Что происходит в источнике электрического тока. Электрический ток, источники электрического тока: определение и сущность. Из истории изобретений

Предисловие.

Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени?

Слово «ток» означает движение или течение чего-то. Электричес-ким током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в провод-нике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электричес-кий ток в проводнике существовал длительное время, необходи-мо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Элек-трическое поле в проводниках создается и может длительное вре-мя поддерживаться источниками электрического тока . В настоя-щее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводнико-вый(солнечные батареи), но во всяком из них совершается рабо-та по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источни-ка тока, - так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно. Если полюсы соединить проводником, то под действием поля свободные заря-женные частицы в проводнике будут двигаться, возникнет элек­трический ток.

Электрический ток.

Источники электрического тока.

До 1650 года - времени, когда в Европе пробудился боль-шой интерес к электричеству, - не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать создания все более простых и эффективных способов получения электрических зарядов.

Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло, не догадываясь о том, что сам стеклянный шар с неменьшим успехом мог бы пос-лужить его целям. Затем Герике укрепил серный шар так, как показано на рис.1, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда надо было одной рукой вращать шар, а другой - прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало потен-циал шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров.

Эта машина оказала боль-

шую помощь в эксперименталь-

ном изучении электричества, но

еще более трудные задачи «хра-

нения» и «запасания» электри-

ческих зарядов удалось решить

лишь благодаря последующему

прогрессу физики. Дело в том, что мощные заряды, которые

можно было создавать на телах с помощью электростатической

машины Герике, быстро исчезали. Вначале думали, что причиной этого является «испарение» зарядов. Для предотвращения

«испарения» зарядов было предложено заключить заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные из изолирующего материала. Естественно, в качестве таких сосудов были выбраны стеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала - вода, поскольку ее было легко наливать в бутылки. Чтобы можно было зарядить воду, не открывая бутылку, сквозь пробку был пропущен гвоздь. Замысел был хорош, но по причинам, в то время непонятным, прибор работал не столь уж удачно. В результате интенсивных экспериментов вскоре же было открыто, что запа­сенный заряд и тем самым силу электрического удара можно резко увеличить, если бутылку изнутри и снаружи покрыть проводящим материалом, например тонкими листами фольги. Более того, если соединить гвоздь с помощью хорошего про­водника со слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно вообще обойтись без воды. Это новое «хранилище» электричества было изобретено в 1745 году в голландском го­роде Лейдене и получило название лейденской банки (рис.2).

Первый кто от­крыл иную возможность полу-чения электричества, не-жели с помощью элек­три-зации трением, был италь-янский ученый Луиджи Гальвани (1737-1798). Он был по специальности биолог, но ра­ботал в лаборатории, где прово-дились опыты с электричеством. Галь­вани нблю-дал явление, которое было известно многим еще до него; оно заключалось в том, что если ножной нерв мертвой лягушки возбудить искрой от электрической машины, то начинала сокращаться вся лапка. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с нервом лапки соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электрической машиной и скаль-пелем не было никакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения при-чины электрического тока. Один из экспериментов был поставлен Гальвани с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он нашел, в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось не нужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. Таким образом, возникновение тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток - только в тканях тела лягушки, только разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел к заключению, что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричества какого-либо другого происхождения.

Другой итальянский ученый Алессандро Вольта(1745-1827) окончательно доказал, что если поместить лягушачьи лапки в водные растворы некоторых веществ, то в тканях лягушки гальванический ток не возникает. В частности, это имело место для ключевой или вообще чистой воды; этот ток появляется при добавлении к воде кислот, солей или щелочей. По-видимому, наибольший ток возникал в комбинации меди и цинка, помещенных в разбавленный раствор серной кислоты. Комбинация двух пластин из разнородных металлов, погруженных в водный раствор щелочи, кислоты или соли, называется гальваническим (или химическим) элементом.

Если бы средствами для получения электродвижущей силы служили только трение и химические процессы в гальванических элементах, то стоимость электрической энергии, необходимой для работы различных машин, была бы исключительно высокой. В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины, вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.

В начале 19 века Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле. Спустя несколько лет, в 1831 году, Фарадей сделал ещё одно открытие, равное по своей значимости открытию Эрстеда. Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике наводится электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Наведённая ЭДС меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведённая ЭДС прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Когда проводник пересекает 100000000 силовых линий за 1 сек, наведённая ЭДС равна 1 Вольту. Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока, и активно используется человечеством в настоящее время.
Солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 г. до н. э. с помощью концентрированных солнечных лучей они зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса кораблей римского флота.

