Наша сеть партнеров Banwar
І знову здрастуйте! Сьогодні ми швидким, але впевненим кроком стисло нагадаємо основні видам джерел сторонніх сил, що створюють в провіднику так необхідний нам електричний струм, розглянемо ближче процеси, в них протікають, вивернемо назовні секрети їх роботи, відзначимо їх переваги і недоліки. До речі, завдань сьогодні знову не буде, так що ніщо не відволікає нас від вивчення. Вперед!
Почнемо, мабуть з того, що два види джерел живлення вже згадувалося в попередніх уроках: по-перше, це хімічне джерело енергії - акумулятор і, по-друге, порушене в самому-самому початку ефект заряду скляній або ебонітовою палички при терті її об вовну , хутро або шовк. Отже. Ще раз нагадаю, що джерелом струму в замкнутому ланцюзі є стороння сила, що розділяє заряди всередині джерела. Оскільки енергія не може взятися нізвідки, для отримання електричної енергії необхідно перетворити будь-який інший вид енергії. У випадку з акумулятором це хімічна енергія, у випадку з паличкою - сила тертя. Варто відзначити, що тертя є найстарішим способом отримання електрики, з його допомогою можна створювати напруги до декількох десятків тисяч вольт. Яскравим прикладом джерела на основі тертя є генератор Ван де Грааф, але ми не будемо його розглядати, оскільки тертя практично не використовується на практиці.
Хімічних джерел напруги (а саме так називають джерела, перетворюють хімічну енергію в електрику) існує дуже і дуже багато. Для початку зазначимо дві великі групи цих джерел: джерела, які не можуть бути перезаряджені, - первинні елементи, і джерела, які можуть бути перезаряджені і використані багаторазово, - вторинні елементи. Вторинні елементи це відомі нам акумулятори в автомобілі, стільниковому телефоні, ноутбуці і т.п. До первинних елементів відносяться лужні і гальванічні батареї, так само широко застосовуються в мобільних та автономних пристроях. Почнемо розгляд хімічних джерел з первинного елемента названого на ім'я його винахідника Ж. Лекланше Елемент Лекланше є найвідомішим первинним елементом (батарея одноразового використання, «пальчикова» батарейка типу АА), який сьогодні широко використовується в радіо, годиннику, ліхтариках і т.д. Також елемент Лекланше називають «сухим елементом».
В якості електродів в сухому елементі виступають цинковий стакан і вугільний стрижень. Тому сухий елемент називають ще вугільно-цинковим або сольовим елементом. Цинк виступає в ролі анода, вугілля - в ролі катода. Вугільний стрижень оточений сумішшю діоксиду марганцю (MnO2) і вугілля (сажі). В якості електроліту виступає розчин хлориду амонію (NH4Cl) з невеликою добавкою хлориду цинку (ZnCl2) згущений крохмалем і борошном. Сухий елемент герметичний, повітронепроникний. При споживанні струму електрони надходять (через зовнішнє електричне коло) з цинкового анода на вугільний стрижень. 
Малюнок 5.1 - «Сухий елемент»
Відбуваються такі реакції:
Анод: Zn → Zn2 + + 2e-
На вугільному стрижні, катоді, електрони витрачаються на відновлення H3O + -іонів:
2H3O + + 2e- → H2 + 2H2O
При відновленні H3O + -іонів утворюється водень, який не може піти (корпус герметичний) і утворює навколо вугільного стрижня прошарок газу (поляризація вугільного електрода). Струм повільно згасає. Щоб уникнути утворення водню, вугільний електрод оточують шаром діоксиду марганцю (MnO2). Через присутність діоксиду марганцю відбувається відновлення H3O + -іонів до води і поляризація електрода виключається. Під час розрядки цинковий стакан частково розчиняється. Щоб уникнути витікання електроліту або продуктів реакції цинковий стакан має запас по товщині або оточений залізною захисною оболонкою. До гідності даного елемента можна віднести відносно велика напруга - до 1.8В і дешевизну в порівнянні з іншими хімічними джерелами. А ось недоліків у «сухого елемента» більш ніж достатньо: невисокі термін зберігання (не більше двох років), відсутність можливості зарядки (це все-таки одноразовий елемент - відпрацював, викинули), крім того, до недоліків можна сміливо віднести невисоку щільність енергії на одиницю маси, але про це ми говоримо пізніше, коли будемо розглядати питання роботи і потужності електричного струму.
