автоводитель знает: аккумулятор бессилен выдать постоянный ток, напряжение. Мощность ограничена скоростью протекания химических реакций на пластинах, обкладках. В результате параметры не остаются постоянными.

Лучший пример источника питания тока, напряжения – инвертор. Электроника гибко изменяет параметры устройства, добиваясь достижения нужного эффекта. На выходе переменные, постоянные напряжения, токи. В зависимости от возникающих потребностей. В персональном компьютере уйма питающих напряжений: для жестких дисков, процессора, DVD-приводов. 5, 12, 3,3 В. У каждого предназначение, несколько предназначений.

Протекание тока в цепи

Таким образом, потребитель определяет, нужен постоянный ток, либо требуется напряжение, сформированное по определенному закону. Если брать сварку, скорость протекания через плазму зарядов определяет рабочую температуру процесса, напрямую предопределяет условия существования дуги, глубину плавления металла. Технологи давно просчитали условия, определили экспериментально, руководство сварочного аппарата пишет следующее:

  • толщина листа – 3 мм;
  • диаметр электрода – 3,2 мм;
  • рабочий ток процесса 100 – 140 А.

Сварщик молниеносно выставляет указанные параметры на корпусе IWM 220, берет электрод нужного диаметра, обжимает ухватом, заводит второй выход на землю. Потом надевает маску, начинает легонько постукивать детали, получая искру.

Не слишком обеспокоен результатами труда, отраслевое пособие промышленности сообщает, с какой скоростью двигаться вдоль шва, под каким углом наблюдать результат процесса. Сварщик твердо знает, чего делать не нужно.

Чтобы удостовериться, специальная комиссия по результатам тестов (выполнение определенных швов) присваивает рабочему разряд (ощутимо влияет на спектр полномочий, заработную плату).

Итак, род тока определяют потребности идущего процесса. В большинстве случаев требуется напряжение, часто приборы первоначально требовали постоянства тока. Прежде это обогреватели различного толка, основывающие принцип действия законом Джоуля-Ленца. Мощность, преобразующаяся в тепло, определяется размером сопротивления, протекающим током.

В бытовых целях удобнее поддерживать напряжение. Помимо обогревателей имеется множество других приборов. Прежде всего электроника. Напряжение на активном сопротивлении проводника линейно зависит от тока. Нет разницы, что поддерживать постоянным. Отчего тогда при сварочном процессе приходится стабилизировать.

Рука сварщика неспособна двигаться с достаточной твердостью, флуктуации воздуха постоянно меняют длину дуги. Имеются другие помехи. Напряжение на участке непостоянно. Следовательно, ток менялся бы (согласно закону Ома). Недопустимо по причинам описанным выше: изменится температура, технологический процесс пойдет неправильным путем. Приходится поддерживать постоянным ток, не напряжение.

Как практики получают ток заданной формы

Исторически первыми открыты гальванические источники тока. Произошло в 1800 году. Гением, подарившим человечеству первый источник питания, является Алессандро Вольта. Последовала плеяда открытий. Первым измерителем стал гальванометр – прибор, регистрирующий силу электрического тока. Принцип действия новинки, представленной миру Швейггером, основывался на взаимодействии магнитных полей проводника, стрелки компаса.

Вопрос важен по простой причине, для поддержания нужного закона тока нужно измерить физическую величину. Первые гальванометры оценивали параметр по силе магнитного поля, создаваемого проводником. В дальнейшем заложило основу действия первых тестеров. Как работает современное оборудование?

В зарядных устройствах поддерживается постоянным напряжение. Ток измеряется с целью оценки полноты наполненности батареи. Благодаря продуманному подходу, телефон способен сигнализировать мнемонически о ходе процесса.

Когда батарея полна, полоса зарядки полностью закрашивается (первые сотовые телефоны), либо исчезает (на многих смартфонах в выключенном состоянии).

Ход процесса регистрируется датчиком Холла: только исчезают импульсы, считается, устройство не нуждается в дальнейшей подзарядке.

На основе указанного эффекта первое время было возможным регистрировать наличие/отсутствие тока. С развитием науки, техники появились преобразователи на основе соединений индия, отличающиеся неплохими метрологическими качествами.

По величине выходного напряжения способные оценивать параметры тока. Современные аналого-цифровые преобразователи измерения позволят перевести разницу потенциалов в цифры, понятные процессору.

Последний выполняет необходимые операции по управлению устройством, способствуя получению тока заданной формы.

Инвертор действует схожим образом. Последовательности импульсов, нарезаемые ключом, проходят малогабаритный параметр в неизменном виде (форма графика), с измененными характеристиками.

Остается только измерить нужные величины, произвести интегрирование на некотором участке. В результате современный сварочный аппарат по определению защищен против залипания: при резком возрастании тока питания отключается.

Имеются у инверторов некоторые другие полезные качества, обеспечиваемые электроникой. Вот почему сварщикам нравятся аппараты.

В мощных цепях ток контролируется трансформаторами. Датчики Холла с десятками, сотнями амперов не работают напрямую. Типичный лимит составляет десятки мА.

