Лекция №1 источники электрического тока
Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию. В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаютсяна полюсах источника. Существуют различные виды источников тока:
Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.
К ним относятся : электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака), динамо-машина, генераторы.
Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.
Например, термоэлемент — две проволоки из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть место спая, тогда между другими концами этих проволок появится напряжение. Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.
Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию.
Например, фотоэлемент — при освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи. Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.
Химический источник тока — в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.
Например, гальванический элемент — в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполнен-ный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря. При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень — положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд — отрицательным электродом. Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.
Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания. Аккумуляторы — в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах.
Условные обозначения
Условное обозначение источника тока на электрической схеме
или батареи, состоящей из нескольких источников
Основные законы постоянного тока
Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов по проводнику под действием сил электрического поля.
Электрический ток может быть постоянным и переменным.
Постоянным называют такой электрический ток, который с течением времени не изменяет своего направления и величины при прохождении по замкнутой электрической цепи.
Электрическая цепь. Простейшая электрическая цепь состоит из источника напряжения, потребителей и проводов, соединяющих источник напряжения с потребителями. Источниками напряжения могут быть гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы и т. п., а потребителями — лампы накаливания, электронагревательные и электроизмерительные приборы, электродвигатели и т.п.
Источник электроэнергии, образует внутреннюю цепь, а все остальное — внешнюю цепь. При разрыве электрической цепи действие электрического тока прекращается.
Сила и плотность тока. Сила тока определяется количеством электричества, протекающего через поперечное сечение проводника в одну секунду, т. е.
где I — сила тока в цепи, а;
Q — количество электричества, к;
t — время, сек.
Отношение величины тока I к площади поперечного сечения проводника s называется плотностью тока и обозначается буквой δ:
Площадь сечения проводников измеряется в мм 2 , поэтому плотность тока имеет размерность а/мм 2 .
Сопротивление и проводимость. По способности проводить электрический ток твердые вещества делятся на проводники, хорошо проводящие электрический ток, и непроводники, или диэлектрики. К проводникам относятся металлы и графит, к диэлектрикам — резина, эбонит, слюда и т, д.
Все проводники имеют сопротивление и проводимость.
Сопротивлением проводника R называется препятствие, оказываемое проводником электрическому току. Электрическое сопротивление проводника зависит от длины, поперечного сечения, температуры и материала. Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток. Наибольшим сопротивлением обладает нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца). Из нихрома изготовляют различные нагревательные элементы.
Наименьшее сопротивление имеют серебро, медь и алюминий, из них изготовляют проводники.
Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению проводника, т. е.
За единицу сопротивления (Ω-омега) принят ом. Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм 2 называется удельным и обозначается ρ(ро).
Электродвижущая сила. Электродвижущей силой называют энергию или работу, совершаемую источником тока, которая устанавливает и поддерживает разность потенциалов, вызывает электрический ток в цепи, преодолевая ее внешнее и внутреннее сопротивление. В генераторах электродвижущая сила возникает благодаря электромагнитной индукции, а в аккумуляторах — в результате химических реакций. При холостом ходе генератора электрический ток отсутствует, а электродвижущая сила равна разности потенциалов на его зажимах. Электродвижущая сила, как и напряжение, измеряется в вольтах, а энергия — в джоулях.
Закон Ома. Закон Ома — это один из основных законов электротехники. Он выражает соотношение между электродвижущей силой, сопротивлением цепи и током в ней. Согласно этому закону ток в цепи прямо пропорционален электродвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению всей цепи:
где I — сила тока в цепи, а;
E — электродвижущая сила источника энергии, в;
R — сопротивление внешней цепи, ом;
r0 — сопротивление внутренней цепи, ом.
Для участка цепи закон Ома определяется по следующей формуле:
Соединения приемников электроэнергии. Приемники электрической энергии могут включаться в электрическую цепь последовательно, параллельно и смешанно. При последовательном соединении приемники электрической энергии включаются в цепь один за другим. Общее сопротивление такого соединения равно сумме отдельных сопротивлений приемников:
Ток во всех последовательно соединенных приемниках одинаков, т. е.
При параллельном включении приемники электроэнергии создают для тока три пути, по которым он может проходить. В этом случае ток, приходящий к точке, равен сумме токов, уходящих от этой точки:
Общая проводимость этой цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей:
Смешанное соединение приемников электроэнергии представляет собой совокупность последовательных и параллельных соединений.
Работа и мощность тока. Способность электрического тока совершать работу называют энергией электрического тока. Работа источника энергии зависит от напряжения, силы тока и времени, т. е.
где А — работа источника энергии, Вт сек или дж;
U — напряжение, в;
I— сила тока, а;
t -время, сек.
Кроме того, работу измеряют в ватт-часах, гектоватт-часах и киловатт-часах специальными приборами — счетчиками.
Мощностью называют работу, произведенную в единицу времени.
