Источники тока какие бывают – 2. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

2. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы

Электрический ток — направленное, упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные).
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.

Обрати внимание!

Условия существования электрического тока:

• наличие свободных электрических зарядов;
• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;
• замкнутая электрическая цепь.
Электрическое поле создают 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 накапливаются на полюсах источника.

Существуют различные виды источников тока:

• Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.

Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.

• Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.

• Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию. Сюда относится фотоэлемент.

При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.

• Химический источник тока — в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.
К нему относится, например, гальванический элемент.

В цинковый сосуд Ц вставлен угольный стержень У, у которого имеется металлическая крышка М. Стержень помещён в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углём С. Пространство между цинковым корпусом и смесью оксида марганца с углём заполнено желеобразным раствором соли Р. В результате химической реакции 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. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.

Простейший аккумулятор состоит из сосуда, наполненного слабым раствором серной кислоты в воде, в который опущены две свинцовые пластины (электроды). Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Если обе пластины соединить с полюсами какого-либо источника электрической энергии, то электрический ток, проходя через раствор, зарядит один электрод положительно, а другой — отрицательно. Такие аккумуляторы называют кислотными или свинцовыми. Кроме них ещё существуют щелочные или железоникелевые аккумуляторы. В них используется раствор щёлочи и пластины: одна — из спрессованного железного порошка, а вторая — из пероксида никеля.
Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.
Наряду с источниками тока существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие. Чтобы электроэнергию доставить от источника до потребителя, необходимы соединительные проводники, а чтобы её поступлением можно было управлять, нужны рубильники, выключатели, кнопки и т.д.

Обрати внимание!

Источник электроэнергии, потребители электроэнергии, замыкающие устройства, соединённые между собой проводами, называют электрической цепью.

Чтобы в цепи существовал электрический ток, она должна быть замкнутой, т.е. состоять из проводников электричества. Если в каком-либо месте провод разорвётся, то ток в цепи прекратится. На этом основано действие выключателей.

Обрати внимание!

Чертежи, на которых изображаются способы соединения электрических приборов в цепь, называют схемами.

Приборы на схемах обозначают условными знаками. Вот некоторые из них:

Источники:

Пёрышкин А.В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.

http://www.fizika.ru/kniga/index.php?mode=paragraf&theme=09&id=9010
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba06a-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_8.swf

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.

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.

Источник тока — Википедия

Обозначение источника тока на схемах (вариант)

Исто́чник то́ка (в теории электрических цепей) — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины

генератор тока и идеальный источник тока.

Источник тока используется в качестве простейшей модели некоторых реальных источников электрической энергии или как часть более сложных моделей реальных источников, содержащих другие электрические элементы. Следует заметить, что электрические характеристики реальных источников могут быть близки к свойствам источника тока или его противоположности — источника напряжения.

В электротехнике источником тока называют любой источник электрической энергии.

Идеальный источник тока[править | править код]

Сила тока, текущего через идеальный источник тока, всегда одинакова по определению:

I=const{\displaystyle I={\text{const}}}

Напряжение на клеммах идеального источника тока (не путать с реальным источником!) зависит только от сопротивления R{\displaystyle R} подключенной к нему нагрузки:

U=I⋅R{\displaystyle U=I\cdot R}

Мощность, отдаваемая источником тока в нагрузку:

P=I2⋅R{\displaystyle P=I^{2}\cdot R}

Поскольку ток через идеальный источник тока всегда одинаков, то напряжение на его клеммах и мощность, передаваемая им в нагрузку, с ростом сопротивления нагрузки возрастают, достигая в пределе бесконечных значений.

Реальный источник[править | править код]

В линейном приближении любой реальный источник тока (не путать с описанным выше источником тока — моделью!) или иной двухполюсник может быть представлен в виде модели, содержащей, по меньшей мере, два элемента: идеальный источник и внутреннее сопротивление (проводимость). Одна из двух простейших моделей — модель Тевенина — содержит источник ЭДС, соединенный последовательно с сопротивлением, а другая, противоположная ей, модель Нортона — источник тока, соединенный параллельно с проводимостью (т. е. идеальным резистором, свойства которого принято характеризовать значением проводимости). Соответственно, реальный источник в линейном приближении может быть описан при помощи двух параметров: ЭДС E{\displaystyle {\mathcal {E}}} источника напряжения (или силы тока I{\displaystyle I} источника тока) и внутреннего сопротивления r{\displaystyle r} (или внутренней проводимости y=1/r{\displaystyle y=1/r}).

Можно показать, что реальный источник тока с внутренним сопротивлением r{\displaystyle r} эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление r{\displaystyle r} и ЭДС E=I⋅r{\displaystyle {\mathcal {E}}=I\cdot r}.