Используется принцип, схожий с имеющим место быть в цифровых мультиметрах: из потока движущихся по электрической цепи зарядов вычленяется некоторая малая часть. Далее пропорцией оценивается полная величина. Трансформаторы тока действуют аналогичным образом.

Не имея первичной обмотки, путем электромагнитной индукции передают малую часть энергии поля измерительному средству (например, счетчику, аппаратуре контроля).

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.

Источник: https://VashTehnik.ru/enciklopediya/istochnik-toka.html

Характеристики источников тока

Каждыйисточник тока имеет следующиехарактеристики, определяющиеусловия его рационального использования:электродвижущая сила или ЭДС и внутреннее сопротивление.

Электродвижущаясила источника тока — это величина, измеряемаяотношениемработы, затрачиваемой сторонними силамина перемещение зарядапо замкнутой цепи, к величине этогозаряда, т.е.:

ЭДСизмеряется в вольтах (В).

Внутреннеесопротивление источника определяетпроводящие свойстватой среды, которая имеется внутриисточника.

Закон Ома для замкнутой цепи

Замкнутаяцепь содержит: источник тока, сопротивления(потребители тока),приборы для контроля характеристиктока, провода, ключ. Примером можетслужить цепь, приведенная на рис.5.

Поотношению к источнику тока можновыделит внешнюю цепь, содержащуюэлементы, находящиеся вне данногоисточника, если проследить за током отодной его клеммы до другой, и внутреннюю,к которой относят проводящую средувнутри источникаобозначим сопротивление внешней цепичерез R,внутреннеесопротивлениеисточника г.

Тогдаток в цепи определяется по закону Омадлязамкнутой цепи, который гласит, что токв замкнутой цепи прямо пропорционаленвеличине ЭДС и обратно пропорционален суммевнутреннегои внешнего сопротивления цепи,т.е.

Изэтого закона вытекают следующие частныеслучаи:

• ЕслиRстремитсяк нулю (т.е. R),токуменьшается, и падение напряжения внутриисточникастановитсянамного меньше ,следовательно.Значит,величинуЭДСисточника можно практически измеритьс помощью вольтметра,присоединенногок клеммам источника при условии, чтосопротивлениевольтметраRv» rприразомкнутой внешней цепи.

Законы Кирхгофа для разветвленных цепей

Разветвленнойсчитают цепь, в которой можно выделитьдва или более узла.Узлом называется точка, в которойсходятся более чем два проводника (рис.5, точки 3 и 6).

Рис.5

Ктаким цепям применимы законы Кирхгофа,позволяющие провести полный расчетцепи, т.е. определить токи в каждомпроводнике.

Первыйзакон: алгебраическая сумма токов,сходящихся в узле, равна нулю, т.е..При этом токи, текущие к узлу, берутсясо знаком плюс, а токи, текущие от узла- со знаком минус, или наоборот.

Второйзакон: в любом замкнутом контуре,произвольновыбранном в разветвленной цепипроводников, алгебраическая суммапроизведений силтоков на сопротивления соответствующихучастков цепи равна алгебраическойсумме ЭДС в этом контуре, т.е. .

Длясоставления уравнений по второму законуКирхгофа необходимо иметьв виду следующие правила:

1. Произвольновыбирается направление обхода контура(по часовой стрелке илипротив).

2. Произвольновыбираются и обозначаются направлениятоков во всех участках цепи, причем впределах одного участка (т.е. междусоседними узлами)ток сохраняется как по величине, так ипо направлению.

  1. Если выбранное направление обхода совпадает с направлением тока, то произведение тока на сопротивление ixRxберется со знаком «плюс», и наоборот.

  1. Перед ЭДС ставится знак «плюс», если при обходе контура идем внутриисточника от отрицательного полюса к положительному, т.е. если на пути обхода контура потенциал возрастает.

Покажемприменение законов Кирхгофа на примерецепи, приведенной нарис.8. Направление токов показано начертеже. На основе 1-го закона Кирхгофадля узла 3 имеем: .На основе 2-го закона Кирхгофадляконтура 12361 можно записать: ,адляконтура 34563: Если известны сопротивления участковцепиrx,Rxивключенные в них ЭДС топриведеннаясистема 3-х уравнений позволяет рассчитатьтоки, текущие в отдельныхпроводниках.

ПравилаКирхгофа применимы не только для цепейпостоянного тока. Они справедливы и длямгновенных значений тока и напряженияцепей, в проводниках,которых электрическое поле изменяетсясравнительно медленно.Электромагнитное поле распространяетсяпо цепи со скоростью, равнойскорости света с.

Еслидлина цепи ,то до самой отдаленной точкицепиток дойдет за времяЕслиза это время ток изменяется незначительно,то мгновенные значения тока практическипо всей цепи будут одинаковымии могут, следовательно, описыватьсязаконами, справедливыми для постоянныхтоков. Токи, удовлетворяющие такомуусловию называются квазистационарными(как бы постоянными).

