Источников электрического тока: таблица видов и их особенности

Электродинамика — раздел физики, изучающий свойства и взаимодействие частиц, обладающих зарядом. Движущиеся носители создают электрический ток. Таблица источников такой силы поможет лучше разобраться в явлении, научит отличать их от похожих генераторов напряжения. Кроме этого, позволит понимать принципиальное отличие друг от друга химических источников, физических и механических. Комментарии в ней помогут узнать процесс превращения энергии.

Оглавление:

• Общие сведения
• Вольтов столб
• Перечень источников
• Идеальный генератор и схема

Общие сведения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц под действием приложенной к веществу силы. Любой материал состоит из элементарных носителей заряда. В качестве их выступает атом, состоящий из протонов, нейтронов и вращающихся по орбитали электронов. Все эти частицы обладают энергией. Атомный заряд считают положительным, а электронный — отрицательным.

В нормальном состоянии, когда на физическое тело не действуют дополнительные силы, энергетическое состояние вещества находится в состоянии равновесия. Количество электронов равняется числу протонов. Силы взаимодействия (кулоновские) не дают частицам разорвать связь, поэтому электрон не может покинуть свою орбиталь. Но вместе с тем в кристаллической решётке существуют и свободные носители. Это частицы, не имеющие связей с атомом. Каждая из них обладает определённым количеством энергии.

При равновесии движение свободных электронов происходит хаотично. Заряды сталкиваются с дефектами в кристаллической решётке, примесями, отдают энергию и получают, поэтому на энергетическое состояние их перемещение не влияет.

Если же к телу приложить силу, которая позволит упорядочить направление движения электронов, появится электроток. Генераторами энергии служат источники тока. Чтобы появилось направленное движение частиц, электрическая цепь, к которой подключается генератор, должна быть замкнутой. Кроме этого, нужен приёмник, потребляющий вырабатываемый ток. Суть работы источника силы заключается в следующем:

• устройство потребляет энергию любого вида, например, тепловую, механическую;
• из-за различных внутренних процессов материя преобразуется в электричество;
• под действием напряжения (электрического поля) электроток начинает поступать в нагрузку.

Источник тока — устройство, в котором сила энергии не зависит от напряжения. Другими словами, вне зависимости от разницы потенциалов, возникающей на нагрузке, число носителей заряда, проходящих по проводнику, не изменяется. Обозначают прибор на принципиальных схемах кружком, внутри которого рисуют стрелку, указывающую направление протекания тока. Устройство является двухполюсным, поэтому на схеме показывают и выводы генератора в виде прямых линий.

Вольтов столб

Экспериментатор Алессандро Вольт в 1800 году занимался изучением электричества. Анализируя труды Гальвани, открывшего «природное электричество», он пришёл к выводу, что для его появления нужна жидкость, воздействующая на металл. Свою догадку он назвал «контактным электричеством».

Вольт приступил к изготовлению своего прибора, в дальнейшем названным гальваническим элементом. В конструкцию входили:

• медные и цинковые пластины;
• проводники;
• электролит.

Учёный собрал прибор, напоминающий по внешнему виду столб. Внизу он поместил медную пластину, а сверху неё цинковую. Пространство между ними Вольт заполнил электролитом. Его роль в устройстве выполняла ткань, пропитанная подсоленной водой. Собрав несколько таких блоков, он поочерёдно поместил их один на другой, разделив их также электролитом. От крайних пластин с помощью проводника отвёл выводы. С помощью гальванометра Ампера Алессандро смог наблюдать появление тока.

В своём докладе Вольт объяснял образование электротока эффектом соприкосновения разных металлов, вызывающего электродвижущую силу. Электролит же нужен был, чтобы пресекать появление встречного потока частиц. Так был построен первый источник тока — гальванический.

Этим изобретением заинтересовались многие учёные. В 1802 году российский физик Петров повторил конструкцию, использовав более двух тысяч элементов. Его устройство позволяло вырабатывать ток, которого хватало для создания электрической дуги. Через 30 лет химик Дэниель использовал в качестве электролита раствор серной кислоты.

Изобретение получало всё большее развитие. В 1859 году Планте вместо медных пластин использовал свинец — прототип современных свинцово-кислотных аккумуляторов. Леканше собрал устройство, состоящее из цинкового стакана, заполненного хлористым аммонием. Внутри него был помещён агломерат из марганцевого оксида с угольным выводом.