Напряжение на клеммах реального источника тока равно

Uout=IR⋅rR+r=IR1+R/r.{\displaystyle U_{\text{out}}=I{\frac {R\cdot r}{R+r}}=I{\frac {R}{1+R/r}}.}

Сила тока в цепи равна

Iout=IrR+r=I11+R/r.{\displaystyle I_{\text{out}}=I{\frac {r}{R+r}}=I{\frac {1}{1+R/r}}.}

Мощность, отдаваемая реальным источником тока в сеть, равна

Pout=I2R(1+R/r)2.{\displaystyle P_{\text{out}}=I^{2}{\frac {R}{\left(1+R/r\right)^{2}}}.}

Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например, по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. В частности, 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.

Источником тока является катушка индуктивности, по которой шёл ток от внешнего источника, в течение некоторого времени (t≪L/R{\displaystyle t\ll L/R}) после отключения источника. Этим объясняется искрение контактов при быстром отключении индуктивной нагрузки: стремление к сохранению тока при резком возрастании сопротивления (появление воздушного зазора) приводит к резкому возрастанию напряжения между контактами и к пробою зазора.

Вторичная обмотка трансформатора тока, первичная обмотка которого последовательно включена в мощную линию переменного тока, может рассматриваться как почти идеальный источник переменного тока. Следовательно, размыкание вторичной цепи трансформатора тока недопустимо. Вместо этого при необходимости перекоммутации в цепи вторичной обмотки (без отключения линии) эту обмотку предварительно шунтируют.

$t \ll L/R$

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:

В схеме токового зеркала (рисунок 2) ток нагрузки в правой ветви задается равным эталонному току в левой ветви, так что по отношению к нагрузке R2 эта схема выступает как источник тока.

Существуют различные варианты обозначений источника тока. Наиболее часто встречаются обозначения (a) и (b). Вариант (c) устанавливается ГОСТ^[1] и IEC^[2]. Стрелка в кружке указывает положительное направление тока в цепи на выходе источника. Варианты (d) и (e) встречаются в зарубежной литературе. При выборе обозначения нужно быть осмотрительным и использовать пояснения, чтобы не допускать путаницы с источниками напряжения.

$t \ll L/R$ Рисунок 3. Обозначения источника тока на схемах

↑ ГОСТ 2.721-74 Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения.
↑ IEC 617-2:1996. Graphical symbols for diagrams — Part 2: Symbol elements, qualifying symbols and other symbols having general application

Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2002. — 638 с. — ISBN 5-8297-0026-3.

обозначение, характеристики, виды источников таблицей

Есть несколько видов источников тока, отличаемые по тому, как именно вырабатывается энергия. Каждый вариант имеет свой тип устройства. Различным является и принцип выработки электрической энергии, а также ее преобразование. Определить, какой тип элемента применяется, можно с помощью графического обозначения.

Что это такое

Источники тока — это элемент электрической цепи, который поддерживает ток с заданными параметрами. При этом поддерживание цепи не зависит от параметров входящих в нее элементов, а именно сопротивления.

Прибор для выработки тока

Различают идеальные и реальные источники тока. Идеальные определяются только воображением. Существует определенный диапазон действия, которое имеет максимальные значения, приближенные к идеалу. То есть осуществляется имитирование идеального источника.

Реальные варианты поддерживает заданные параметры выходного тока и напряжения. Приспособление удерживает такую работу, пока это позволяют делать его заданные характеристики.

Получается, что максимальное значение тока и напряжение дают возможность определять, какой именно вариант источника будет использоваться в цепи — идеальный или реальный.

Виды

Есть несколько видов источников тока. Каждый вариант имеет свои основные показатели, характеристики и особенности. Определяемые показатели:

Вид источника	Характеристики
Механический	Специальное устройство (генератор) производит переработку механической энергии в электрическую. В настоящее время большое количество тока производится именно с помощью механических источников тока.
Тепловой	Принцип переработки тепловой энергии в электрическую. Такое преобразование происходит благодаря разности температур контактирующих между собой полупроводников. Сейчас разработаны источники тока, в которых тепловая энергия вырабатывается благодаря распаду радиоактивных элементов.
Химический	Химические можно условно поделить на 3 группы — гальванические, аккумуляторы и тепловые. Гальванический вариант работает посредством взаимодействия 2-х разных металлов, помещенных в электролит. Аккумуляторы — устройства, которые можно несколько раз заряжать и разряжать. Есть несколько видов аккумуляторов различными типами составляющих. Химически-тепловые используются только для кратковременной работы. Применяются в основном в ракетной сфере.
Световой	В конце XX века достаточно популярными стали солнечные батареи, которые «собирают» световые частицы, которые потом преобразуются в электрическую энергию. Это происходит за счет выдачи напряжения благодаря воздействию на световые частицы.