Для изменяющихсятоков условиеквазистационарности имеет вид:

гдеТ-период изменения тока. Это условиевыполняется при зарядке и разрядкеконденсатора и для переменных токовпромышленной частоты. Поэтомук ним применимы правила Кирхгофа.

Источник: https://studfile.net/preview/2147142/page:3/

Чем генерируется постоянный ток: обзор источников питания, их преимуществ и недостатков

Приводы многих механизмов и целый ряд электронных устройств работают на постоянном токе. Последний генерируется разными способами.

О том, как устроен источник постоянного тока и какие существуют его разновидности, расскажет данная статья.

Источники питания постоянного тока

Постоянный ток получают посредством таких устройств:

  1. гальванические элементы — батарейки и аккумуляторы: разделение положительных и отрицательных зарядов осуществляется за счет химического взаимодействия;
  2. генераторы постоянного тока: превращают механическую энергию в электрическую;
  3. выпрямители: преобразуют переменный ток в постоянный;
  4. фотоэлементы (солнечные батареи) и термоэлементы: превращают в электричество энергию, соответственно, света и тепла.

Наиболее распространены первые три разновидности, они и будут рассматриваться подробно.

Батарейки

Получение разности потенциалов химическим путем удобно показать на простом примере — цинковом стержне, помещенном в серную кислоту. Положительно заряженные атомы цинка притягивают к себе отрицательные ионы кислоты и под их воздействием отрываются от стержня.

Последний в результате этого становится отрицательно заряженным, кислота же приобретает положительный заряд.

Для подключения к положительному полюсу Алессандро Вольта, первооткрыватель данного явления, опустил в раствор медный стержень. При подключении нагрузки, электроны с цинкового стержня перемещаются через нее к медному.

Недостаток данного решения — образование газообразного водорода на медной пластине, затрудняющего работу элемента. Поэтому в современных батарейках вместо меди применяют другие материалы, например, графит в оболочке из диоксида марганца (последняя поглощает газ). Серная кислота заменена раствором нашатырного спирта.

Применяются и другие сочетания материалов, например:

  • марганец и олово;
  • марганец и магний;
  • свинец и цинк;
  • свинец и кадмий;
  • свинец и хлор;
  • цинк и хром.

По характеру работы батарейки из разных материалов отличаются. У одних ЭДС по мере разряда постепенно снижается, у других — долго остается постоянной, затем резко падает.

Аккумулятор

Емкость аккумулятора, в отличие от батарейки, после разрядки можно восполнить подключив к источнику электрической энергии.

Материалы также используются разные. К примеру, в автомобильных аккумуляторах аноды делают из двуокиси свинца, катоды — из губчатого свинца. Роль электролита играет раствор H2SO4.

Указаны материалы так называемой активной массы электродов. Основание же их является свинцово-кальциевым или свинцово-сурьмяным.

При разрядке происходит такое же взаимодействие, как и в элементе Вольта: отрицательные ионы серной кислоты притягиваются к положительным атомам свинца с образованием сульфата свинца, так что электрод приобретает отрицательный заряд, электролит — положительный.

Попутно из освободившегося водорода и кислорода, выделяющегося из двуокиси свинца, образуется вода, что приводит к снижению плотности электролита. По этому параметру определяют уровень заряда аккумулятора.

Автомобильный аккумулятор

При зарядке происходит обратный процесс: сульфат свинца и вода превращаются в серную кислоту, свинец и диоксид свинца.

Литий-ионный аккумулятор

Мобильные телефоны, ноутбуки, прочие электронные устройства, а также электромобили сегодня оснащают литий-ионными аккумуляторами. Электроды такого источника изготавливают путем нанесения катодного материала на фольгированный алюминий и анодного — на медную фольгу.

Заряд переносится положительно заряженными атомами лития. Они обладают способностью встраиваться в кристаллическую решетку различных материалов — солей и оксидов металлов, графита. При этом образуется химическая связь, например, в оксиде марганца — LiMnO2, в графите — LiC6.

В качестве отрицательной пластины сегодня применяют графит, в первых версиях это были металлический литий и каменноугольный кокс.

Катодные материалы используются такие:

  • лития кобальтат (LiCoO2);
  • литий-феррофосфат (LiFePO4);
  • растворы на основе никелата лития (в твердом агрегатном состоянии);
  • шпинель литий-марганцевая (LiMn2O4).

Достоинства литий-ионных аккумуляторов:

  • значительная емкость;
  • низкий саморазряд;
  • мизерный эффект памяти (практически нулевой).

Эти источники комплектуются контроллерами разряда. Устройство отключает батарею при перегреве и при сокращении разряда ниже критического уровня.

Генераторы

Генератор DC в основном устроен так же, как и переменный: в магнитном поле вращается ротор с обмотками и в последних, из-за постоянного изменения магнитного потока наводится ЭДС (закон электромагнитной индукции). Разница состоит в наличии коллектора — приспособления из полуколец, благодаря которому на токосъемные щетки всегда подается ЭДС с одной полярностью.

