Какие источники вы знаете

7

ТИПЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Источниками электрического тока называют приборы, превращающие в электрическую энергию другие виды энергии, источники делятся на два класса: химические и физические.

Химические источники тока преобразуют химическую энергию в электрическую. Они состоят из одного источника или множества первичных или вторичных источников тока, объединенных в батарею. Превращение химической энергии в электрическую энергию выполняется в них непосредственно, без участия других видов энергий. Химические источники тока имеют разную степень многократного использования. В зависимости от возобновляемости введено разделение на два типа.

Первичные источники – батарейки. Их невозможно использовать повторно из-за необратимости химических реакций протекающих во время работы.
Вторичные источники – аккумуляторы. Перед использованием они заряжаются специальными приборами. Накопленный заряд транспортируется вместе с аккумуляторами. Во время эксплуатации аккумуляторов химическая энергия веществ, образовавшихся в процессе зарядки, преобразуется в электрическую энергию. После окончания заряда аккумулятора возможна регенерация веществ, необходимых для его работы путем зарядки.
Топливные элементы – аналогичны батарейкам, но для прохождения химической реакции вещества поступают в них снаружи, а продукты реакции удаляются, что дает возможность элементам эффективно работать долгое время.
Полутопливные элементы содержат одно из реагирующих веществ, второе при функционировании все время поступает в элемент. Срок службы установлен запасом не возобновляемого вещества. Если возможна регенерация не возобновляемого вещества путем зарядки, то полутопливный элемент восстанавливает работоспособность как аккумулятор.
Возобновляемые элементы – механически или химически перезаряжаемые элементы. В них предусмотрена возможность замены после окончания разряда израсходованных веществ. В отличие от топливных эти элементы работают с периодическим возобновлением реагентов.
Следует учитывать некоторую условность разделения на аккумуляторы и батарейки. Свойства аккумуляторов проявляются у щелочных батареек, их можно реанимировать при степени разряда 24-40 %. Некоторые аккумуляторы, как и батарейки, используются один раз.
По типу используемого электролита химические источники тока делятся на: cолевые, щелочные, кислотные.
Физические источники тока преобразуют механическую, световую, тепловую, ядерную и другие виды энергии кроме химической в электрическую.

ПУТАНИЦА В ТЕРМИНАХ

Источником тока принято называть множество приборов питания: батарейки, электрогенераторы, лабораторные блоки питания, источники питания системных блоков персональных компьютеров и многие другие. Перечисленные источники питания характеризуются выходным напряжением. Выбирая батарейку или блок питания, мы, прежде всего, ориентируемся на рабочее выходное напряжение, которое обязан поддерживать источник в пределах небольшого отклонения. Электрический ток изменяется в зависимости от сопротивления нагрузки в широких пределах, на некоторых источниках электроэнергии указан максимально возможный ток, который может отдать источник в нагрузку в зависимости от его мощности. Если основной параметр для выбора источника питания напряжение, то почему батарейки называются источниками тока, ведь правильнее их было бы называть источниками напряжения? Так сложилось исторически, принято называть источники питания источниками тока.
На этом путаница не заканчивается. В электротехнике существуют четко обозначенные понятия источник тока и источник напряжения. Учитывая все это, нам приходится иметь дело с терминологией сложившейся исторически и терминологией принятой в электротехнике, подкрепленной четкими определениями.
Идеальный источник напряжения обладает бесконечно малым внутренним сопротивлением, что дает возможность ему поддерживать напряжение на подключенной нагрузке, не зависимо от сопротивления нагрузки. Батарейки, аккумуляторы, источники питания компьютеров все это реальные источники напряжения. При подключении нагрузки соответствующей области применения, например для батарейки фонарика это небольшая лампа накаливания, напряжение уменьшается на незначительную величину, так как мы имеем дело с реальным, а не идеальным источником напряжения, внутренне сопротивление источника не равно нулю, но имеет очень малую величину.
А что же такое источник тока с точки зрения электроники и электротехники? Идеальный источник тока обладает бесконечно большим внутренним сопротивлением и способен поддерживать на нагрузке постоянный ток независимо от сопротивления нагрузки. При изменении сопротивления нагрузки изменяется напряжение на клеммах источника тока. Реальный источник тока это специальный электронный прибор, электрическая схема которого поддерживает стабильный ток в нагрузке независимо от сопротивления нагрузки. Такие приборы применяются мало, но в некоторых случаях они не заменимы. Наиболее часто источники стабильного тока применяются при зарядке аккумуляторов. Для правильной зарядки аккумуляторов их необходимо заряжать стабильным током, соответствующим паспортным данным. Интересное и очень ценное свойство источника стабильного тока – при замыкании выходных клемм не происходит выхода из строя прибора, так как ток остается стабильным, даже если сопротивление нагрузки около нуля. Это свойство лежит в основе источника стабильного тока, а не обеспечивается различными электронными защитами как у источников напряжения.