Каждый вид имеет свои преимущества и недостатки, которые определяются принципом использования, а также исходными показателями вырабатываемой энергии.

Механические

Механические источники тока являются самыми простыми в плане использования и обустройства. Характеристика таких генераторов вполне простая для понимания. В специальных устройствах вырабатывается энергия, а потом преобразуется в нужный вид (электричество). Такие приспособления используются на тепловых электростанциях и гидроэлектростанциях.

Механический

Тепловые источники

Тепловые варианты источников имеют уникальный принцип работы. В результате разности температур, которая возникает между парами контактирующих металлических проводников. В результате возникает термопар.

Обратите внимание! Радиоактивные термопары используют в космической сфере. Эффективность такого использования возможна благодаря долгому сроку службы и огромных показателях вырабатываемой мощности.

В результате такого движения заряженных частиц от горячей части к холодной и возникает электроток. При этом, чем больше температурные разница, тем больше показатель результативной энергии. Термопары используют для измерительных приборов.

Тепловой

Световые источники

Световые источники электроэнергии считаются самыми экологичными, эффективными и дешевыми. Специальная панель из полупроводников поглощает световые частички, которые при таком взаимодействии выдают определенное напряжение.

Световой

При этом световые панели имеют небольшой показатель КПД — 15 %. Панели такого типа используются в бытовых условиях, а в последнее время в космической отрасли. Дополнительным нюансом является высокая стоимость литиевых панелей и дополнительное обустройство мини-станции по преобразованию и выработке электроэнергии.

Химические источники

Основные 3-и группы химических источников имеют и подгруппы. Особенности и принцип работы:

Гальванический вид устройства — это одноразовый вариант выработки электроэнергии, то есть после полной зарядки вторичной подзарядке они не поддаются. Обычно это батарейки, которые можно поделить на такие группы: солевые, литиевые, щелочные. Солевые батарейки — самый дешевый тип продукции, но не эффективный. Литиевые — продолжительное время не разряжаются и вырабатывают напряжение в пределах 1,5-3,7 В. Эффективность щелочных такая же, как и у солевых, но сроки работы в 1,5 раза больше.
Аккумуляторы бывают нескольких типов: свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-кадмиевые.
Тепловые используются в ракетной сфере, чтобы производить кратковременный, но плотный ток. Обычно это резервные варианты питания.

Дополнительная информация! Химико-тепловые устройства требуют первоначального нагрева до 500-600 °С, чтобы активизировать твердый электролит.

В определенной сфере используется свой вариант источника. В бытовых условиях применяются в основном батарейки; в производственной — аккумуляторы; а вот более технические сферы требуют наличия тепловых типов.

Химический

Обозначение источников тока

Чтобы при выборе не возникало вопрос относительно того, какой тип источника тока представлен, используются специальные обозначения. В физике есть точные графические изображения, которые помогут определиться с типом используемого источника:

Обозначения

Пояснения к указанным обозначениям:

а) общее обозначение источника тока и движущей силы ЭДС;
б) графическое изображение без ЭДС;
в) химический тип;
г) батарея химического источника;
д) вариант выработки постоянного напряжения;
е) переменное напряжение;
ж) генератор, который производит энергию.

Благодаря графическим определителям даже глядя на схему электрической цепи можно понять, какой именно тип используется в данной ситуации. Есть и международные обозначения, которые встречаются немного реже, обычно в проектах международного значения.

Принцип действия

Каждая маркировка источников тока определяет принцип его действия. В каждой ситуации выработка энергии производится посредством взаимодействия составляющих частей.

Механический тип. В результате взаимодействия частей механизма возникает трение. Благодаря такому действию возникает статическое электричество. Благодаря специальному преобразователю образовывается постоянный электрический ток.
Механические конструкции работают посредством образования последовательно движущихся заряженных частичек. Это возникает благодаря взаимодействию химического элемента с электролитом. Заряженные частички выбиваются из металла, которые низменно присутствует в конструкции таких приспособлений.
Солнечные батареи (световые источники) работают за счет выбивания заряженных частиц из диэлектрической (кремниевой) основы благодаря действию светового потока. Благодаря этому возникает постоянное напряжение.

Тепловые. Обычно это 2 последовательно соединенных металлических оснований. Одна часть нагревается, а вторая остается охлажденной. При изменении температурного режима возникает разница температур, в результате чего происходит движение заряженных частиц.

Любое изменение в строении может привести к необратимым последствиям, которые проявятся в принципе действия приспособления.