В каждом витке рамки ЭДС пульсирует — меняется при вращении от нуля до максимума. Применением обмотки из множества витков, расположенных по определенному закону, добиваются сглаживания пульсаций.

Выпрямители

Преобразование переменного тока в DC осуществляется посредством полупроводниковых приборов с односторонней проводимостью — диодов. Существует несколько разновидностей выпрямителей.Однополупериодные — простейший вариант преобразователя, состоящий из единственного диода. Последний пропускает ток только в течение полупериода, когда полярности входного напряжения и его собственная совпадают.

Для сглаживания пульсаций используется конденсатор: пока диод пропускает ток, он заряжается, а в течение второго полупериода отдает заряд. При частоте входного переменного тока 50 Гц требуемая емкость конденсатора слишком велика (от 2000 до 5000 мкФ).

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Что такое реактивное сопротивление и как оно определяется

Поэтому на таких частотах выпрямители данного типа применяют крайне редко. Импульсные блоки питания дают на выходе переменный ток намного большей частоты — 10-15 кГц. Здесь использование однополупериодных выпрямителей вполне уместно. Таким блоком питания является, например, зарядное устройство мобильного телефона.

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

  • нерациональное использование трансформатора;
  • значительное обратное напряжение на диоде.

Двухполупериодные пропускают ток в обоих полупериодах, есть две разновидности таких выпрямителей:

  1. схема со средней точкой. Это два однополупериодных выпрямителя, подключенные параллельно. Для работы схемы нужен особый трансформатор со средним выводом из вторичной катушки: с одной части катушки ток подается на нагрузку по 1-му диоду, со второй во втором полупериоде — по 2-му. Выпрямитель применялся, когда полупроводниковые приборы были дороги и сокращение их числа вдвое оправдывала использование более металлоемкого трансформатора. Сегодня рациональнее применять мостовую схему на 4-х диодах;
  2. мостовая схема. Представляет собой 4 диода, подключенные в виде квадрата. В одну диагональ включается нагрузка, на другую — подается переменное напряжение. Для сглаживания пульсаций используется LC-фильтр или только конденсатор.

Мостовая схема относится к наиболее распространенным, ее достоинства:

  • не требуется трансформатор со средним выводом, возможно подключение напрямую к электросети;
  • обратное напряжение на диодах вдвое меньше, чем в однополупериодном аналоге.

Характеристики

Батареи и аккумуляторы характеризуются такими основными параметрами:

  1. номинальное напряжение;
  2. номинальная емкость. Измеряется в ампер-часах (А*ч) или миллиампер-часах (мА*ч);
  3. номинальный ток нагрузки;
  4. саморазряд. Обозначает, как быстро уменьшается заряд в батарее при ее бездействии. К примеру, саморазряд литий-ионного аккумулятора при температуре +250С составляет 1,6% в мес.;
  5. температура эксплуатации.

Для автомобильных аккумуляторов важны:

  1. резервная емкость. Время, в течение которого источник при падении напряжения до 10,5 В способен выдавать ток в 25 А. В норме составляет не менее 90 мин;
  2. ток холодной прокрутки. Сила тока, генерируемая аккумулятором при температуре -180С в течение 10 сек. с напряжением на клеммах не ниже 7,5 В. Этот параметр характеризует способность устройства запустить двигатель автомобиля зимой.

Пульсирующий ток на выходе выпрямителя принято раскладывать на постоянную и переменную составляющую, при этом он характеризуется:

  • максимальным и минимальным значением Imax и Imin;
  • амплитудой переменной составляющей Iac;
  • величиной постоянной составляющей Idc;
  • коэффициентом пульсаций (отношение амплитуды переменной составляющей к величине постоянной).

Регулируемые источники

Регулируемый источник состоит из таких компонентов:

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.  

Схемы

Однополупериодный выпрямитель. Простейшая схема с минимальным количеством элементов. Качество выпрямленного напряжения невысокое.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель, схема со средней точкой. Уровень пульсаций U  в данном случае ниже по сравнению с предыдущим вариантом.

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой

Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема. Самый популярный вариант для промышленной аппаратуры. В схеме используется 4 диода. Сглаживает пульсации напряжения RC-фильтр, установленный на выходе. Нередко его заменяет электролитический конденсатор.

Схема двухполупериодного мостового выпрямителя

Источник: https://proprovoda.ru/elektrooborudovanie/bloki-pitaniya/istochnik-postoyannogo-toka.html

Какие существуют виды источников электрического тока?

Источник электрического тока – это устройство, с помощью которого создаётся электрический ток в замкнутой электрической цепи. В настоящее время изобретено большое количество видов таких источников. Каждый вид используется для определённых целей.

Виды источников электрического тока

Существуют следующие виды источников электрического тока:

  • механические;
  • тепловые;
  • световые;
  • химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному.

Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока.

Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

СПРАВКА! Чтобы получить термопару, необходимо соединить 2 различных металла.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор.

В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой.

Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока.

Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту.

Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

  1. Гальванические
  2. Аккумуляторы
  3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):

  1. Солевые;
  2. Щелочные;
  3. Литиевые.