Солнце представляет собой удалённый от Земли на расстояние 149,6 млн км термоядерный реактор, излучающий энергию, которая поступает на Землю главным образом в виде электромагнитного излучения. Наибольшая часть энергии излучения Солнца сосредоточена в видимой и инфракрасной части спектра. Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5 % всей падающей на землю солнечной энергии, т.е. 1,62 *10 16 киловатт\часов в год, что эквивалентно огромному количеству условного топлива - 2 *10 12 т.

Усилия конструкторов идут по пути использования фотоэлементов для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотопреобразователи, называемые также солнечными батареями, состоят из ряда фотоэлементов, соединенных последовательно или параллельно. Если преобразователь должен заряжать аккумулятор, питающий, например, радиоустройство в облачное время, то его подключают параллельно к выводам солнечной батареи (рис. 3). Элементы применяемые в солнечных батареях, должны обладать большим КПД, выгодной спектральной характеристикой, малой стоимостью, простой конструкцией и небольшой массой. К сожалению, только немногие из известных на сегодня фотоэлементов отвечают хотя бы частично этим требованиям. Это прежде всего некоторые виды полупроводниковых фотоэлементов. Простейший из них - селеновый. К сожалению, КПД лучших селеновых фотоэлементов мал(0,1...1 %).

Основой солнечных батарей являются кремниевые фото-преобразователи, имеющие вид круглых или прямоуголь-ных пластин толщиной 0,7 - 1 мм и площадью до 5 - 8 кв.см. Опыт показал, что хорошие результаты дают небольшие элементы, площадью около 1 кв. см., имеющие КПД около 10 %. Созданы также фотоэлементы из полупро- водниковых металлов с теоретическим КПД 18 %. Кстати, практический КПД фотоэлектрических преобразователей (около 10 %) превышает КПД паровоза (8 %), коэффициент полезного использования солнечной энергии в растительном мире (1 %), а также КПД многих гидротехнических и ветровых устройств. Фотоэлектрические преобразователи имеют практически неограниченную долговечность. Для сравнения можно привести значения КПД различных источников электрической энергии (в процентах): теплоэлектроцентраль - 20-30, термоэлектрический преобра-зователь - 6 - 8, селеновый фотоэлемент - 0,1 - 1, солнечная бата-рея - 6 - 11, топливный элемент - 70, свинцовый аккумулятор - 80 - 90.

В 1989 г. фирмой Боинг (США) создан двухслойный фотоэлемент, состоящий из двух полупроводников - арсенида и антимонида галлия - с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций. Недавно удалось доказать, что фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии теоретически позволяет использовать энергию Солнца с КПД, достигающим 93 %! А ведь первоначально считалось, что максимальный верхний предел КПД солнечных элементов составляет не более 26 %, т.е. значительно ниже КПД высокотемпературных тепловых машин.

Солнечные батареи пока используются в основном в кос-мосе, а на Земле только для электроснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной

и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолётов. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.

Источники электрического тока Выполнил: Рубцов Антон ученик 8 Б класса МОУ СОШ № 105 Научный руководитель: Маслова Е. А. учитель физики

Выбор темы Я захотел изучить историю создания источников электрического тока, а также сделать некоторые источники своими руками, повторив опыты известных ученых. Актуальность Человечество не может существовать без электрической энергии и возможно кому то удастся открыть новые источники электрического тока более экономичные и менее затратные. Цель работы – изучение основных видов источников электрического тока, принципа их действия и изготовление источников своими руками. Задачи: 1. Рассмотреть основные виды источников электрического тока. 2. Изучить принцип действия источников тока. 3. Изготовить некоторые источники своими руками.

Основная часть 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 накапливаются на полюсах источника. Электрический ток - направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц (электронов, ионов и др.) За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

История создания первых источников тока

Свойства янтаря Впервые на электрический заряд обратил внимание Фалес Милетский. Он обнаружил, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает свойства притягивать мелкие предметы. Окаменелая смола древних деревьев которые росли на нашей планете 38-120 млн лет назад.

Электрическая машина Отто фон Герике Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло. Затем Герике укрепил серный шар так, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда надо было одной рукой вращать шар, а другой - прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало напряжение шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров.

Лейденская банка Лейденская банка представляет собой стеклянную бутылку, с обеих сторон обвернутую фольгой. Внутри банки имеется металлический стержень. Подключенная обкладками к электрической машине банка могла накапливать значительное количество электричества. Если ее обкладки соединяли отрезком толстой проволоки, то в месте замыкания проскакивала сильная искра, и накопленный электрический заряд мгновенно исчезал. Так стало возможным получить кратковременный электрический ток. Затем банку надо было снова заряжать. Сейчас подобные приборы мы называем электрическими конденсаторами.