Основные сведения об источниках света — что нужно знать

Освещение создается источником света — это объект, излучающий энергию, которая воспринимается зрительной системой человека.

Виды и классификации источников света

По природе излучения

По виду излучения

Также источники света могут быть:

Один и тот же источник света в разных условиях можно назвать точечным или протяженным.

Пример: если лампа находится достаточно близко к объекту, то она будет протяженным источником света. Если же она находится далеко, то точечным.

Также можно сказать, что от протяженного источника видимое излучение попадает не в одну точку объекта, а на относительно большую его поверхность.

Виды искусственных электрических световых излучателей, исходя из классификации по принципам работы:

1. Тепловые источники света.

Классические лампы накаливания, а также галогенные лампы, угольные дуги, инфракрасные излучатели.

Принцип действия основан на нагревании рабочего элемента (чаще всего — проволоки из вольфрама) до температуры, при которой он начинает испускать инфракрасное излучение и видимый свет.

• обладают хорошей цветопередачей;
• на работу не оказывает влияния внешняя среда;
• не требуют дополнительных устройств для запуска;
• экологичные.

• КПД менее 3 %. Энергия расходуется на разогрев и поддержание нужной температуры вольфрамовой проволоки;
• срок службы не превышает 2000 часов.

Особенность галогенных ламп — более длительный ресурс эксплуатации, около 5000 часов. В колбу устройства вводят специальные галогеновые газы, замедляющие разрушение вольфрамовой нити. Среди плюсов таких ламп — яркий свет, высокое качество цветопередачи.

2. Люминесцентные.

Газоразрядные лампы, лампы с тлеющим разрядом, ртутные лампы с дуговым разрядом низкого и высокого давления.

Электрический импульс создает ультрафиолетовое излучение, при котором наблюдается свечение люминофора в парах ртути.

• энергопотребление ниже и срок службы дольше, чем у ламп накаливания;
• колбе можно придать любую форму: есть трубчатые, кольцевые и компактные спиралевидные модели;
• хороший уровень световой отдачи.

• требуется дополнительный пускорегулирующий аппарат;
• из-за содержания ртути требуют специальных условий утилизации;
• плохой уровень цветопередачи и мерцание.

3. Смешанного типа.

Специализированные излучатели для прожекторных установок (например, авиационных и корабельных), которые способны функционировать в особых условиях.

В основу работы положен нагрев электрической дуги высокой интенсивности. Не встречаются в свободной продаже. Для запуска требуется сложная схема, обеспечивающая нагрев и поддержание разряда, поэтому энергопотребление высокое.

4. Светодиодные или LED (англ. light-emitting diode, LED)

Источники света на основе свето- или фотодиодов.

Светодиоды — полупроводниковые приборы, излучающие свет при пропускании электрического тока постоянной частоты.

Фотодиоды — под действием лучей света накапливают электроны, создавая электрический потенциал. При пропускании электрического тока в прямом направлении электроны перемещаются с одного энергетического уровня на другой и излучают фотоны.