Солевые, или иначе “сухие”, батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:

  1. Свинцово-кислотные;
  2. Литий-ионные;
  3. Никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

СПРАВКА! Один элемент свинцово-цинкового аккумулятора вырабатывает напряжение 2 В. Соединив элементы последовательно, можно получить любое напряжение, кратное 2. Например, в автомобильных аккумуляторах напряжение 12 В, т.к. соединены 6 элементов.

Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.

Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.

ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.

В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.

СПРАВКА! Никель-кадмиевые аккумуляторы можно хранить в разряженном состоянии, в отличии от литий-ионных.

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

ВАЖНО! Первоначально тепловые химические источники не могут давать электрический ток. В них электролит содержится в твёрдом состоянии и для приведения батареи в рабочее состояние необходим разогрев до 500-600°C. Такой разогрев осуществляется специальной пиротехнической смесью, которая воспламеняется в нужный момент.

Отличие реального источника от идеального

Идеальный источник по законам физики должен обладать бесконечным внутренним сопротивлением, чтобы обеспечить постоянство электрического тока в нагрузке. Реальные источники имеют конечное внутренне сопротивление, а значит ток зависит как от внешней нагрузки, так и от внутреннего сопротивления.

Вот вкратце и всё о разнообразии современных источников электрического тока. Как видно из обзора, на сегодняшний день создано внушительное количество источников с характеристиками, подходящими для любой сферы применения.

Источник: https://odinelectric.ru/elektrosnabzhenie/vidy-istochnikov-electricheskogo-toka

Химические источники тока

Радиоэлектроника для начинающих

К химическим источникам тока причисляют гальванические элементы и аккумуляторы. Есть и другие химические источники тока, но они менее распространены. В обиходе гальванический элемент получил название батарейка. Это не совсем верное определение, так как батарейкой можно назвать несколько отдельных гальванических элементов соединённых вместе – это и есть батарея питания или батарейка.

Узнайте подробнее о правильном соединении элементов питания.

На принципиальных схемах гальванический элемент обозначается так.

Так обозначают один гальванический элемент или один элемент аккумулятора.

Но поскольку номинальное напряжение на одном гальваническом элементе обычно не более 1,5 вольта, их соединяют в батареи питания. Батарея питания на принципиальной схеме обозначается вот так.

Здесь показано, что батарея питания состоит из двух отдельных гальванических элементов. Общее напряжение на полюсах этой составной батареи — 3 вольта из расчёта, что каждый из элементов имеет на полюсах напряжение 1,5 вольта. Также на схемах можно встретить и такое обозначение.

Это тоже условное изображение батареи питания или батарейки на принципиальной схеме, только здесь не уточняется, сколько именно гальванических элементов используется в батарее, а указано лишь общее напряжение на полюсах батареи.

Одиночный аккумуляторный элемент обозначается на схемах так же, как и отдельный гальванический элемент. Номинальное напряжение одного аккумуляторного элемента обычно составляет около 1,25 вольт. Чтобы получить аккумулятор с большим напряжением аккумуляторные элементы соединяют вместе – получается аккумуляторная батарея или просто аккумулятор. Обозначение аккумуляторной батареи на схемах такое же, как и батареи, составленной из гальванических элементов.

Чем гальванический элемент отличается от аккумулятора?

Дело в том, что гальванический элемент сам является источником постоянного тока, который образуется за счёт необратимой химической реакции. Гальванический элемент причисляют к первичным источникам тока.

Аккумулятор является так называемым вторичным источником тока. Почему? Потому, что перед тем, как использовать аккумулятор, его нужно предварительно зарядить от источника постоянного тока — зарядника.

Только после полной зарядки аккумулятор сможет питать электронное устройство. Отличительным качеством аккумуляторов является то, что их можно заряжать и разряжать много раз.

В отличие от аккумулятора, гальваническая батарея питания после своего полного разряда не может быть использована повторно.

Какие существуют батарейки?

Наибольшее распространение в настоящее время получили щелочные батареи питания. Их ещё называют алкалиновыми – производное от английского слова alkaline – «щелочь».

Работа щелочной батарейки основана на окислительно-восстановительной химической реакции между цинком и диоксидом марганца. Результатом, а точнее полезным продуктом этой реакции является электрический постоянный ток и тепло, которое не используется. Электрическая ёмкость щелочной батарейки составлет около 1700 — 3000 мАч. По величине своей ёмкости, щелочные батарейки лидируют по сравнению с солевыми батарейками, электроёмкость которых меньше и составляет 550 — 1100 мАч.

Щелочная батарейка устроена следующим образом. Взглянем на рисунок.

Корпусом элемента является никелированный стальной стакан. Он же является плюсовым контактом батарейки «+». Активная масса представляет собой смесь диоксида марганца (MnO2) и графита.

Анодная паста – это смесь порошка цинка (Zn) и густого щелочного электролита. Электролитом обычно служит раствор гидроксида калия (KOH). Анодная паста отделена от активной массы сепаратором.

Сепаратор разделяет реагенты, исключая их перемешивание и нейтрализацию заряда. Также сепаратор пропитан электролитом.