Элемент Гальвани Луиджи Гальвани (1737-1798) - один из основоположников учения об электричестве, его опыты с «животным» электричеством положили начало новому научному направлению - электрофизиологии. В результате опытов с лягушками Гальвани предположил существование электричества внутри живых организмов. В честь него был назван гальванический элемент – батарейка.

Вольтов столб Алесандро Вольта (1745 - 1827) - итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока. Его первый источник тока – «вольтов столб». Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой.

Основные виды источников электрического тока Механические Тепловые Световые Химические Термоэлемент Фотоэлемент Электрофорная машина Гальванический элемент

Источники тока животного происхождения

Электричество внутри живых организмов У многих растений возникают токи повреждений. Срезы листьев, стебля всегда заряжены отрицательно по отношению к нормальной ткани.

Животные, вырабатывающие электрический ток Электрический скат (до 220 В) Американский сомик (до 360 В) Угорь (до 1200 В)

Фрукты и овощи, вырабатывающие электрический ток. Фрукты и овощи можно разделить на изначально содержащие и приобретшие внутрищелочной или кислотный баланс в процессе окисления. К первым относятся цитрусовые (лимон) и картошка. А ко вторым, например соленый огурец и маринованный помидор.

Атмосферное электричество При движении воздуха воздушные различные потоки в результате соприкосновения электризуются. Одна часть облака (верхняя) электризуется положительно, а другая (нижняя) - отрицательно. В момент, когда заряд облака станет большим, между двумя его наэлектризованными частями проскакивает мощная электрическая искра – молния.

Практическая часть

Самодельные батарейки Для изготовления самодельных батареек нам потребуются приборы и материалы: Медная пластинка Цинковая пластинка Лимон, огурец, сода, вода, монетки Вольтметр Соединительные провода

Гальванический элемент из лимона Вырабатывает электрический ток напряжением

Гальванический элемент из первого соленого огурца Вырабатывает электрический ток напряжением

Гальванический элемент из второго и третьего огурцов

Батарея из двух соленых огурцов Вырабатывает электрический ток напряжением

Батарея из трех соленых огурцов Вырабатывает электрический ток напряжением

Лампочка, включенная в цепь из трех соленых огурцов Собрали цепь Лампочка загорелась

Содовая батарейка Вырабатывает электрический ток напряжением

Содовая батарея из двух и трех элементов

Лампочка, включенная в цепь трех содовых элементов Собрали цепь Лампочка загорелась

Соленая батарейка Вырабатывает электрический ток напряжением

Заключение Для достижения цели данной работы я решил следующие задачи: Рассмотрел основные виды источников электрического тока. 1. Механические источники тока 2. Тепловые источники тока 3. Световые источники тока 4. Химические источники тока Изучил принцип работы источников тока. Изготовил некоторые источники своими руками. 1. Гальванический элемент из лимона. 2. Гальванический элемент из соленого огурца. 3. Содовую батарейку. 4. Соленую батарейку.

Библиография Абрамов С.С.. Большая энциклопедия Кирилла и Мифодия. 2009 Википедия – свободная энциклопедия. www . ru . wikipedia . org . Джулиан Холанд. Большая иллюстрированная энциклопедия эрудита. «Махаон» 2001г; Карцев В.П. Приключения великих уравнений. М.: Просвещение, 2007

Из курса физики все знают, что под электрическим током подразумевают направленное упорядоченное движение частиц, несущих заряд. Для его получения в проводнике образовывают электрическое поле. То же необходимо для того, чтобы продолжал существовать длительное время электрический ток.

Источники электрического тока могут быть:

• статическими;
• химическими;
• механическими;
• полупроводниковыми.

В каждом из них выполняется работа, где разделяются разнозаряженные частицы, то есть создается электрическое поле источника тока. Разделившись, они накапливаются на полюсах, в местах подсоединения проводников. Когда полюсы соединяются проводником, частицы с зарядом начинают движение, и образуется электрический ток.

Источники электрического тока: изобретение электромашины

До середины семнадцатого века для получения электрического тока требовалось немало усилий. В то же время росло число ученых, занимающихся этим вопросом. И вот Отто фон Герике изобрел первую в мире электрическую машину. В одном из экспериментов с серой она, расплавленная внутри полого шара из стекла, затвердела и разбила стекло. Герике укрепил шар так, чтобы его можно было крутить. Вращая его и прижимая кусок кожи, он получал искру. заметно облегчило кратковременное получение электричества. Но более трудные задачи удалось решить лишь при дальнейшем развитии науки.

Проблема состояла в том, что заряды Герике быстро пропадали. Для увеличения длительности заряда тела помещали в закрытые сосуды (стеклянные бутылки), а электризуемым материалом выступала вода с гвоздем. Эксперимент оптимизировали, когда бутылку с обеих сторон покрывали проводящим материалом (листами фольги, например). В результате поняли, что можно было обойтись и без воды.