Крім елемента Лекланше існує ще кілька різновидів первинних джерел, заснованих на тому ж принципі роботи - взаємодії двох металів через електроліт, що приводить до виникнення в замкнутому ланцюзі електричного струму. ЕРС гальванічного елемента (а їх називають ще й так!) Залежить від матеріалу електродів і складу електроліту. Будова і принцип залишаються тими ж, змінюються лише матеріали, тому не будемо розглядати їх детально, просто наведемо порівняльну таблицю із зазначенням достоїнств і недоліків.
Таблиця 5.1 - Порівняння первинних хімічних джерел енергії
Так само ми не будемо зупинятися на докладному розгляді вторинних хімічних джерел (акумуляторів). Обмовимо лише той факт, що принцип дії акумулятора заснований на оборотності хімічної реакції. Працездатність акумулятора може бути відновлена шляхом заряду, тобто пропусканням струму в напрямку, протилежному напрямку струму при розряді. Кілька акумуляторів, об'єднаних в одну електричну ланцюг, називають акумуляторною батареєю. Як і у випадку з первинними джерелами розглянемо основні характеристики і область застосування різних типів акумуляторів.
Таблиця 5.2 - Порівняння вторинних хімічних джерел енергії
Ну ось, з хімічними джерелами ми закінчили. Тепер варто більш детально зупинитися на перетворювачах (а джерела електрики - перетворювачі одного виду енергії в інший!) Теплової енергії в електричну. Ефект перетворення тепла в ток носить назву термоелектричного ефекту або ефекту Зеєбека. Ефект Зеєбека полягає в тому, що в замкнутій ланцюга, що складається з різнорідних провідників, виникає термо-ЕРС, якщо місця контактів підтримують при різних температурах. Ланцюг, яка складається тільки з двох різних провідників, називається термоелементом або термопарою. Суть цього ефекту в наступному: якщо вздовж провідника існує градієнт температур (тобто температура конкретної точки провідника залежить від координати), то електрони на гарячому кінці набувають вищих енергії і швидкості, ніж на холодному. В результаті виникає потік електронів від гарячого кінця до холодного і на холодному кінці накопичується негативний заряд, а на гарячому залишається нескомпенсований позитивний заряд. Процес накопичення заряду продовжується до тих пір, поки що виникла різниця потенціалів не викличе потік електронів в зворотному напрямку, рівний первинному, завдяки чому встановиться рівновага. А так як процес нагрівання відбувається безперервно, ми отримуємо непотенційного силу, здатну розділяти заряди на кінцях термопари. 
Малюнок 5.2 - Термопара
Термопара характеризується значенням коефіцієнта термоЕРС - одиниці, яка в певному діапазоні температур показує, наскільки зміниться ЕРС термопари при зміні різниці температур кінців на 1oС. Наприклад, існують такі види термопар:
- Хромель (сплав хрому, нікелю і марганцю) - алюмель (сплав алюмінію, нікелю та марганцю): коефіцієнт термоЕРС - 40мкВ / оС при ΔT 0-1300oC;
- Мідь-константан (сплав міді, нікелю та марганцю): коефіцієнт термоЕРС - 50мкВ / оС при ΔT 0-400oC;
- вольфрамренієвих: коефіцієнт термоЕРС - 10мкВ / оС при ΔT 1300-2500oC;
- платинородій (сплав платини і родію) - платинові: коефіцієнт термоЕРС - 12мкВ / оС при ΔT 600-1600oC;
Оскільки ЕРС термопар порівняно невелика, їх не використовують в якості джерел напруги. Основна область застосування термопар - вимір температури, так як ЕРС дуже залежна від різниці температур кінців.