Современные материалы позволяют дать хорошую яркость и охватить почти весь цветовой спектр, поэтому светодиоды широко применяются в качестве осветительных приборов. Бывают в виде сменных ламп или отдельно выполненных светильников — самостоятельных устройств, состоящих из корпуса, светодиода и электрического драйвера (преобразователя питания).

• низкая потребляемая мощность,
• длительный срок службы;
• надежны в использовании;
• не требуют специальных условий утилизации.

• высокая цена;
• при выходе из строя одного из элементов, светильник, сделанный в виде самостоятельного устройства, подлежит замене на аналогичный.

Эти недостатки чаще всего компенсируются экономией на электроэнергии и обслуживании (редкая замена ламп), что особенно актуально для уличного освещения.

Сравнительная таблица источников света приведена на рисунке 1.

Основные параметры источников света

Изучает раздел физики фотометрия.

1. Световой поток Ф, измеряется в лм — люмен. Характеризует мощность излучения, оценивается по световому ощущению глазом человека. Рассчитывается по формуле:

Ф= ε/t, где ε — количество световой энергии (кДж), t — время (измеряется в секундах, минутах или часах).

2. Световая отдача — отношение светового потока лампы к ее мощности, лм/Вт. Эту характеристику используют для оценки экономичности искусственного источника света. Проще говоря, можно узнать, сколько электрической мощности преобразуется в свет.

3. Яркость L, измеряется в кд/м2 (кандела на квадратный метр). Это главный фактор светоощущения.

4. Освещенность E, измеряется в лк (люкс). 1лк равен потоку излучения Ф=1 лм, равномерно распределенному по площади S=1м2.

5. Сила света I, измеряется в кд (кандела). Является показателем интенсивности светового потока в определенном направлении. Рассчитывается по формуле:

I = Ф/Ω, где Ω — телесный угол, измеряется в стерадианах.

Сила света некоторых источников:

1. Солнце ≈ 3∙1027 кд.
2. Маяк ≈ 1∙105 кд.
3. Свеча ≈ 0,5–2 кд.
4. Прожектор ≈ 8 ∙ 108 кд.
5. Фара автомобиля (дальний свет) ≈ 12 000 кд.
6. Светлячок ≈ 0,01–0,001 кд.

Для искусственных источников света также имеют значение:

• номинальное напряжение питающей сети U, B;
• электрическая мощность W, Вт;
• срок службы t, ч;
• цветовая температура Tc, К;
• цветопередача.

Цвета предметов, изображения будут различаться лучше, если они освещены сплошным равномерным спектром. Чем ближе излучение лампы к солнечному свету, тем она лучше и дороже. При индексе цветопередачи более 90 цвета предметов будут казаться чрезвычайно насыщенными.

При низком индексе трудно определить цвет предмета, однако контуры будут видны. От яркости это практически не зависит.

Какие источники света используют в помещениях и на улице

Уличное освещение — средства искусственного увеличения оптической видимости на улице в темное время суток.

Как правило, осуществляется лампами, закрепленными на мачтах, столбах, путепроводах и других опорах. Для наружного освещения используют газоразрядные лампы высокого давления и светодиодные светильники, поскольку и те, и другие хорошо переносят перепады температур, имеют широкий диапазон мощности и длительный срок эксплуатации.

Для освещения помещений используют:

• естественное освещение от прямых солнечных лучей и рассеянного света небосвода;
• освещение, создаваемое искусственными источниками света (лампа накаливания, газоразрядные и светодиодные);
• совмещение 1 и 2 — при недостатке естественного освещения подключаются искусственные излучатели.

При строительстве и эксплуатации жилых и промышленных зданий учитывают естественное освещение, так как оно необходимо для:

• сохранения зрения человека;
• повышения работоспособности и жизненного тонуса;
• поддержания помещений в надлежащем санитарно-гигиеническом состоянии.