Лягушачьи лапки как источник тока

Другой способ получения электричества впервые открыл Луиджи Гальвани. Будучи биологом, он работал в лаборатории, где экспериментировали с электричеством. Он видел, как у мертвой лягушки сокращалась лапка при ее возбуждении искрой от машины. Но однажды тот же самый эффект был достигнут случайно, когда ученый дотронулся до нее стальным скальпелем.

Он стал искать причины, откуда появился электрический ток. Источники электрического тока, по его финальному заключению, находились в тканях лягушки.

Другой итальянец, Алессандро Вольто, доказал несостоятельность «лягушачьей» природы возникновения тока. Было замечено, что самый большой ток возникал при добавлении меди и цинка в раствор серной кислоты. Такая комбинация получила название гальванического или химического элемента.

Но использование такого средства для получения ЭДС стало бы слишком затратным. Поэтому ученые работали над другим, механическим, способом добычи электрической энергии.

Как устроен обычный генератор?

В начале девятнадцатого века Г.Х. Эрстед обнаружил, что при прохождении тока через проводник возникало поле магнитного происхождения. А чуть позже Фарадей открыл, что при пересечении силовых линий этого поля в проводник наводится ЭДС, которая вызывает ток. ЭДС меняется в зависимости от скорости движения и самих проводников, а также от напряженности поля. При пересечении ста миллионов силовых линий за секунду наведенная ЭДС становилась равной одному Вольту. Понятно, что ручное проведение в магнитном поле не способно дать большой электрический ток. Источники электрического тока этого вида намного более эффективно показали себя с намоткой провода на большую катушку или производства ее в форме барабана. Катушку насаживали на вал между магнитом и вращаемой водой или паром. Такой механический источник тока присущ обычным генераторам.

Великий Тесла

Гениальный ученый из Сербии Никола Тесла, посвятив свою жизнь электричеству, сделал много открытий, которые мы используем и сегодня. Многофазные электрические электрические моторы, передача энергии через многофазный переменный ток — это далеко не весь перечень изобретений великого ученого.

Многие уверены, что явление в Сибири, получившее название Тунгусский метеорит, на самом деле вызвал именно Тесла. Но, наверное, одним из самых загадочных изобретений является трансформатор, способный получать напряжение до пятнадцати миллионов вольт. Необычным является как его устройство, так и неподдающиеся известным законам расчеты. Но в те времена начали развивать вакуумную технику, в которой не было неясностей. Поэтому об изобретении ученого на время забыли.

Но сегодня, с появлением теоретической физики, к его работам снова возобновился интерес. Эфир признали газом, на который распространяются все законы газовой механики. Именно оттуда черпал энергию великий Тесла. Стоит отметить, что эфирная теория была очень распространена в прошлом среди многих ученых. Лишь с возникновением СТО — специальной теории относительности Эйнштейна, в которой он опровергал существование эфира, - о нем забыли, хотя сформулированная позже общая теория не оспаривала его как такового.

Но пока остановимся подробнее на электрическом токе и устройствах, которые повсеместно распространены сегодня.

Развитие технических устройств - источников тока

Такие приборы служат для преобразования разной энергии в электрическую. Несмотря на то что физические и химические способы получения электрической энергии были открыты давно, повсеместное распространение они получили лишь со второй половины двадцатого века, когда стала бурно развиваться радиоэлектроника. Первоначальные пять гальванических пар пополнились еще 25 типами. А теоретически гальванических пар может насчитываться несколько тысяч, так как свободная энергия может быть реализована на любом окислителе и восстановителе.

Физические источники тока

Физические источники тока стали развиваться чуть позже. Современная техника предъявляла все более жесткие требования, и промышленные термо- и термоэмиссионные генераторы с успехом справлялись с возраставшими задачами. Физические источники тока — это устройства, где тепловая, электромагнитная, механическая и энергия радиационного излучения и ядерного распада преобразуется в электрическую. Кроме вышеназванных, к ним также причисляют электромашинные, МГД генераторы, а также служащие для преобразования солнечного излучения и атомного распада.

Чтобы электрический ток в проводнике не исчезал, нужен внешний источник для поддержания разности потенциалов на концах проводника. Для этого служат источники энергии, у которых имеется некоторая для создания и поддержания разности потенциалов. ЭДС источника электрического тока измеряется работой, выполняемой при переносе плюсового заряда по всей замкнутой цепи.

Сопротивление внутри источника тока количественно характеризует его, определяя величину потерь энергии при прохождении через источник.

Мощность и коэффициент полезного действия равны отношению напряжения во внешней электрической цепи к ЭДС.