Отрицательный потенциал снимается с латунного стержня, который окружён анодной пастой. Стальная тарелка контактирует с латунным стержнем – токосъёмником и является отрицательным контактом элемента «».

Прокладка изолирует никелированный стальной стакан от стальной тарелки, препятствуя тем самым короткому замыканию. Кроме этого прокладка сдерживает давление газа, который в незначительном количестве образуется при химической реакции.

В толще прокладки имеется защитный клапан или по-другому предохранительная мембрана. Защитный клапан служат для того, чтобы при чрезмерном давлении газа сработать и выпустить его наружу. Это предотвращает взрыв щелочного элемента, но и приводит к его разгерметизации.

Как правило, разгерметизация приводит к течи электролита.

Иногда, забыв вынуть уже подсевшие батарейки, через некоторое время можно обнаружить, что в батарейном отсеке появилась какая-то жидкость. Это и есть потёкший электролит. Он может вызвать коррозию контактов. Поэтому на упаковке с батарейками можно найти предупреждение о том, что севшие элементы нужно вынимать из электроприборов. Теперь вы знаете, зачем это нужно делать.
Итак, с устройством разобрались, теперь поговорим о том, как работает щелочной элемент.

Как работает щелочной элемент

Для начала, маленькое отступление
Как вы заметили, почему то анодная паста соединяется с помощью токосъёмника с отрицательным контактом элемента – стальной тарелкой. А ведь анод – это «+». Получается нестыковочка

В чём тут дело? А дело в том, что в электронике есть один каламбур. По умолчанию, за направление тока в электрической цепи считается направление от плюса (анода) к минусу (катоду) – так повелось ещё с тех времён, когда электроника ещё зарождалась.

Но ведь электрический ток, как известно, это упорядоченное движение электронов, которые имеют отрицательный заряд. И поэтому, ток течёт оттуда, где есть избыток электронов, в направлении, где есть нехватка отрицательных зарядов (это и есть плюс – недостаток электронов). При этом получается, что ток течёт в реальности от отрицательного контакта к положительному. Именно поэтому образуется эта нестыковка, которая порой вводит начинающих радиолюбителей в ступор.

В электрохимии анодом принято считать тот электрод, на котором происходит процесс окисления. Так вот в щелочной батарейке (и не только) на аноде в результате окисления образуется избыток электронов. То есть по сути – это катод, «минус». Но, как уже говорилось, в электрохимии всё наоборот. Итак, электроны вырабатываются анодной пастой – смесью цинкового порошка (Zn) и густого электролита (раствора KOH).

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Что такое киловольт

Катодом же считается электрод, где происходит реакция восстановления.

Далее электроны, которые были получены в результате реакции окисления, проходят по электрической цепи электронного прибора, и возвращаются опять в батарейку, но уже на катод, где эти электроны используются для восстановительной химической реакции.

Катод – это диоксид марганца. Токоприёмником катода служит никелированный стальной стакан, который контактирует с активной массой – диоксидом марганца (MnO2).

Вот такая игра в наоборот. Напомню ещё раз, что в электронике за направление тока в цепи считается направление от плюса-«анода» к минусу-«катоду». В электрохимии всё наоборот. С этим и связаны особенности в названии реагентов химического источника тока.

Можно ли заряжать батарейки?

Также часто можно слышать вопрос: «Можно ли заряжать батарейки?» Ответим: «Лучше не стоит». Дело в том, что для вырабатывания электрической энергии в батарейках используется необратимая химическая реакция. Поэтому батарейка и является первичным источникам тока.

А вот в аккумуляторах используется обратимая химическая реакция, которая позволяет заряжать и разряжать их множество раз. Поэтому аккумуляторы и называют вторичными источниками тока.

Несмотря на это, известно, что щелочные элементы допускают перезарядку, т.е. их можно зарядить и использовать повторно. Но такие, перезаряжаемые щелочные элементы имеют свою особую конструкцию. Также стоит отметить, что даже такие элементы нельзя перезаряжать много раз, обычно не более 25. В широкой продаже такие щелочные элементы не встречаются. Их маркируют как Rechargeable Alkaline Manganese.

Из всего этого следует, что заряжать обычные щелочные батарейки категорически не стоит. Такие эксперименты могут завершиться взрывом батарейки и разбрызгиванием электролита. А это не есть гуд +опасно для здоровья .

Чтобы замедлить химическую реакцию в щелочном элементе и, тем самым, продлить срок её хранения и снизить саморазряд батареи, в них раньше добавляли кадмий и ртуть. Эти вещества замедляли химическую реакцию, и цинк окислялся медленнее. Но, из-за токсичности ртути и кадмия их сейчас не используют, а применяют другие, менее вредные ингибиторы.

На многих батарейках можно даже увидеть надпись – 0% кадмия и ртути или 0% Hg & Cd. Это своеобразный маркетинговый ход, как бы намекающий на то, что данные батарейки безопасны.