Основними достоїнствами термопар можна вважати високу точність вимірювань (до десятих часток градуса), великий температурний діапазон (від -200 до + 2500оС), простоту у виготовленні і експлуатації, дешевизну і надійність. Однак вони мають і деякі недоліки: вплив температури вільних кінців на вимір температури спаю, протікання струму через спай в момент вимірювання призводить до охолодження гарячого спаю, залежність ЕРС від температури не є лінійної.
Ефект, зворотний перетворенню тепла в електрику, називається ефектом Пельтьє. Суть ефекту Пельтьє в тому, що виділення або поглинання тепла при проходженні електричного струму в місці контакту (спаяний) двох різнорідних провідників. Величина виділяє менше тепла та його знак залежать від виду контактуючих речовин, напрямку і сили протікає електричного струму. На цьому ефекті заснований елемент Пельтьє - термоелектричний охолоджувач. Такі охолоджувачі, наприклад, не так давно застосовувалися в системах охолодження центральних процесорів, показуючи досить хороші результати, причому охолодження могло бути повністю пасивним - без використання вентилятора. Однак через низький ККД і великих габаритів поступово елементи Пельтьє були витіснені активними системами охолодження на основі радіатора і вентилятора.
Так само останнім часом популярними є спосіб перетворення енергії Сонця в електричний струм. Ефект такого перетворення називається фотовольтаїчні ефектом. Він заснований на тому, що світло, який є потоком частинок - фотонів, може повідомляти енергію електронів, що входять до складу матеріалу, тим самим вивільняючи їх від впливу атомних зв'язків. У разі якщо енергії, повідомленої світлом, вистачає для того, щоб розірвати ці зв'язки, електрони набувають спрямований рух, в результаті чого змінюється їх кількість в різних частинах матеріалу, що і викликає появи фото-ерс. Значення цієї ЕРС досить невелика, тому для отримання великих напруг необхідно використовувати велику кількість фотоелементів. Крім того, на відміну від термоелектричного ефекту, фото-ерс виникає найкраще в напівпровідниках і діелектриках. Фотоелементи використовуються для джерел живлення супутників, космічних станцій, так само їх можна зустріти, наприклад, в калькуляторах. Через високу вартість і надзвичайно брудного циклу виробництва застосування фотоелементів дуже обмежена. 
Малюнок 5.3 - Фотоелемент калькулятора
Останнім з розглянутих сьогодні способів перетворення сторонніх сил в електрику є п'єзоелектричний ефект. Це перетворення тиску в електричний струм. П'єзоелектричний ефект справедливий для кристалічних речовин: кварц, турмалін і титанат барію. До додатка тиску заряд рівномірно розподілений по всьому об'єму речовини і ЕРС не виникає. Після того, як матеріал буде схильний до деформації, всередині матеріалу відбувається поляризація, яка супроводжується появою на його поверхні пов'язаних електричних зарядів. Ці пов'язані заряди створюють у діелектрику додаткове макроскопическое поле з напруженістю Е1, спрямоване проти зовнішнього поля з напруженістю Е0. Результуюча напруженість поля Е всередині діелектрика Е = Е0-Е1. Після зняття тиску, заряди в матеріалі знову розподіляються рівномірно по всьому об'єму ЕРС зникає разом з зникнення напруженості поля Е. П'єзоефект використовується в П'єзозапальнички, для отримання високої напруги на розряднику і підпалу газу, в датчиках в якості чутливого до сили елемента (чим більше сила , тим вище напруга на контактах), наприклад, в силовимірювальних датчиках і датчиках тиску рідин і газів, в якості чутливого елемента в мікрофонах, гідрофонах, прийомних елементів сонар в і т.д.
Хочеться зауважити, що ми не розглянули перетворення механічної енергії в електричну, яка відбувається в електричних машинах: двигунах і генераторах, оскільки це питання вимагає більш детального розгляду і він обов'язково буде освітлений. А на цьому я говорю вам «До побачення! До скорого!"
← Урок 4: Коли є струм? | зміст | Урок 6: Робота і потужність струму →