Интенсивность естественного освещения интерьера зависит от следующих факторов:

• время суток и сезон года, ориентация зданий по сторонам света;
• степень затенения света расположенными рядом зданиями, деревьями и т. п.;
• облачность, присутствие в воздухе пыли и газов, которые поглощают солнечные лучи;

количество и расположение окон — на одной или двух наружных стенах, верхних перекрытиях или комбинация этих вариантов.

Современные источники искусственного освещения преобразуют электрическую энергию в световой поток.

Выбор необходимого уровня освещенности в производственных помещениях зависит от:

• точности работы;
• коэффициента отражения рабочей поверхности;
• контраста между деталью и фоном;
• времени, в течение которого требуется напряжение зрения;
• наличия предметов, опасных для прикосновения.

Виды искусственного освещения:

общее — светильники размещаются в верхней зоне помещения равномерно или рядом с оборудованием;

местное — дополнительно к общему освещению подключаются светильники непосредственно на рабочих местах.

Чаще всего применяют и общее, и местное освещение.

Искусственное освещение в помещении приблизительно можно рассчитать следующим образом:

Виды источников света

Разобраться в особенностях источников света несложно, так как по сути есть всего два варианта. Причем один из них хорошо знаком всем, а второй не сложно классифицировать по видам и разобрать основные характеристики.

Биолюминесценция – яркий пример природного источника света.

Что такое источник света

Источник света – это объект, излучающий электромагнитную энергию в той области спектра, которая воспринимается человеческим зрением. Согласно законам физики, если отдельные объекты нагреваются до определенной температуры, то начинают светиться.

По сути, источником света можно назвать любой светящийся объект – будь то солнце, жуки-светлячки или разнообразное осветительное оборудование, производимое современными заводами.

Солнце – эталон для искусственного осветительного оборудования.

Виды и классификации источников света

Все варианты можно разделить на два основных типа – естественные и искусственные источники. Исходить из этого при рассмотрении вопроса проще всего, так как информацию легко систематизировать.

Естественные источники света

К этой группе можно отнести все явления природы и объекты, которые могут испускать свет, видимый человеком. Причем, излучение может быть как первичным, так и вторичным свойством объекта или явления. Все варианты в этом разделе возникли без вмешательства людей и деятельности других существ. Основные естественные источники:

1. Солнце. Хорошо знакомый всем объект, который не только излучает свет благодаря раскаленной структуре, но и является источником жизни на Земле.
2. Звезды, Луна и другие объекты из космоса. Огромное количество светящихся точек появляется на небе каждый день после захода солнца. И при этом природа свечения бывает разной. Если у Луны это отраженный свет, то другие объекты могут светиться самостоятельно. Также свечение может исходить от межгалактического газа, его также видно на некоторых участках неба.
3. Полярное сияние – еще один естественный источник.
4. Атмосферные электрические разряды также относятся сюда, хоть и вспыхивают на короткий промежуток времени.
5. Минералы и органические продукты могут светиться при окислении, то есть при горении.
6. Биолюминесценция живых организмов, яркий пример – известные всем светлячки.

Все эти варианты встречаются в естественной среде и никак не зависят от человека. Он не может регулировать их яркость и влиять на нее.

Искусственные источники света

В этом случае источником выступает любой элемент, который дает излучение в результате преобразования энергии. Практически все варианты искусственного происхождения работают от электричества. То есть, первичной энергией, которая используется для получения света, является ток.

Если исходить из физических категорий, то можно разделить все искусственные варианты на три основные разновидности. У каждой из них есть свои особенности:

— самые распространенные на сегодня. Принцип работы в том, что определенный объект (чаще всего вольфрамовая нить накала), нагревается до температуры, когда начинает излучать не только тепло, но и видимый свет. Этот вариант широко использовался первым, но сейчас его вытесняют более прогрессивные и безопасные, ведь нагревание до высоких температур – не лучшее решение во многих ситуациях. работают за счет явления люминесценции. В этом случае энергия преобразуется в оптическое излучение. Широко используются в разных отраслях, главное достоинство в том, что они не нагреваются в процессе. Еще один плюс – низкий расход электричества. Но из-за содержания ртути их следует правильно утилизировать, а при поломке проветривать помещение.