Конструкция

Кроме внешнего вида конструкции еще и по-разному работают. Каждый источник, который выдает электрический ток, имеет определенную конструкцию:

Самый простой аккумулятор имеет такое строение. Металлический корпус, внутри которого используется щелочная среда. Дополнительными элементами являются свинцовые пластины. Дополнительно присутствует анод и катод.

Аккумулятор

Строение батарейки с наличием сухого элемента, которая относится к типу химических источников. В металлический корпус помещен стержень, который играет роль катода. Остальное пространство заполнено солевым электролитом.

Батарейка

Механический тип строения источника тока, а именно генератора переменного тока. Это устройство, состоящее из трещоток или металлической рамки. В действие эти элементы могут приводить магниты или внешние факторы.

Механический принцип устройства

Тепловой источник тока, который уже включен в цепь. Это обычная рамка, установленная на подставке из диэлектрика. Обычно конструкция подключена к измерительному прибору, типа Амперметра. Источник тепла — это огонь или внешний электрический импульс.

Тепловое устройство

Подробная конструкция помогает точно понять, как образуется энергия, а потом преобразуется именно в электрическую. Каждый вариант строения обычно заключен в специальный корпус из диэлектрического материала.

Условия работы источников тока

Каждый источник тока работает при определенных условиях. В химических элементах не смогут образовываться заряженные частицы, а также их движение, если будет отсутствовать главная химическая реакция. Если будет отсутствовать анод и катод, то движение частиц даже при химической реакции возникать не будет.

В аккумуляторах происходит похожий процесс, но толчком для возникновения химической реакции является именно замыкание во внешней электрической цепи. Заряженные элементы начинают двигаться от анода к катоду и наоборот, создавая постоянный поток.

Идеальный и реальный

Световые типы не могут работать без наличия источника света. КПД зависит от типа используемого диэлектрического элемента. Дополнительно нужно иметь в наличие приспособление ля преобразования полученной энергии.

Тепловой вариант не будет работать, если буде использовать всего 1 тип металла. Если будет отсутствовать источник тепла, то ни о каком возникновение движущихся частиц не может быть и речи.

Источники

Для выработки электрической энергии нужно выбрать соответствующий потребностям источник тока. Есть несколько вариантов таких приспособлений, каждый из которых имеет определенное строение, принцип работы и особенности в плане технических показателей.

Химический источник тока — Википедия

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

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был «элемент Вольта» — сосуд с серной кислотой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, с проволочными токовыводами. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа «вольтовым столбом». Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Даниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниеля».

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор, поместив скрученную в рулон тонкую свинцовую пластину в серную кислоту. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO₂ в качестве деполяризатора с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Хьюберт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

Самый старый, поныне работающий гальванический элемент — серебряно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 году. Подключенный к двум таким последовательно соединенным батареям звонок работает и по сей день в Кларендонской лаборатории Оксфорда^[1].

Основу химических источников тока составляют два электрода (положительно заряженный анод, содержащий восстановитель, и отрицательно 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:

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций невозможно перезарядить;
электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;
топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно, пока обеспечивается подача реагентов.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на кислотные (например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные (например ртутно-цинковый элемент, ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор, никель-кадмиевый аккумулятор) и солевые (например, марганцево-магниевый элемент, цинк-хлорный аккумулятор).

Некоторые виды химических источников тока[править | править код]

Гальванические элементы[править | править код]

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

См. также Категория: Гальванические элементы.

Тип	Катод	Электролит	Анод	Напряжение, В
Литий-железо-дисульфидный элемент	FeS₂		Li	1,50
Марганцево-цинковый элемент	MnO₂	KOH	Zn	1,56
Марганцево-оловянный элемент	MnO₂	KOH	Sn	1,65
Марганцево-магниевый элемент	MnO₂	MgBr₂	Mg	2,00
Свинцово-цинковый элемент	PbO₂	H₂SO₄	Zn	2,55
Свинцово-кадмиевый элемент	PbO₂	H₂SO₄	Cd	2,42
Свинцово-хлорный элемент	PbO₂	HClO₄	Pb	1,92
Ртутно-цинковый элемент	HgO	KOH	Zn	1,36
Ртутно-кадмиевый элемент	HgO₂	KOH	Cd	1,92
Окисно-ртутно-оловянный элемент	HgO₂	KOH	Sn	1,30
Хром-цинковый элемент	K₂Cr₂O₇	H₂SO₄	Zn	1,8—1,9

Другие типы:

Электрические аккумуляторы[править | править код]

Электрический аккумулятор — химический источник тока многоразового действия (то есть в отличие от гальванического элемента химические реакции, непосредственно превращаемые в электрическую энергию, многократно обратимы). Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств.

См. также Категория: Аккумуляторы.