Химические источники тока

Химический источник тока в электрической цепи ЭДС является устройством, где энергия химических реакций преобразуется в электрическую.

В его основу входят два электрода: отрицательно заряженный восстановитель и положительно заряженный окислитель, которые контактируют с электролитом. Между электродами возникает разность потенциалов, ЭДС.

В современных устройствах часто используются:

• в качестве восстановителя — свинец, кадмий, цинк и другие;
• окислителя — гидроксид никеля, оксид свинца, марганца и другие;
• электролита — растворы из кислот, щелочей или солей.

Широко используют сухие элементы из цинка и марганца. Берется сосуд из цинка (обладающий отрицательным электродом). Внутри помещают положительный электрод со смесью диоксида марганца с угольным или графитовым порошком, которым сокращают сопротивление. Электролитом выступает паста из нашатыря, крахмала и других составляющих.

Кислотный свинцовый аккумулятор — это чаще всего вторичный химический источник тока в электрической цепи, обладающий высокой мощностью, стабильно работающий и имеющий невысокую стоимость. Аккумуляторы подобного вида используются в самых разных областях. Их часто предпочитают за стартерные батареи, которые особенно ценны для автомобилей, где они вообще являются монополистами.

Другой распространенный аккумулятор состоит из железа (анода), гидрата оксида никеля (катода) и электролита — водного раствора калия или натрия. Активный материал располагают в стальных никелированных трубках.

Применение этого вида снизилось после пожара на заводе Эдисона в 1914 году. Однако, если сравнивать характеристики первого и второго вида аккумуляторов, то окажется, что эксплуатация железо-никелевого может быть в разы дольше свинцово-кислотного.

Генераторы постоянного и переменного тока

Генераторами называются устройства, которые направлены на преобразование механической энергии в электрическую.

Самый простой генератор постоянного тока можно представить в виде рамки из проводника, которую поместили между магнитными полюсами, а концы подсоединили к изолированным полукольцам (коллектору). Чтобы устройство работало, необходимо обеспечить вращение рамки с коллектором. Тогда в ней будет индуцироваться электрический ток, изменяющий свое направление под воздействием магнитных силовых линий. Во внешнюю цепь он будет идти в единственном направлении. Получается, что коллектор будет выпрямлять переменный ток, который вырабатывается рамкой. Для достижения постоянного тока коллектор изготавливают из тридцати шести и более пластин, а проводник состоит из множества рамок в виде обмотки якоря.

Рассмотрим, каково назначение источника тока в электрической цепи. Узнаем, какие еще источники тока существуют.

ток, сила тока, источник тока

Электрическая цепь состоит из источника тока, который вместе с другими объектами создает путь для тока. А понятия ЭДС, тока и напряжения раскрывают протекающие при этом электромагнитные процессы.

Самая простая электрическая цепь состоит из источника тока (батареи, гальванического элемента, генератора и так далее), энергопотребителей электрических двигателей и другого), а также проводов, соединяющих зажимы источника напряжения и потребителя.

Электрическая цепь имеет внутреннюю (источник электроэнергии) и внешнюю (провода, выключатели и рубильники, приборы для измерения) части.

Она будет работать и иметь положительное значение только в том случае, если обеспечена замкнутая цепь. Любой разрыв становится причиной прекращения протекания тока.

Электрическая цепь состоит из источника тока в виде гальванических элементов, электроаккумуляторов, электромеханических и фотоэлементов и так далее.

В качестве электрических приемников выступают электрические двигатели, которые преобразовывают энергию в механическую, осветительные и нагревательные приборы, установки электролизные и так далее.

Вспомогательным оборудованием являются аппараты, служащие для включения и выключения, измерительные приборы и защитные механизмы.

Все компоненты делятся на:

• активные (где электрическая цепь состоит из источника тока ЭДС, электрических двигателей, аккумуляторов и так далее);
• пассивные (к которым относятся электрические приемники и соединительная проводка).

Цепь может быть также:

• линейной, где сопротивление элемента всегда характеризуется прямой линией;
• нелинейной, где сопротивление зависит от напряжения или тока.

Вот простейшая схема, где в цепь включены источник тока, ключ, электрическая лампа, реостат.

Несмотря на повсеместное широкое распространение подобных технических устройств, особенно в последнее время люди все больше задаются вопросами об установке альтернативных источников энергии.

Разнообразие источников электрической энергии

Какие источники электрического тока еще существуют? Это далеко не только солнце, ветер, земля и приливы. Они уже стали так называемыми официальными альтернативными источниками электроэнергии.

Надо сказать, что альтернативных источников существует целое множество. Они не распространены, потому что пока не являются практичными и удобными. Но, кто знает, может быть, будущее будет как раз за ними.