Рекомендуем к просмотру: Видеоуроки по физике

Все выпускаемые на данный момент лампы можно разделить на несколько категорий в зависимости от принципа работы и конструктивных особенностей. Виды источников света:

Лампы накаливания. Используются более 100 лет, главным элементом является вольфрамовая нить накала, которая при нагревании дает свет. Чтобы при сильном нагревании вольфрам не так быстро распылялся, а спираль служила как можно дольше, колба делается герметичной и наполняется инертным газом. Главное преимущество – низкая цена, но качество света не самое высокое, а срок службы самый малый среди всех вариантов. При работе колба очень сильно нагревается, поэтому плафон должен располагаться как минимум в 3 см от нее.

Светодиодные лампы дают идеальный свет.

Кстати! Светодиодные лампы самые безопасные, они не нагреваются при работе, в изделиях нет стекла и паров вредных веществ.

Виды источников тока

Источники тока используют для длительного поддержания электрического поля и получения электрического тока. Все они могут иметь различные принципы работы, внешний вид, конструкцию и размеры.

Источники тока – это устройства:
— способные создавать и поддерживать электрический ток;
— в них сторонние силы совершают работу по перемещению зарядов против электрических сил;
— а механическая, внутренняя, химическая или иная энергия превращается в электрическую.

Какие виды источников тока существуют

Энергия не может возникать из ничего. Об этом говорит закон сохранения энергии. Во всех без исключения источниках, электроэнергия создается за счет других ее видов.

В зависимости от того, какая именно энергия превращается в электрическую, выделяют такие виды (рис. 1) источников:

1. механические – генераторы,
2. тепловые – термопары, термогенераторы,
3. световые (фотоэлектрические) – солнечные батареи и фотоэлементы,
4. химические – гальванические элементы и аккумуляторы.

Рассмотрим подробнее эти виды.

Механические источники

Электрофорная машина – один из механических источников тока (рис. 2), применяемых более столетия.

С помощью этого устройства механическая энергия вращающихся дисков преобразовывается в электрическую энергию. При этом, происходит разделение положительных и отрицательных зарядов.

Превращение энергии вращения (механической) в энергию электрического тока происходит в различных генераторах.

В конструкции любого из них присутствуют элементы, создающие магнитное поле в пространстве вокруг проводника.

Например, электрический генератор для велосипеда (рис. 3), включает в себя кольцевой магнит и проволочную обмотку, расположенную рядом с ним.

Во время движения велосипеда магнит, расположенный внутри, вращается. Изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны по обмотке. Если к ее выводам подключить лампочку, она загорится, так как по цепи потечет электрический ток.

Мускульной силы человека хватает, чтобы зажечь лампочку для карманного фонаря. Однако, ее недостаточно, чтобы вырабатывать больше электроэнергии. Например, чтобы нагреть утюг и одновременно с этим зажечь несколько бытовых ламп накаливания.

Поэтому, для бытовых нужд и нужд промышленности в электрическую энергию превращают энергию сгорающего топлива, а не энергию сокращения мускул.

На тепловых, атомных и гидроэлектростанциях установлены мощные генераторы. Они могут отдавать потребителям токи в тысячи Ампер. А масса некоторых достигает десятков тонн.

На таких электростанциях превращение энергии происходит в несколько этапов. Сначала энергия горящего топлива превращается во внутреннюю энергию горячей воды, а затем — в механическую и, в конечном итоге, в электрическую.

Существуют, так же, устройства, предназначенные для бытового использования. Например, небольшие генераторы, массой в несколько килограммов, оснащенные бензиновым мотором (рис. 4).

Они, так же, преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую энергию вращения вала двигателя, который соединяется с генератором. А затем энергия вращения с помощью генератора превращается в электрическую энергию.