Топливные элементы[править | править код]

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

См. также Категория: Топливные элементы.

↑ Exhibit 1 — The Clarendon Dry Pile». Oxford Physics Teaching, History Archive. Retrieved 18 January 2008
↑ В демонстрационных экспериментах зачастую используют мякоть плодов апельсина, яблоки и пр.

Дасоян М. А. Химические источники тока. — 2-е изд. — Л., 1969.
Романов В. В., Хашев Ю. М. Химические источники тока. — М., 1968.
Орлов В. А. Малогабаритные источники тока. — 2-е изд. — М., 1970.
Вайнел Д. В. Аккумуляторные батареи. — пер. с англ., 4-е изд. — М. — Л., 1960.
The Primary Battery / ed. G. W. Heise, N. C. Cahoon. — N. Y. — L., 1971. — Т. v. 1.

Электролитические процессы

Электрический ток. Источники электрического тока (Гребенюк Ю.В.)

На этом уроке мы поговорим об одном из важнейших понятий в жизни современного человека – электрическом токе. Без него невозможно представить себе нашу жизнь: мы заряжаем мобильные телефоны, смотрим телевизор, разогреваем еду в микроволновке – и всё это невозможно себе представить без направленного упорядоченного движения заряженных частиц, которые мы не можем разглядеть даже под микроскопом. Об электрическом токе, условиях его существования, классификации веществ по их способности проводить электрический ток, а также об источниках тока и пойдёт речь на уроке.

На предыдущих уроках мы поговорили об электрических зарядах, электрическом поле и взаимодействии заряженных частиц. Однако прежде мы не говорили о движении заряженных частиц. Наш сегодняшний урок восполнит этот пробел. Наверное, многие из вас на вопрос «Что бы вы взяли с собой на необитаемый остров?» сразу ответили бы: «Мобильный телефон, планшет, ноутбук…», однако, подумав, спохватились бы: «Ой, там же нет электричества!..» Трудно себе представить, что всего сто с небольшим лет назад большая часть нашей страны представляла собой такой вот остров, ведь электричеством могли пользоваться лишь немногие. Сегодня каждый из вас назовёт не менее десятка электрических приборов, без которых трудно представить свою жизнь: телевизор, компьютер, стиральная машина, микроволновка, электрический чайник, холодильник… Эти устройства называются электрическими, так как для их работы необходим электрический ток.

С этим понятием мы сталкиваемся практически каждый день. Наверное, каждый из вас слышал фразы «удар током», «линия под током» и т.п. Это слово настолько прочно вошло в нашу жизнь, что мы используем его, практически не задумываясь. Действительно, мы точно знаем, что если вставить вилку в розетку, то прибор начнёт работать. Но что происходит внутри розетки? Почему штепсель имеет именно такой вид? Чем опасно засовывание пальцев в розетку? Сейчас мы уже обладаем достаточными знаниями для того, чтобы разобраться в этих вещах.

Проведём простой опыт. Поставим на столе два электрометра (А и Б) и зарядим один из них, например, электрометр А (см. рис. 1). Стрелка электрометра А отклонится. Соединим кондукторы электрометров металлическим стержнем, закрепленным на пластмассовой ручке. По отклонению стрелок видно, что заряд электрометра Ауменьшился, а незаряженный электрометр Бполучил заряд (см. рис. 2). Это значит, что в результате перемещения частиц, имеющих электрический заряд, часть электрического заряда перешла по стержню от одного прибора к другому. В этом случае говорят, что по стержню прошел электрический ток.

Рис.1. Зарядим электрометр А

Рис. 2. Соединение кондукторов металлическим стержнем

Электрический ток – это направленное упорядоченное движение заряженных частиц. Исходя из определения электрического тока, можно сформулировать одно из двух необходимых условий его возникновения и существования в любой среде. Очевидно, что всреде должны иметься свободные заряженные частицы, то есть такие частицы, которые могут перемещаться по всей среде (их еще называют носителями тока). Однако этого условия недостаточно, чтобы в среде возник и в течение длительного промежутка времени существовал электрический ток. Для создания и поддержания направленного движения свободных заряженных частиц также необходимо наличие электрического поля.Под действием этого поля движение свободных заряженных частиц приобретает упорядоченный (направленный) характер, что и означает появление в данной среде электрического тока.

Зная условия возникновения и существования электрического тока, нетрудно догадаться, что способность проводить электрический ток (или, как говорят физики, электрическая проводимость) у различных веществ неодинакова. В зависимости от этой способности все вещества и материалы принято делить на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники – это вещества и материалы, которые хорошо проводят электрический ток. Проводниками являются металлы, водные растворы солей (например, поваренной соли), кислот и щелочей. Хорошая электрическая проводимость проводников объясняется наличием в них большого количества свободных заряженных частиц. Так, в металлическом проводнике часть электронов, покинув атомы, свободно перемещается по всему его объему (см. рис .3), и количество таких электронов достигает в см³. Влажная земля, тела людей и животных хорошо проводят электрический ток, так как содержат вещества, являющиеся проводниками.