Если вы с успехом дошли до этих строк, то теперь вас можно поздравить, ведь теперь вы знаете, как устроена и работает щелочная батарейка. И поэтому её и не обязательно разбирать . Кроме щелочных элементов питания существуют и другие, но об их устройстве мы расскажем в другой раз.

» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

  • Собираем блок питания своими руками.
  • Зачем нужен трансформатор?

Источник: https://go-radio.ru/ximicheskie-istochniki-toka.html

Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения :

Постоянный ток существует только в замкнутой цепи и сохраняет свое направление и основные параметры неизменными во времени. Для его поддержания необходимо наличие постоянного напряжения. Это требование является неизменным для различных источников постоянного тока.

Источники постоянного электрического тока

Существует несколько основных видов источников энергии постоянного тока. Каждый из них основан на использовании разных физических принципов и используется в определенных условиях. К ним можно отнести следующие виды:

  • механические, превращающие механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию;
  • тепловые, в которых в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия;
  • химические, в которых в электрическую энергию преобразуется энергия, выделяющаяся в результате химического процесса;
  • световые, превращающие энергию солнечного света в электрическую энергию.

В основном электроэнергия вырабатывается электростанциями, от которых потребители получают не постоянный, а переменный ток, который затем преобразуется в постоянный. Но во многих сферах можно применять только тепловые, световые или химические источники постоянного электрического тока.

Тепловые источники

В этих источниках используется термоэлектрический эффект. Электрический ток в замкнутой цепи возникает благодаря разнице температур, контактирующих между собой, металлов или полупроводниковых структур. В месте контакта при нагреве возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС). Электрический ток заряженных частиц направлен от нагретого участка в сторону холодного. Его величина пропорциональна разнице температур. В месте спая образуется термопара.

Приборы, которые для создания постоянного тока используют тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопных материалов, являются радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.

Световые источники

Свойство полупроводников создавать ЭДС при попадании на них потока света используется при создании световых источников постоянного тока.

Объединение большого количества кремниевых структур позволяет создавать солнечные батареи. Небольшие электростанции, созданные на базе таких солнечных панелей, имеют на сегодняшний день КПД не более 15%.

Химические источники

Получение положительных и отрицательно заряженных частиц в химических источниках постоянного тока осуществляется за счет химических реакций. По классификации химических источников они делятся на 3 группы:

*ХИТ — химические источники тока.

Гальванические элементы используют принцип действия, основанный на взаимодействии двух металлов через среду электролита. Вид и характеристики ХИТ зависят от выбранной пары металлов и состава электролита. Два металлических электрода источника тока по аналогии с прибором односторонней проводимости получили название анода («+») и катода («-«).

Материалом для изготовления анода могут служить свинец, цинк, кадмий и другие. Катод изготавливают из оксида свинца, графита, оксида марганца, гидрооксида никеля. По составу электролита гальванические элементы разделяются на 3 вида:

  • солевые или «сухие»;
  • щелочные;
  • литиевые.

В элементах первых двух видов графито-марганцевый стержень (катод) помещен по оси цинкового цилиндрического стаканчика (анода). Свободное пространство между ними заполнено пастой на основе хлорида аммония (солевые) или гидрооксида калия (щелочные).

В литиевых элементах цинковый анод заменен щелочным литием, что привело к значительному увеличению продолжительности работы. Материал катода в них определяет выходное напряжение батарейки (1,5-3,7) В. Первичные ХИТ являются источниками одноразового действия. Его реагенты, расходующиеся в процессе работы, не подлежат восстановлению.

Аккумуляторы представляют собой устройства, в которых производится преобразование электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию при заряде и ее накопление. В процессе работы (разряд) происходит обратное преобразование — химическая энергия служит источником постоянного электрического тока.

К основным видам аккумуляторов относятся:

  • свинцово-кислотные;
  • никель-кадмиевые щелочные;
  • литий-ионные.

Для создания химических процессов набор пластин помещен в раствор электролита. В АКБ, созданных по современным технологиям, раствор представляет собой не жидкость, а гелиевый состав (GEL) или сотовые сепараторы, пропитанные электролитом и помещенные между свинцовыми пластинами (AGM).

Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы для работы в качестве источников постоянного тока для запуска двигателей автомобилей собирают из набора отдельных аккумуляторных элементов («банок»). Каждая «банка» обеспечивает на своих клеммах напряжение 2,1 В. Соединенные последовательно 6 элементов и помещенные в ударопрочный корпус, имеют на выходных клеммах аккумулятора необходимые для запуска двигателя 12 В.

В литий-ионных аккумуляторах носителями электрического тока служат ионы лития. Они образуются на катоде, изготовленному из соли лития. Анод может быть изготовлен из графита или оксидов кобальта.

Напряжение постоянного тока на выходе аккумулятора может варьироваться в пределах (3,0-4,2) В в зависимости от используемых материалов. Эти аккумуляторы имеют низкое значение тока саморазряда и допускают большое количество циклов заряд/разряд.

Благодаря этому все современные гаджеты используют аккумуляторы этого вида.