Итак, электрическую энергию возможно получать из соленой воды. В Норвегии уже создана электростанция, применяющая эту технологию.

Электрические станции могут работать также на топливных элементах с твердооксидным электролитом.

Известны пьезоэлектрические генераторы, получающие энергию благодаря кинетической энергии (уже существуют с такой технологией пешеходные дорожки, лежачие полицейские, турникеты и даже танцполы).

Есть и наногенераторы, которые направлены на преобразование энергии в самом теле человека в электрическую.

А что вы скажете о водорослях, которыми отапливают дома, футбольных мечах, генерирующих электрическую энергию, велосипедах, способных заряжать гаджеты, и даже мелко нарезанной бумаге, используемой в качестве источника тока?

Огромные перспективы, конечно, принадлежат освоению вулканической энергии.

Все это является реалиями сегодняшнего дня, над которыми трудятся ученые. Вполне возможно, что некоторые из них уже совсем скоро станут совершенно привычным явлением, подобно электричеству в домах сегодня.

А может, кто-нибудь раскроет секреты ученого Николы Тесла, и человечество сможет легко получать электроэнергию из эфира?

В данной статье будут описаны методы получения электрического тока, их виды, преимущества и недостатки. В общих чертах источники тока можно разделить на механические, химические и использующие другие физические преобразования.

Химические источники тока

Химические источники тока преобразуют химические реакции окислителя и восстановителя в ЭДС. Впервые химический источник тока изобрел Алессандро Вольта в 1800 году. Впоследствии его изобретение назвали "Элемент Вольта". Элементы вольта, соединенные в вертикальную батарею составляют Вольтов столб.

В 1859 году французским физиком Гстоном Плантэ был изобретен свинцово-кислотный аккумулятор. Он состоял из свинцовых пластин, помещенных в серную кислоту. Данный тип аккумуляторов до сих пор широко применяется, например в автомобилях.

В 1965 году французский химик Ж. Лекланше предложил элемент, состоящий из цинкового стаканчика с раствором хлористого аммония, в который был помешен агломерат оксида марганца с угольным токоотводом. Этот элемент стал прародителем современных солевых батареек.

Все химические элементы имеют в основе 2 электрода. Один из них является окислителем, а другой- восстановителем, оба контактируют с электролитом. Между электродами возникает ЭДС. На аноде восстановитель окисляется, электроны, пройдя по внешней цепи к катоду, и участвуют в реакции восстановления окислителя. Таким образом поток электронов проходит по внешней цепи от отрицательного полюса, к положительному. В качестве восстановителя используются свинец. кадмий, цинк и другие металлы. Окислители- оксид свинца, оксид марганца, гидроксид никеля и другие. В качестве электролита- растворы щелочей, кислот и солей.

Существуют так-же топливные элементы, в которых окислитель и восстановитель подаются извне. Примером может послужить водородно-кислородный топливный элемент, который работает по тому-же принципу что и электролизер, только наоборот- на обкладки подаются водород и кислород, и вырабатывается электроэнергия при реакции их соединения в воду.

Механические источники тока

К механическим источникам тока относятся все источники преобразующие механическую энергию в электрическую. Обычно используются не прямые преобразования, а посредством другой энергии, обычно магнитной. Так например в генераторах вращается магнитное поле- созданное магнитами, или возбужденное иначе, воздействуя на обмотки оно создает ЭДС.

Э.Х. Ленц еще в 1833г обнаружил, что электродвигатели с постоянными магнитами могут вырабатывать электроэнергию, если раскрутить ротор. В составе комиссии по тестированию электрического мотора Якоби, он опытным путем доказал обратимость электродвигателя. Позже было выяснено, что вырабатываемую генератором энергию можно использовать для питания собственных электромагнитов.

Первый генератор был построен в 1832г изобретателями из Парижа- братьями Пиксин. Генератор использовал постоянный магнит, при вращении которого в обмотках расположенных рядом образовывалась ЭДС. В 1843г Эмиль Штерер так-же построил генератор, состоящий из 3х магнитов и 6 катушек. Все первые генераторы использовали постоянные магниты. В дальнейшем (1851-1867гг) применялись электромагниты, питающиеся встроенным генератором на постоянных магнитах. Такую машину создал Генри Уальд в 1863г.

Так-же к механическим можно отнести не используемый, но все-же существующий метод, использующий пьезокерамику. Пьезоизлучатель так-же обратим, и может вырабатывать энергию при механическом воздействии.

Прочие источники тока

Самым используемым сейчас не механическим источником тока является солнечная батарея. Солнечная батарея производит прямое преобразование света в электроэнергию, путем выбивания электронов в pn переходе энергией фотона. Чаще всего используются фотоэлементы на основе кремния. Производят их путем легирования одного и того-же полупроводника различными примесями, для создания np переходов.

