Источники напряжения и принципы работы

Для того, что бы в проводнике возникло напряжение нужно электроны, находящиеся на своих орбитах оторвать с этих орбит. Поэтому, для этого требуется приложить энергию, физическая природа которой может быть самой разнообразной. Думаю всем ясно, что энергия из ничего не появляется, она просто перетекает из одной формы в другую. Источники напряжения – это такие приборы и устройства, преобразующие какую либо физическую форму в электрическую энергию.

На сегодняйший день в электротехники существует шесть видов источников напряжения (ИН):

Источники напряжения
1. на явлении электризации трением
2. на принципах магнетизма
3. Химические ИН
4. преобразующие световую энергию в электрическую
5. осуществляющие преобразование тепловую энергию в электрическую
6. Пьезоэлектрические ИН.

Источники напряжения работающие на принципах электризации трением генератор Ван де Граафа

Это по праву самым древний способ получения электричества . Еще в античном мире, а может быть и раньше знали, что если взять эбонитовую палочку и потереть ее об мех , шелк, да хоть собственные волосы, то она зарядится. На этой же физике и работает генератор Ван де Граафа.

Генератор Ван де Граафа может генерировать напряжения с уровнем до миллиона вольт.

Но, практического применения , это устройство не нашло, кроме как в отдельных научных проектах, да и в опытах по физике.

Источники напряжения на принципах магнетизма

Основной методом получения чистой электрической энергию основывается на явлении магнетизма. Принцип его состоит в том, что если проводник двигать в магнитном поле, то на его концах возникнет электрический потенциал. Это напряжение будет генерироваться в течение всего времени движения проводника в магнитном поле. На этом физическом принципе работает специальное устройство, называемое генератором.

Различают генераторы постоянного и переменного напряжения. Если поток электронов постоянно течет в одном направлении, то ток, генерируемый этим потоком, называют постоянным. Если поток электронов периодически изменяет свое направление движения, то в этом случае его называется переменным. Генератор напряжения приводиться в движение различными физическими факторами, ветром, водой, даже нагретым паром.

Химические источники напряжения

Другим достаточно распространенным способом получения электрической энергии считается химический, основанный на различных химических реакциях, протекающих внутри батареи. Типичная батарея состоит из двух электродов, изготовленных из разнородных металлов (например медь и цинк) и находящиеся в электролите (специальный химический раствор кислоты, щелочи или соли). Электроды создают контакт между цепью и электролитом. Из медного электрода течет поток свободных электронов, а цинковый электрод принимает освободившиеся частицы. Поэтому, медный электрод обладает положительным зарядом, а цинковый, соответственно отрицательным. Несколько таких элементов, включенных вместе, составляют батарею.


Источники напряжения преобразующие солнечную энергию в электрическую

В электрическую энергию можно превратить и энергию от нашего светила, путем поступления света на фоточувствительный элемент. Сегодня в Германии, таким образом генерируется до 35% всей требуемой электрической энергии. И думаю, в не далеком будущем это будет основной способ получения электричества в мире. При освещении фоточувствительного элемента светом, начинается процесс выбивание электронов со своих орбит. Тем самым возникает район отрицательно заряженных свободных электронов и положительно заряженных дырок на разных электродах.


Солнечная батарея и ее условно графическое обозначение на схеме

Преобразование тепловой энергии в электрическую

Этот тип превращения осуществляется с помощью специального электронного устройства, называемого термопарой.

Работает термопара на основе термоэлектрического эффекта. Термопара состоит из двух соединенных вместе разнородных металлов. В результате нагрева один металл (медь), начинает освобождать большое количество свободных электронов, которые уходят в другой металл, а железо отрицательный.


Обозначение термопары на схеме

На концах такой термопары возникает незначительный уровень напряжения, которое прямо пропорционально количеству тепла. Широкое практическое использование термопары получили в измерительной технике.

Пьезоэлектрические преобразователи

Некоторые кристаллические материалы имеют пьезоэлектрический эффект. Например: титанат бария, сегнетова соль, турмалин, кварц. Суть его в том что при возникновении давления на эти вещества возникает незначительная разность потенциалов. При отсутствии давления свободные носители распределены хаотично в объеме кристалла.