Тепловые источники

К тепловым относят различные термоэлементы. Термоэлемент — это прибор в котором, тепловая энергия, получаемая от нагревателя, превращается сначала во внутреннюю энергию вещества, а затем — в электрическую энергию.

Один из таких элементов называют термопарой (рис. 5). Термопара состоит из двух различных металлических проволок, спаянных вместе. Если нагреть место их соприкосновения, то на свободных концах проволочек можно обнаружить электрическое напряжение (ссылка).

Если свободные концы термопары присоединить к потребителю тока, то под действием тепловой энергии по замкнутой цепи побегут электроны, то есть, возникнет электрический ток.

Таким образом, эта незамысловатая конструкция преобразовывает внутреннюю энергию нагреваемых металлов в электрическую энергию.

Фотоэлектрические источники

Атомы некоторых веществ под действием видимого света способны терять электроны. Например, селен, кремний, оксиды цинка, меди, висмута. На основе этих и, некоторых других веществ создают источники, генерирующие электрический ток под действием (рис. 6) света.

Эти источники используют фотоэлектрический эффект (сокращенно — фотоэффект) (ссылка). В них энергия света преобразуется в электрическую.

Существует два вида фотоэффекта – внутренний, который используется в полупроводниках (ссылка) и внешний, используемый в вакуумных фотоэлементах на основе различных металлов.

Вакуумные фотоэлементы

В вакуумном фотоэлементе свет попадает на пластинку металла и выбивает электроны с ее поверхности. Такую пластинку называют катодом.

Выбитые электроны улавливаются другим электродом. Его называют анодом и обычно выполняют в виде металлической сетки.

Оба электрода находятся в стеклянном баллоне из которого удалили воздух. Дело в том, что молекулы воздуха могли бы помешать движению электронов, вылетевших из пластинки. Чтобы этого не происходило, воздух из баллона откачивают (рис. 7).

Таким образом, под воздействием света между катодом и анодом в вакууме возникает поток заряженных частиц. Они движутся направлено от катода к аноду. Значит, в фотоэлементе под действием света возникает электрический ток. Так световая энергия переходит в электрическую.

Солнечные батареи

Еще одним источником тока, в котором ток возникает за счет световой энергии, являются, так называемые, солнечные батареи. Их изготавливают из полупроводниковых пластин (рис. 8).

Падающий свет из полупроводника электроны не выбивает. А вызывает переход электронов в такое состояние, в котором у них появляется дополнительная энергия и они могут свободно передвигаться по полупроводнику, создавая электрический ток.

Химические источники

Если опустить два кусочка различных металлов (например, железа и меди) в емкость с проводящей жидкостью, можно получить химический источник тока.

В качестве проводящей жидкости можно использовать, например, лимонный сок. Воткнув в лимон два гвоздика из различных металлов (рис. 9) и подключив к ним гальванометр, можно обнаружить, что через гальванометр потечет электрический ток.

Такую конструкцию можно считать простейшим химическим источником тока. Гвоздики в нем — это электроды, а лимонная кислота – электролит.

Примечания:

1. Проводящие жидкости называют электролитами.
2. Существует, так называемый ряд электрохимических напряженый металлов. Наибольшее напряжение дают источники, построенные с применением металлов, расположенных в различных концах данного ряда.

Самым первым химических источником тока был Вольтов столб.

Алессандро Вольта и его первый гальванический элемент

Дело в том, что до исследований, проведенных А. Вольта, способ получить электрический ток был известен. Однако, эксперименты с электричеством, проводимые в лабораториях другими учеными, создавали ток всего на доли секунды. Источников, способных создавать ток, длившийся хотя бы единицы секунд, не существовало.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый прибор, создававший электрический ток продолжительное время. Этот прибор в честь создателя называют Вольтовым столбом.

Ученый определил, что для получения гальванического (электрического) эффекта нужны два разных метала и проводящая жидкость.