Так-же в походных условиях часто используются элементы Пельтье. Элемент Пельтье создает разность температур при протекании электрического тока. Обратный эффект- эффект Зеебека, используется для получения электрического тока при приложении к элементу разности температур. За счет применения различных проводников, температура каждого отличается, что приводит к перетеканию электронов от более горячего проводника, к менее нагретому.

Источники тока, устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую. По виду преобразуемой энергии И. т. условно можно разделить на химические и физические. Сведения о первых химических И. т. (гальванических элементах и аккумуляторах) относятся к 19 в. (например, батарея Вольта, элемент Лекланше). Однако вплоть до 40-х гг. 20 в. в мире было разработано и реализовано в конструкциях не более 5 типов гальванических пар. С середины 40-х гг. вследствие развития радиоэлектроники и широкого использования автономных И. т. создано ещё около 25 типов гальванических пар. Теоретически в И. т. может быть реализована свободная энергия химических реакции практически любого окислителя и восстановителя, а следовательно, возможна реализация несколько тысяч гальванических пар. Принципы работы большинства физических И. т. были известны уже в 19 в. В дальнейшем вследствие быстрого развития и совершенствованиятурбогенераторы и гидрогенераторы стали основными промышленными источниками электроэнергии. Физические И. т., основанные на других принципах, получили промышленное развитие лишь в 50-60-х гг. 20 в., что обусловлено возросшими и достаточно специфическими требованиями современной техники. В 60-х гг. технически развитые страны уже имели промышленные образцы термогенераторов, термоэмиссионных генераторов (СССР, ФРГ, США), атомных батарей

Химическими источниками тока принято называть устройства, вырабатывающие электрический ток за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций химических реагентов. В соответствии с эксплуатационной схемой и способностью отдавать энергию в электрическую сеть химические И. т. подразделяются на первичные, вторичные и резервные, а также электрохимические генераторы.

Физическими источниками тока называют устройства, преобразующие тепловую, механическую, электромагнитную энергию, а также энергию радиационного излучения и ядерного распада в электрическую. В соответствии с наиболее часто употребляемой классификацией к физическим И. т. относят: электромашинные генераторы, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, МГД-генераторы, а также генераторы, преобразующие энергию солнечного излучения и атомного распада

Для поддержания электрического тока в проводнике необходим какой-то внешний источник энергии, который все время поддерживал бы разность потенциалов на концах этого проводника.
Такими источниками энергии служат так называемые источники электрического тока, обладающие определенной электродвижущей силой, которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов на концах проводника.

Численно электродвижущая сила измеряется работой, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного положительного заряда по всей замкнутой цепи.

Если источник энергии, совершая работу A, обеспечивает перенос по всей замкнутой цепи заряда q, то его электродвижущая сила (Е) будет равна

Внутреннее сопротивление источника тока - количественная характеристика источника тока, которая определяет величину энергетических потерь при прохождении через источник электрического тока.
Внутреннее сопротивление имеет размерность сопротивления и измеряется в Омах.
При прохождении электрического тока через источник происходят те же процессы диссипации энергии, и при прохождении через сопротивление нагрузки. Благодаря этим процессам напряжение на клеммах источника тока не равна электродвижущей силе, а зависит от величины тока, а, следовательно, от нагрузки. При небольших значениях силы тока эта зависимость линейная и ее можно представить в виде

8) Мощность и КПД источника равен отношению напряжения во внешней цепи к величине ЭДС.Электри́ческая мо́щность - физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Полезная мощность изменяется в зависимости от внешнего сопротивления более сложным образом. Действительно, Pполезн=0 при крайних значениях внешнего сопротивления: при R=0 и R®¥. Таким образом, максимум полезной мощности должен приходиться на промежуточные значения внешнего сопротивления.

9) Хими́ческий исто́чник то́ка (аббр. ХИТ ) - источник ЭДС, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

Принцип действия: Основу химических источников тока составляют два электрода (отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель, и положительно заряженный катод, содержащий окислитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов - электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на отрицательном аноде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к положительному катоду, создавая разрядный ток, где они участвуют в реакции восстановления окислителя. Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному. Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

В современных химических источниках тока используются:

· в качестве восстановителя (материал анода) - свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;

· в качестве окислителя (материал катода) - оксид свинца(IV) PbO 2 , гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO 2 и другие;

· в качестве электролита - растворы щелочей, кислот или солей.