В случае возникновения давления, электроны сосредотачиваются только на одной стороне, тем самым генерируя область отрицательных положительных зарядов. Потенциал снимается с помощью электродов и появляется только при физическом давлении. Это явление получило название прямого пьезоэффекта. Пьезоэффект обратим. Прямой пьезоэлектрический эффект применяется в зажигалках, в кристаллических микрофонах и в датчиках.

Топливные элементы (ТЭ). Электрогенераторы будущего

Топливный элемент это электрохимическое устройство, которое способно преобразовывать химическую энергию топлива в электричество, исключая дополнительные паразитные преобразования (тепловое, механическое и прочее). У топливных элементов КПД гораздо выше с традиционными способами выработки электричества.

Топливные элементы были открыты в 1839 году Вильямом Гровом. При опытах с электролизом воды, отсоединив от электролитической ванны батарею питания, изобретатель заметил, что электроды начинают активно поглощать выделившийся ранее газ и вырабатывать электрический ток. Это стало базой последующих исследований в данном направлении.

Топливный элемент немного напоминает обычные гальванические элементы по своему принципу работы, но в отличие от них, в топливных элементах исходные химические вещества для реакции поступают постоянно. Поэтому топливные элементы могут работать очень долго до тех пор, пока имеется топливо и окислитель.

Топливные элементы состоят из электродов, катализаторов, электролита, проточных каналов для подачи топлива и окислителя, а также каналы для вывода отработанных веществ (воды, избыточных газов и т.д.) и избыточного тепла.

Топливные элементы принципы работы

Материалом для электродов является специально обработанный кобальт, никель, некоторые группы металла платины, угли. На поверхность электродов наносится тонкий слой катализатора (элемент, ускоряющий процесс протекания химические реакции), обычно в качестве катализатора используют порошок родия, платины и прочее.

Сами электроды изготовлены в виде пористых пластин, между ними электролит, а внешние стороны электродов ссделаны в виде каналов, по которым идет топливо с окислителем и на которых идет процесс химических реакций в топливном элементе.

Центром ТЭ является протонообменная мембрана, выполняющая функцию электролита. Обычно она имеет вид пленки из специального полимера, который сочетает в себе гидрофобную основную цепь и боковые фрагменты, что содержат кислотные группы. Если мембрана содержит воду, то она будет собираться вблизи кислотных групп, образовывая гидратную область с размером около одного нанометра. Именно в данной области будут появляться различные формы протона, имеющие возможность свободно перемещаться.

Химические реакции проходят по следующей схеме: топливо - водород поступает на анод ТЭ, на нем его атомы распадаются на протоны и электроны (H2 = 2e- + 2H+), освободившиеся свободные электроны уходят во внешнюю электрическую цепь создавая электрический ток, а протоны следуя через электролит на катодную сторону. На катоде с протонами водорода сцепляются атомы кислорода и электроны, поступившие из внешней цепи с образованием воды (4H+ + 4e- + O2 = 2H2O).

Продуктами выделения после химической реакции будет водяной пар и малое количество тепла. Напряжение, при данном процессе на единичном топливном элементе, обычно, не превышает 1,1 Вольта. Для получения необходимого уровня напряжения и тока, топливные элементы желательно объединить в батареи, используя свойства последовательного и параллельного соединения. Такие топливные батареи вместе с блоками терморегулирования и газораспределения устанавливаются в один блок, который называется — электрохимический генератор.

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы устройство и принцип действия

Ионисторы, другое название суперконденсаторы или ультраконденсаторы — это такие устройства, похожие на конденсаторы в которых накапливается электрический заряд между двумя обкладками на границе раздела двух сред - электролита и электродами. Вся энергия в ионисторах хранится в виде статического заряда. Накопление энергии происходит за счёт приложенного постоянного напряжения на его внешние выводы. Проще можно сказать, что это обычные конденсаторы, которые в отличие от простых, обладают огромной емкостью.

Соединение источников питания. Параллельное последовательное и смешанное

Для увеличения уровня значений тока или напряжения, или того и другого источники питания (отдельные элементы, батареи) можно соединять вместе. В электротехнике используют три типа соединения элементов питания: Последовательное, параллельное и смешанное соединение элементов.