Рис. 3. Покинувшие атом электроны

Диэлектрики – это вещества, которые плохо проводят электрический ток. Диэлектриками являются некоторые твердые вещества (эбонит, фарфор, резина, стекло и др.), некоторые жидкости (дистиллированная вода, керосин и др.) и некоторые газы (водород, азот и др.). В диэлектриках почти отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому диэлектрики практически не проводят электрический ток. Проводники и диэлектрики широко используют в промышленности, быту, технике. Так, провода, по которым подводят электрический ток от электростанций к потребителям, изготавливают из металлов – хороших проводников. При этом на опорах провода располагают на изоляторах – это предупреждает стекание электрического заряда в землю. Для этого же слоями диэлектрика покрывают провода, прокладываемые в земле.

Существует также множество веществ, которые называют полупроводниками. В обычных условиях они плохо проводят электрический ток, и их можно отнести к диэлектрикам. Однако, если, например, повысить температуру или увеличить освещенность полупроводников, в них появляется достаточное количество свободных заряженных частиц – и полупроводники становятся проводниками. К полупроводникам относятся такие вещества, как германий, кремний, мышьяк и др.; их широко используют для изготовления радиоэлектронной аппаратуры, солнечных батарей и т.д.

Многим знакома ситуация: необходимо срочно позвонить, вы берете мобильный телефон и с огорчением обнаруживаете, что батарея аккумуляторов разрядилась, а телефон из чуда технической мысли превратился в кусок пластика. То же самое может произойти и с аккумуляторами фотоаппарата, плейера, фонарика, часов. Как же работает этот загадочный аккумулятор? Чем-то он напоминает наш организм, не правда ли? Ведь мы способны выполнять большой объём работы после еды, однако со временем начинаем ощущать усталость, слабость, наша энергия начинает иссякать. И нам необходимо отдохнуть, подкрепиться, чтобы с новыми силами приступить к работе. Естественно, что любое исправное электротехническое устройство будет работать только в том случае, если выполнены условия возникновения и существования электрического тока: наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. За создание электрического поля отвечают источники тока. В источниках тока электрическое поле создается и поддерживается благодаря разделению разноименных электрических зарядов. В результате на одном полюсе источника накапливаются частицы, имеющие положительный заряд, а на втором – частицы, имеющие отрицательный заряд. Между полюсами возникает электрическое поле. Под действием этого поля в проводнике, соединяющем полюса источника, свободные заряженные частицы начинают направленное движение, то есть возникает электрический ток. Однако разделить разноименные заряды не так просто, ведь между ними существуют силы притяжения. Для разделения разноименных зарядов, а следовательно, для создания электрического поля, необходимо выполнить работу. И выполнить ее можно за счет механической, химической, тепловой и других видов энергии.

Источники электрического тока – устройства, которые превращают различные виды энергии в электрическую энергию. Все источники электрического тока можно условно разделить на физические и химические. К физическим источникам электрического токапринято относить устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет механической, световой или тепловой энергии. Примерами таких источников тока могут быть электрофорная машина, турбогенераторы электростанций, фото- и термоэлементы и др. Несмотря на все разнообразие физических источников электрического тока, в повседневной жизни мы чаще имеем дело с химическими источниками электрического тока – гальваническими элементами и аккумуляторами. Химическими источниками электрического тока называют устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет энергии, выделяющейся в процессе химических реакций. Возьмём медную и цинковую пластины и очистим их поверхности. Между пластинами поместим ткань, смоченную в слабом растворе сульфатной кислоты (см. рис. 4).

Рис. 4. Простейший химический источник

Полученное устройство и есть простейший химический источник электрического тока – гальванический элемент. Если соединить пластины через гальванометр(чувствительный электроизмерительный прибор, часто используемый в качестве индикатора слабого электрического тока), то прибор зафиксирует наличие тока (см. рис. 5).

Рис. 5. Наличие тока в цепи

Гальванический элемент впервые создал итальянский ученый А.Вольта; он назвал его в честь своего соотечественника Л. Гальвани. Любой гальванический элемент состоит из двух электродов и электролита.Часто используют один металлический электрод, а второй – угольный или содержащий оксиды металлов. Электролитом служит твердое или жидкое вещество, которое проводит электрический ток благодаря наличию в нем большого количества свободных заряженных частиц – ионов. В описанном нами гальваническом элементе, электродами выступают цинковая и медная пластины, а электролитом – раствор сульфатной кислоты. Между электродами и электролитом происходят химические реакции, в результате которых один из электродов (анод)приобретает положительный заряд, а второй (катод)– отрицательный (см. рис. 6).