Он длительное время потратил на эксперименты, использовал различные металлы и исследовал их свойства.

В процессе работы Вольта сделал вертикальный столбик, укладывая поочередно медные монеты и цинковые пластинки. Между металлами он укладывал кожаные кружочки, вымоченные в рассоле (рис. 10).

Так он создал первую в мире электрическую батарею. Принцип ее работы — превращение химической энергии в электрическую.

Соединяя проволокой два конца собранного столбика, он наблюдал ее нагревание и так определял действие электрического тока.

А чтобы сравнить, больше, или меньше электричества вырабатывал тот или иной столбик, Алессандро пользовался своим языком. Попросту, касался языком выводов созданного им гальванического элемента.

Такой столбик, при высоте, равной половине метра, вырабатывал напряжение, которое было довольно чувствительным.

В марте 1800 года Вольта направил письмо в Лондонское Королевское общество, в котором подробно описал результаты своей работы. А уже в июне оно было признано сенсационным среди ученых того времени.

Наполеон пригласил А. Вольта в Париж и лично присутствовал во время доклада и опыта, демонстрируемого им, а после наградил изобретателя.

Это изобретение сделало автора знаменитым. А благодаря ему в скором времени были совершены другие открытия в области физики.

Какие открытия были совершены благодаря столбу Вольта

В том же году с помощью Вольтова столба вода была разложена на водород и кислород. Это сделали Карлайл и Николсон.

А спустя три года, в 1803 году, Василий Петров создал самый большой в мире столб. Он выдавал напряжение 1700 вольт и содержал более 4000 медных и цинковых кругов. Этот столб помог получить электрическую дугу, которая применяется в электросварке металлов.

После работ Петрова в России стали применять электрические запалы для взрывчатых веществ.

А спустя еще четыре года, в 1807 году, ученым по фамилии Дэви был открыт металлический калий.

Благодаря способности Вольтова столба создавать электрический ток продолжительное время – в течение нескольких часов, началось широкое применение электричества.

По истечении этого времени, на металлах появлялся окисел, препятствующий выработке электрического тока. Нужно было разбирать конструкцию и протирать металлы, избавляя их от этого окисла. А кусочки кожи необходимо было время от времени смачивать рассолом.

Сухой гальванический элемент — батарейка

Значительно позже открытия Вольта, во второй половине 1880-х годов, инженером из Германии Карлом Гасснером был создан сухой гальванический элемент.

Сухим элемент был назван потому, что в качестве электролита в нем использовалась не жидкость, а гелеобразный состав. Такие элементы можно наклонять и даже переворачивать, не боясь пролить электролит. Поэтому, они значительно удобнее жидкостных.

Внутри элемента происходят химические превращения. Эти превращения являются экзотермическими, так как протекают с выделением энергии. Затем внутренняя энергия источника переходит в электрическую.

К примеру, в современном сухом гальваническом элементе (рис. 11), цинк реагирует с хлоридом аммония и при этом получает отрицательный электрический заряд.

Протекая, такие реакции вызывают расходование некоторых частей источника. Например, цинкового электрода.

Из-за этого, в гальванических элементах химические реакции будут необратимыми. Так как, спустя некоторое время, для нормального протекания химических превращений, не будет хватать ресурсов.

Когда скорость химических реакций замедляется, элемент перестает вырабатывать электрический ток. В таких случаях говорят, что элемент разрядился – «села батарейка».

Отработанные гальванические элементы нужно утилизировать. Это позволит использовать вновь некоторые их компоненты, а не загрязнять окружающую среду.

Мировая промышленность выпускает ассортимент стандартизированных элементов питания (рис. 12).

Например, тип АА – пальчиковая батарейка, или ААА – тонкая пальчиковая. Так же, существуют типоразмеры, обозначаемые C D и N. Они имеют ЭДС 1,5 Вольта.