2) Широкое распространение получили марганцово – цинковые (МЦ) сухие элементы с деполяризатором из диоксида марганца.
Сухой элемент стаканчикового типа (рис. 3) имеет цинковый сосуд прямоугольной или цилиндрической формы, являющийся отрицательным электродом. Внутри него помещён положительный электрод в виде угольной
палочки или пластинки, которая находится в мешке, наполненном смесью диоксида марганца с порошком угля или графита. Уголь или графит добавляют для уменьшения сопротивления. Угольный стержень и мешок с деполяризующей массой называют агломератом. В качестве электролита используется паста, составленная из нашатыря (NH4Cl), крахмала и некоторых других веществ. У стаканчиковых элементов центральный вывод является положительным полюсом.

Кислотные свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди вторичных химических источников тока, обладая сравнительно высокой мощностью в сочетании с надежностью и относительно низкой стоимостью. Эти аккумуляторы находят разнообразное практическое применение. Своей популярностью и широким маштабом производства они обязаны стартерным батареям, предназначенным для различных средств передвижения и прежде всего автомобилей. В этой области их монопольное положение устойчиво и сохраняется долгое время. На базе свинцовых аккумуляторов комплектуется подавляющее большинство стационарных и значительная часть вагонных батарей. Успешно конкурируют с щелочными тяговые свинцовые аккумуляторы.

ле́зо-ни́келевый аккумуля́тор - это вторичный химический источник тока, в котором железо - анод, электролитом является водный раствор гидроксида натрияили калия (с добавками гидроксида лития), катод - гидрат окиси никеля(III).

Активный материал содержится в никелированных стальных трубках или перфорированных карманах. С точки зрения стоимости и удельной энергоемкости, они близки к литий-ионным аккумуляторам, а с точки зрения саморазряда, эффективности и напряжения - к NiMH аккумуляторам. Это достаточно выносливые аккумуляторы, стойкие к грубому обращению (перезаряд, глубокий разряд, короткое замыкание и термические удары) и имеющие очень длинный срок службы.

Их использование стало снижаться с момента остановки производства из-за пожара на заводе/лаборатории Эдисона в 1914 году , по причине плохих показателей работы батарей при низких температурах, плохого удержания заряда и выфсокой стоимости производства, сравнимой с лучшими герметизированными свинцово-кислотными аккумуляторами и до 1/2 стоимости NiMH аккумуляторов. Однако в связи с ростом стоимости свинца в последние годы, из-за чего цена свинцовых аккумуляторов значительно поднялась, цены практически сравнялись.

При сравнении аккумуляторов со свинцово-кислотными следует помнить, что допустимый эксплуатационный разряд свинцово-кислотного аккумулятора в разы меньше, чем теоретическая полная ёмкость, а железоникелевого - очень близок к ней. Поэтому реальная эксплуатационная ёмкость железоникелевого аккумулятора, при равной теоретической полной ёмкости, может быть в разы (в зависимости от режима) больше, чем у свинцово-кислотного.

10) Электротехнические генераторы постоянного и переменного тока .

Машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами.
Простейший генератор постоянного тока (рис. 1) представляет собой помещенную между полюсами магнита рамку из проводника, концы которого присоединены к изолированным полукольцам, называемым пластинами коллектора. К полукольцам (коллектору) прижимаются положительная и отрицательная щетки, которые замыкаются внешней цепью через электрическую лампочку. Для работы генератора рамку проводника с коллектором необходимо вращать. В соответствии с правилом правой руки при вращении рамки проводника с коллектором в ней будет индуктироваться электрический ток, изменяющий свое направление через каждые пол-оборота, так как магнитные силовые линии каждой стороной рамки будут пересекаться то о одном, то в другом направлении. Вместе с этим через каждые пол-оборота изменяется контакт концов проводника рамки и полуколец коллектора со щетками генератора. Во внешнюю цепь ток будет идти в одном направлении, изменяясь только по величине от 0 до максимума. Таким образом, коллектор в генераторе служит для выпрямления переменного тока, вырабатываемого рамкой. Для того чтобы электрический ток был постоянным не только по направлению, но и по величине, (по величине - приблизительно постоянным), коллектор делают из многих (36 и более) пластин, а проводник представляет собой много рамок или секций, выполненных в виде обмотки якоря.

Рис. 1. Схема простейшего генератора постоянного тока: 1 - полукольцо или коллекторная пластина; I - рама проводника; 3 - щетка генератора

Принципиальное устройство простейшего генератора переменного тока показано на рис. 4. В этом генераторе концы рамки проводника присоединяются каждый к своему кольцу, а к кольцам прижимаются щетки генератора. Щетки замыкаются внешней цепью через электрическую лампочку. При вращении рамки с кольцами в магнитном поле генератор даст переменный ток, изменяющий через каждые пол-оборота величину и направление. Такой переменный ток называется однофазным. В технике применяются генераторы трех-