Все эти разработки стали возможными благодаря изобретению итальянца, которое стало называться в его честь — вольтов столб. Уже в начале XX века в качестве электролита стали использовать серную кислоту, а вместо медно-цинковых пластин — сложные химические соединения, такие как Li-Ion, li-pol, Ni-Cd, Ni-MH, Ar-Zn. Источники тока хотя и не могут обеспечить большую мощность, но являются лёгкими и небольшими по размерам, что позволяет их использовать в портативной технике.

Перечень источников

Источники тока отличаются друг от друга по способности преобразовывать ту или иную энергию. Другими словами, их определение напрямую связано с типом преобразуемой материи в электричество. Следует отметить, что идеальных генераторов энергии не существует. Всё дело в том, что в реальных источниках есть внутреннее сопротивление, которое не может быть бесконечно большим.

Перечислить все существующие источники тока по виду трансформируемой ими энергии удобно в следующей таблице:

Пожалуй, самыми интересными являются химические источники тока, генерирующие электричество за счёт окислительно-восстановительных реакций. В них положительный и отрицательный вывод разделён не только жидким электролитом, но и пастообразным или пористым мембранным сепаратором. Все источники этого типа разделяют на первичные и вторичные. Последние отличаются способностью восстанавливать отданную энергию.

Из гальванических элементов, являющихся источниками, можно выделить:

• марганцевые солевые;
• ртутно-цинковые;
• литиевые неводные.

Их средняя максимальная мощность составляет около 20 Вт. Напряжение же изменяется от одного вольта до полутора. В то же время у литиевых неводных разность потенциалов может достигать до 3,2 вольт, а их мощность равняться 50 ватт. Солевые батарейки — самый дешёвый тип для производства, но не эффективный, литиевые — имеют самые лучшие характеристики.

Все химические генераторы отличаются рядом параметров. Кроме мощности и напряжения на противоположных выводах, они характеризуются удельной ёмкостью, током саморазряда. Если для значения первой величины лучше, когда оно больше, то для второй всё наоборот.

Идеальный генератор и схема

В школе на уроках физики в старших классах рассматривается тема об идеальных источниках напряжения и тока. Всё дело в том, что простейшая электрическая цепь состоит из двух элементов: генератора энергии и приёмника.

В реальной же схеме добавляется внутреннее сопротивление генератора тока и импеданс проводников, назначение которых — обеспечивать соединение узлов. Для обозначения дополнительных элементов используют резистор.

Напряжение на контактах источника будет меньше, чем ЭДС на значение разности потенциалов существующего внутри источника: U = f1 — f2 = E — U = E — r * I. Так как считается, что ток направлен от точки с большим потенциалом к меньшей, его величина на клеймах подключения источника и приёмника будет одинаковая. Значит, E = r * I + R * I, а отсюда следует: I = E / r + R, то есть величину тока ограничивает как внутреннее, так и внешнее сопротивление.

Таким образом, обозначаться источник на схеме будет, как параллельно соединённый генератор с сопротивлением. Напряжение зависит от тока приёмника и определяется разностью потенциалов. Когда внутренний импеданс больше чем нагрузки, источник энергии близок к идеальному режиму работы (отсутствуют потери). Электроэнергия находится в источнике близко к состоянию короткого замыкания, поэтому каков будет ток в цепи, зависит только от присоединённой нагрузки.

Идеальный генератор тока — устройство, имеющее 2 вывода и поддерживающее постоянный ток в подключённой к нему схеме. Это состояние не зависит от величины сопротивления нагрузки и приложенного напряжения. Чтобы была правильная передача энергии, её сообщение должно выполняться по проводникам с низким импедансом. Причём генератор должен поддерживать нужное напряжение между своими выводами.

Реальные источники отличаются ограниченным диапазоном, в котором создаваемое напряжение может изменять свою величину. Кроме того, источник выходного тока быть абсолютно постоянным практически не может.

Следует отметить, что из-за не идеальности генератора тока, никакой разницы между ним и источником напряжения не существует. В то же время в электротехнике считается, что устройство тока выдаёт постоянный поток электронов в независимости от разности потенциалов и, по сути, является конденсатором. Генератор же напряжения поддерживает постоянное значение в вольтах и похож на аккумулятор.