Существуют другие и типы, например, «квадратная» батарейка 3R12, имеющая ЭДС 4,5 Вольт и используемая в карманных фонариках. А, так же, небольшая батарейка вида pp3 с ЭДС 9 Вольт, часто называемая «Крона» или «Корунд».

Гальванические элементы на электрических схемах обозначают специальными значками.

Аккумуляторы и их виды

Устройство аккумулятора внешне напоминает устройство гальванического элемента. Присутствует корпус, в котором находятся две пластины из разных металлов. Одна служит положительным электродом, а другая – отрицательным. Эти пластины помещены в электролит (рис. 13).

Однако, аккумуляторы, в отличие от гальванических элементов, являются многоразовыми устройствами.

Свое название они получили из-за того, что могут аккумулировать, то есть, накапливать электрическую энергию. А затем, отдавать накопленную энергию потребителям.

Химические реакции в аккумуляторах могут протекать в двух направлениях (зарядка — разрядка).

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить. Для этого используют специальные источники тока, которые называют зарядными устройствами. Они пропускают через аккумулятор ток зарядки.

Под воздействием этого тока в аккумуляторе протекают химические реакции, во время которых он накапливает электрические заряды. Один электрод заряжается положительно, а другой – отрицательно.

После, подключив к заряженному аккумулятору потребитель тока, можно использовать накопленную им энергию.

Называть аккумуляторы принято:
— по видам используемых жидкостей — кислотные, щелочные.
— либо по названию металлов, используемых в качестве электродов — свинцовые, железоникелевые, литиевые, и т. п.

В качестве пластин — электродов используют металлы: свинец, железо, литий, титан, кобальт, кадмий, никель, цинк, серебро, алюминий.

Существуют аккумуляторы с гелеобразным электролитом. Такие аккумуляторы можно наклонять в различные стороны, не боясь утечки электролита. Например, литий-полимерные батареи, используемые в мобильных телефонах.

Примечание: Чем больше геометрические размеры электродов источника, тем большую силу тока в полезной нагрузке он может обеспечить. Поэтому, аккумуляторы для автомобилей с ЭДС 12 и 24 Вольта, рассчитанные на большие токи нагрузки, имеют массу от 10 килограммов и большую.

Аналогия между источником тока и водяным насосом

Аналогию с потоком жидкости часто применяют по отношению к электрическому току.

Независимо от того, какой вид энергии превращается в электрическую, принцип работы источника тока чем-то напоминает работу водяного насоса. Различия в том, что источник тока перекачивает заряды, а не жидкость.

Рассмотрим замкнутый контур, состоящий из трубы и водяного насоса, который способен привести в движение воду, так, чтобы она начала циркулировать по трубе (рис. 14а).

Частицы воды будут двигаться и, ток воды будет циркулировать за счет разности давлений, которую будет создавать и поддерживать насос.

На рисунке 14 кружком с треугольником обозначен насос. Направление движения воды отмечено стрелкой. По левую сторону от насоса давление обозначено \(\large P_<1>\), по правую сторону — \(\large P_<2>\) (рис. 14а).

С помощью неравенства

отмечено, что давление слева от насоса будет больше давления справа.

Подобно движению частиц воды, заряды придут в движение и электрический ток будет циркулировать по замкнутой цепи за счет разности потенциалов, которую будет создавать включенная в эту цепь батарейка (рис. 14б) — источник тока.

Сила, перемещающая заряды во внешней цепи, появляется благодаря тому, что источник тока создает разность потенциалов на своих выводах и электрическое поле.

Слева и справа от источника отмечены потенциалы \(\large \varphi_<1>\) и \(\large \varphi_<2>\). При чем, потенциал слева от источника больше потенциала справа.

Это отмечено неравенством

\[\large \varphi_ <1>> \varphi_<2>\]

Обратите внимание: источник тока (сторонние силы) заставляет двигаться электроны – отрицательно заряженные частицы, от точки с меньшим потенциалом, в точку с потенциалом большим, а электрический ток направлен в противоположную сторону — от «+» к «-».