Ее подсчитывают по формуле:
За единицу мощности принимают работу тока в один ампер под напряжением один вольт за одну секунду. Такую единицу называют ваттом. Большие мощности измеряют в гектоваттах (1 гвт=100 вт) и киловаттах (1 квт=1000 вт). Соотношения между электрическими и механическими единицами мощности следующие: 1 л. с. = 736 вт; 1,36л. с. = 1 кет.
Источник тока
Исто́чник то́ка (также генератор тока) — двухполюсник, который создаёт ток , не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединён. В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так, более того, обычно используемые в быту источники напряжения по своим характеристикам гораздо ближе к источнику ЭДС, чем к источнику тока.
На рисунке 1 представлена схема замещения триполярного транзистора, содержащая источник тока (с указанием S·Uбэ; стрелка в кружке указывает положительное направление тока источника тока), генерирующий ток S·Uбэ, т. е. ток, зависящий от напряжения на другом участке схемы.
Содержание
Свойства
Идеальный источник тока
Напряжение на клеммах идеального источника тока зависит только от сопротивления внешней цепи:
. Отличие состоит в том, что чем больше внутреннее сопротивление, тем ближе источник тока к идеальному (источник ЭДС, наоборот, тем ближе к идеальному, чем меньше его внутреннее сопротивление). Реальный источник тока с внутренним сопротивлением 
эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление и ЭДС 
Применение
Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. Например, реальные генераторы тока создают электрический ток только в некотором диапазоне напряжений, верхний порог которого зависит от напряжения питания источника. Таким образом, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.
Источники тока широко используются в аналоговой схемотехнике, например, для питания измерительных мостов, для питания каскадов дифференциальных усилителей, в частности операционных усилителей.
Концепция генератора тока используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Для описания активных элементов для них вводятся эквивалентные схемы, содержащие управляемые генераторы:
- Источник тока, управляемый напряжением (сокращенно ИТУН)
- Источник тока, управляемый током (сокращенно ИТУТ)
Примечания
- ↑http://offer-shem.narod.ru/data/plan.pdf
См. также
Литература
- Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М .: Гардарики, 2002. — 638 с. — ISBN 5-8297-0026-3
- Эквивалентные схемы
- Электротехника
- Источники питания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое «Источник тока» в других словарях:
источник тока — Источник электрической энергии, характеризующийся электрическим током в нем и внутренней проводимостью. [ГОСТ Р 52002 2003] Тематики источники и системы электропитанияэлектротехника, основные понятия Синонимы источник электрического тока … Справочник технического переводчика
Источник тока — 115. Источник тока Источник электромагнитной энергии, характеризующийся током в нем и внутренней проводимостью Источник: ГОСТ 19880 74: Электротехника. Основные понятия. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
источник тока — srovės šaltinis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. current source; current supply vok. Stromquelle, f rus. источник тока, m pranc. source de courant, f … Automatikos terminų žodynas
источник тока — srovės šaltinis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Šaltinis, kurio išėjimo srovė nepriklauso nuo apkrovos pilnutinės varžos. Tai šaltinis, kurio vidinė varža yra didesnė už apkrovos varžą. atitikmenys: angl. constant… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
источник тока — srovės šaltinis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Maitinimo šaltinis, apibūdinamas srovės veiksena. atitikmenys: angl. current source vok. Stromquelle, f rus. источник тока, m pranc. source de courant, f … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
источник тока — srovės šaltinis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Įtaisas, paverčiantis įvairias energijos rūšis elektros energija. atitikmenys: angl. current source vok. Stromquelle, f rus. источник тока, m pranc. source de courant, f … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
источник тока — srovės šaltinis statusas T sritis chemija apibrėžtis Įtaisas, paverčiantis įvairias energijos rūšis elektros energija. atitikmenys: angl. current source rus. источник тока … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
источник тока — srovės šaltinis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. current source vok. Stromquelle, f rus. источник тока, m pranc. source de courant, f … Fizikos terminų žodynas
источник (тока) возбуждения — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN field power source … Справочник технического переводчика
источник тока многократного действия — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN rechargeable cell … Справочник технического переводчика
Что такое источник тока?
Исто́чник то́ка (также генератор тока) — двухполюсник, который создаёт ток I = Ik, не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединён.
На рисунке 1 представлена схема замещения биполярного транзистора, содержащая источник тока (с указанием S·Uбэ; стрелка в кружке указывает положительное направление тока источника тока) , генерирующий ток S·Uбэ, т. е. ток, зависящий от напряжения на другом участке схемы.
Источник тока — это такая хрень, которая заставляет электроны (элементарные единичные заряды) двигаться в проводнике.
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.
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:
- Гальванические
- Аккумуляторы
- 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):
- Солевые;
- Щелочные;
- 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:
- Свинцово-кислотные;
- Литий-ионные;
- 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.
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.
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.