Рис. 6. Гальванический элемент

Когда запас веществ, принимающих участие в реакциях, истощается, гальванический элемент прекращает работать. Для обеспечения электропитания фотоаппаратов, плейеров, настенных часов, карманных фонариков и т.п. широко используется марганцево-цинковый элемент – один из видов гальванических элементов. Со временем гальванические элементы становятся непригодными к работе, и их нельзя использовать повторно. А вот другой вид химических источников электрического тока – электрические аккумуляторы– можно использовать многократно.

Аккумуляторы, как и гальванические элементы, состоят из двух электродов, помещенных в электролит. Однако их можно снова зарядить. При зарядке аккумулятора химические реакции идут в обратном направлении и концентрация сульфатной кислоты восстанавливается. Следует отметить, что и аккумуляторы, и гальванические элементы обычно объединяют и получают, соответственно, аккумуляторнуюбатарею и батарею гальванических элементов.По принципу действия современные химические источники тока почти не отличаются от созданных более двух столетий назад. При этом сейчас существует множество разнообразных видов гальванических элементов и аккумуляторов и продолжается активная разработка новых. Друг от друга они отличаются размерами, массой, энергоемкостью, сроком службы, надежностью, безопасностью, стоимостью и т.д. Выбор того или иного химического источника тока продиктован сферой его применения. Так, в автомобилях целесообразно использовать относительно дешевые кислотные аккумуляторные батареи, и то, что они довольно тяжелые, не является существенным. А вот источники тока для мобильных телефонов должны быть легкими и безопасными, поэтому в данном случае целесообразно использовать так называемые литий-ионные батареи, хотя они сравнительно недешевы.

Электрический ток в природе

Если вас попросят привести пример электричества в природе, то почти наверняка речь пойдёт о молнии. Действительно, молния является, наверное, одной из самых грандиозных демонстраций мощи электричества. Однако использует ли природа электричество так же повсеместно, как и человек? Оказывается, да. Практически все живые существа функционируют благодаря электричеству. Например, нервный импульс человека – это электрический сигнал. Любая клетка обладает электрическим полем. И таких примеров можно привести массу. Мы же поговорим о существах, которые используют электричество в наиболее неожиданных и полезных для себя вариантах – о рыбах. Рыбы используют разряды:

– для освещения себе пути,

– для защиты, нападения и оглушения жертвы,

– для передачи сигнала друг другу и заблаговременного обнаружения препятствий.

Самыми известными электрическими рыбами являются электрический угорь, электрический скат и электрический сом. У этих рыб имеются специальные органы для накопления электрической энергии. Небольшие напряжения, возникающие в обычных мышечных волокнах, суммируются здесь благодаря последовательному включению множества отдельных элементов, которые нервами, как проводниками, соединены в длинные батареи (см. рис. 7).

Рис. 7. Органы электрических рыб

Среди других электрических рыб особенно выделяется скат торпедо (см. рис. 8), который встречается в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах.

Рис. 8. Скат торпедо

Размеры торпедо достигают двух метров. Каждый орган состоит из множества колодцев, вертикальных по отношению к поверхности тела и сгруппированных подобно пчелиным сотам. В каждом колодце, заполненном студенистым веществом, помещается столбик из 350–400 лежащих друг на друге дисков. Диски играют роль электродов в электрической батарее. Вся система приводится в действие особой электрической долей мозга (см. рис. 9).

Рис. 9. Орган торпедо

Напряжения тока, вырабатываемого угрем, достаточно, чтобы убить в воде рыбу или лягушку. Он может произвести удар более чем в 500 вольт (для сравнения в обычной сети квартиры 220 вольт)! Угорь создает особенно сильное напряжение тока, когда изогнется дугой так, что жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое электрическое кольцо.

Характерная особенность рыб, имеющих электрические органы, их малая восприимчивость к действию электрического тока. Так, например, электрический угорь без вреда для себя переносит напряжение 220 В. Племена, живущие по отдаленным притокам южноамериканских рек Амазонки, Ориноко и др., в местах брода у каждого берега держат на привязи лошадей. Когда кто-то хочет переправиться на противоположный берег, то он вначале гонит перед собой лошадь (но не едет на ней!), а сам идет следом за лошадью. Обратный путь он проделывает таким же образом. Чем объясняется этот весьма своеобразный способ переправы? В реках северо-восточной части Южной Америки обитает самая мощная из всех известных электрических рыб – электрический угорь. По этой причине племена, живущие по притокам этих рек, в местах брода, там, где водится много электрических угрей, устраивают переправу с помощью лошадей. Электрические угри разряжают свои батареи о ноги лошадей и не успевают, так сказать, перезарядить это оружие, так что люди переходят реку невредимыми

Решение задач

Рассмотрим примеры решения нескольких важных задач, связанных с понятием электрического тока.