Механические источники постоянного тока

Устройствами, преобразующими механическую энергию в электрическую, являются турбо и гидро генераторы. Они вырабатывают переменный электрический ток. Для основной части бытовых приборов источником постоянного тока выступают их блоки питания.

В них производится преобразование переменного напряжения генератора в постоянное напряжение, необходимое для работы устройств.

Эту задачу выполняют выпрямители, которые должны обеспечивать необходимую мощность источника постоянного тока для их нагрузки и постоянное значение выходного напряжения, не зависящее от потребляемого тока.

Блоки питания могут быть линейными и импульсными. Линейные блоки выполняются по разным схемам, основу которых составляют:

  • однополупериодые выпрямители;
  • двухполупериодные выпрямители.

В выпрямителях используется свойство полупроводниковых диодов пропускать ток только в одном направлении. Выпрямленное таким образом напряжение еще не является постоянным.

Емкости последующих за выпрямителем конденсаторов сглаживающего фильтра при своем быстром заряде и медленном разряде поддерживают величину положительного однополярного напряжения на определенном значении.

Его величина определяется трансформатором, получающим напряжение от генератора переменного тока. Для однофазного напряжения домашней сети 220 В 50 Гц его стальной сердечник имеет значительные размеры и вес.

Схемы однополупериодных содержат всего один полупроводниковый диод, пропускающий только одну полуволну синусоидального переменного входного напряжения.

Двухполупериодные выпрямители выполняются по мостовой схеме или по схеме с общей точкой. В последнем случае вторичная обмотка сетевого трансформатора имеет вывод от своей середины. Эти выпрямители представляют собой параллельное включение двух однополупериодных выпрямителей. Они действуют на обе полуволны синусоиды переменного входного напряжения.

Мостовая схема выпрямителя является наиболее распространенной. Соединение 4-х диодов в ней напоминает «квадрат». К одной из диагоналей подключается переменное напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора. Нагрузка включается в другую диагональ «квадрата». Им будет входной элемент сглаживающего фильтра.

Регулирование источника

Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

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.

Сравнение источников

Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.

Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока.

Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне.

В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.

Заключение

В статье был дан общий обзор существующих источников постоянного тока. Изложенный материал лишь знакомит читателей с основными принципами их работы. Из него можно сделать вывод, что каждый из видов источников постоянного тока используется в своей области.

Источник: https://www.syl.ru/article/472446/istochniki-postoyannogo-toka-vidyi-harakteristiki-sferyi-primeneniya

Разница между источником тока и источником напряжения

Трудно представить современный мир без электричества, телефон останется без подзарядки, а просмотр фильма попросту станет невозможен. Да, без этого явления жизнь покажется тяжелой.

Но для того чтобы получить его, нужен поток энергии, физическая составляющая которого, может иметь различный характер. В электротехнике принято подразделять элементы питания на две группы: по постоянному току или напряжению.

Они бывают идеальными, но существующие лишь в теории и реальные, которые возможно увидеть на практике.

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.

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.

Идеальный источник напряжения (ЭДС)

У идеального устройства, напряжение является неизменным параметром и не зависит от значения нагрузочного тока, вместе с тем, его внутреннее сопротивление равно 0. Если создание данного прибора было бы возможным, то он представлял источник бесконечной мощности. Величина тока и мощности при подключенной нагрузке стремилась к бесконечному числу. Но, как мы знаем мощность, имеет конечное значение.

Описанный элемент питания, является теоретическим понятием, на практике таких условий достичь невозможно, поэтому применяется лишь в моделировании процессов.

Реальный источник напряжения

В реальности имеем устройство ЭДС, которое характеризуется наличием внутреннего сопротивления, по этой причине ток будет иметь граничное значение.

В большинстве устройств внутреннее сопротивление незначительная величина, если сравнивать с внешними показателями, и чем меньше это параметр, тем ближе к идеальному варианту. При увеличении тока будет происходить падение напряжения. В расчетах обозначается как идеальный источник ЭДС с подключенным последовательно сопротивлением.

Ток через источник равен 0, если создан режим холостого хода. При возникновении короткого замыкания, примет максимальное значение, а разность потенциалов на выходе станет равной 0.

В качестве примера можно рассмотреть аккумуляторную батарею, принцип работы которой, основан на химической реакции.

Вывод

  • Реальные приборы в отличие от идеальных устройств содержат внутреннее сопротивление.
  • Что касается отличия идеального устройства тока от напряжения, то оно заключается в том, какой параметр является постоянным и не зависит от присоединяемой нагрузки. Это соответствует их названиям, для приборов ЭДС– напряжение, для генератора – ток.
  • При составлении схемы замещения, внутреннее сопротивление источника тока подключается параллельно, напряжения – последовательно.
  • Для реальных устройств, существует разница во внутреннем сопротивлении: для генераторов лучше иметь большое сопротивление, для источника ЭДС – малое.

Источник: https://vchemraznica.ru/raznica-mezhdu-istochnikom-toka-i-istochnikom-napryazheniya/

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Электрогенератор
Как возникает электрическое поле

Закрыть