Задача1. Можно ли утверждать, что в источниках тока возникают положительные и отрицательные заряды?

Решение

Для ответа на поставленный вопрос необходимо вспомнить, что происходит в источнике тока? В источнике тока происходит разделение разноимённых электрических зарядов под действием неэлектрических сил, что приводит к тому, что на разных полюсах источника тока накапливаются частицы с зарядами разных знаков (см. рис. 10). Вследствие этого и возникает электрическое поле между полюсами источника. Таким образом, в источнике происходит только разделение зарядов, а не их возникновение.

Рис. 10. Разделение разноименных зарядов

Задача 2. Каким требованиям должен соответствовать материал для изготовления корпусов розеток и выключателей?

Решение

Как мы знаем из повседневного опыта, корпуса розетки и выключателя служат посредниками между человеком и электрической сетью. При этом человек сам является неплохим проводником электрического тока, поэтому, если бы не было защитных корпусов, случайное прикосновение человека к контактам могло бы привести к замыканию им электрической цепи и прохождению тока через тело человека. Именно поэтому корпуса розеток и выключателей делают обычно из пластмассы (и аналогичных материалов), то есть из веществ, которые не проводят электрический ток (диэлектриков).

Задача 3. Железный гвоздь и отрезок медного провода воткнули в лимон. Потечёт ли ток через провод, которым соединяют гвоздь и провод (см. рис. 11)?

Рис. 11. Иллюстрация к задаче

Решение

Фактически перед нами находится гальванический элемент. Кислота, содержащаяся в лимоне, будет играть роль электролита. Так как материалы, из которых изготовлены гвоздь и провод, разные, то и взаимодействовать с кислотой они будут по-разному, а значит, будет происходить разделение зарядов и данное устройство будет выполнять функции источника тока. В этом можно наглядно убедиться (см. рис. 12).

Рис. 12. Источник тока

Давайте посмотрим, как отреагирует гальванометр, если мы соединим его с медным проводом (см. рис. 13).

Рис. 13. Гальванометр соединили с медным проводом

Видим, что стрелка гальванометра отклоняется. Если мы соединим несколько лимонов, т.е. сделаем батарею из лимонов, то сможем получить достаточно существенный ток – такая батарея называется багдадской

Что такое батарейка?

Мы часто употребляем в обиходе слово «батарейка». Однако теперь, когда мы познакомились с источниками тока, можно определиться с тем, к какому же виду источников относится батарейка. Оказывается, что батарейки относятся к химическим источникам тока и могут быть как гальваническими элементами, так и аккумуляторами.

Батарейка – обиходное название источника электричества для автономного питания разнообразных устройств. Может представлять собой одиночный гальванический элемент, аккумулятор или их соединение в батарею. Часто мы слышим и такие понятия, как пальчиковая батарейка, «крона»… Что же они означают? Оказывается, батарейки принято классифицировать по различным критериям (размеры, характеристики, форма).

Основные виды батареек – минипальчиковая (или мизинчиковая – ААА), пальчиковая (АА), средняя (С), большая (D) и крона (см. рис. 14).

Рис. 14. Классификация батареек

Также батарейки классифицируют по типу электролита, который в них используется, поэтому батарейки бывают: сухие (твёрдый электролит), щелочные, серебряные, воздушно-цинковые, литиевые (см. рис. 15).

Рис. 15. Иная классификация батареек

На этом уроке мы узнали, что такое электрический ток, обсудили условия его возникновения и существования, а также поговорили об источниках электрического тока.

На следующем уроке мы поговорим об электрической цепи и её составных частях. На этом наш урок окончен. Спасибо за внимание.

Список рекомендованной литературы:

Соколович Ю.А., Богданова Г.С Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
Перышкин А.В. Физика: Учебник 8 класс. — Издательство: М.: 2013. – 240 с.

Домашнее задание

Дайте определение проводникам, полупроводникам и диэлектрикам.
Что такое батарейка? Каков принцип ее работы?
Дайте определение электрического тока.

Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Интернет-портал Electricalschool.info (Источник).
Интернет-портал Electricsafety.ru (Источник).
Интернет-портал Class-fizika.narod.ru (Источник).

виды, характеристики, сферы применения :: SYL.ru

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

Источники постоянного электрического тока

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

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

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