Источники электрического напряжения

Содержание
  1. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы — урок. Физика, 8 класс
  2. Источники электрического напряжения
  3. Понятие об электрическом напряжении
  4. Источники напряжения, основанные на явлениях электризации и магнетизма
  5. Химические и пьезоэлектрические источники напряжения
  6. Источники напряжения для преобразования световой и тепловой энергии
  7. Источники электрического тока — Класс!ная физика
  8. Механический источник тока
  9. Тепловой источник тока
  10. Световой источник тока
  11. Химический источник тока
  12. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
  13. КНИЖНАЯ ПОЛКА
  14. ИЗ ИСТОРИИ ИЗОБРЕТЕНИЙ
  15. СДЕЛАЙ САМ
  16. ИНТЕРЕСНО
  17. «ОЖИВЛЯЕМ» БАТАРЕЙКУ!
  18. САМОДЕЛЬНЫЕ БАТАРЕЙКИ
  19. «СУХОЙ» или «МОКРЫЙ»?
  20. НУ и НУ
  21. ПОПРОБУЙ РАСКУСИ
  22. Источники напряжения — Основы электроники
  23. Источники напряжения построенные на явлении электризации трением (генератор Ван де Граафа)
  24. Источники напряжения основанные на явлении магнетизма
  25. Химические источники напряжения
  26. Источники напряжения, преобразующие световую энергию в электрическую
  27. Источники напряжения, преобразующие тепловую энергию в электрическую
  28. Пьезоэлектрические источники напряжения
  29. Источники напряжения и принципы работы
  30. Какие существуют виды источников электрического тока?
  31. Виды источников электрического тока
  32. Механические источники
  33. Тепловые источники
  34. Световые источники
  35. Химические источники

Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы — урок. Физика, 8 класс

Источники электрического напряжения

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:

Гальванический элемент или аккумуляторБатарея элементов и аккумуляторовКлючЭлектрическая лампочка накаливанияЭлектрический звонокРезистор
ДвигательГенераторМоторКлеммыПровод Пересечение проводов без соединенияСоединение проводов

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

Источник: https://www.yaklass.ru/p/fizika/8-klass/elektricheskie-iavleniia-12351/elektricheskii-tok-elektricheskaia-tcep-galvanicheskie-elementy-akkumulia_-12359/re-74a97d55-2db7-45a6-947f-a227ea083058

Источники электрического напряжения

Источники электрического напряжения

Для создания напряжения потребуется удаление со своих орбит электронов. С этой целью необходима дополнительная энергия. Из пустоты энергия возникнуть не может, она способна только переходить из одной формы в другую.

Замечание 1

Источниками напряжения в физике выступают устройства, главной задачей которых считается преобразование одного из видов энергии в электрическую.

Различают 5 разновидностей источников напряжения:

  • построенные на явлении электризованного трения;
  • основанные на таком явлении, как магнетизм;
  • химические;
  • преобразующие один вид энергии в другую: световую и тепловую в электрическую;
  • пьезоэлектрические.

Понятие об электрическом напряжении

Определение 1

Электрическое напряжение представляет физическую величину, зависимую от работы эффективного электрического поля. Перенос пробного заряда при этом не изменяет распределение других зарядов на источниках поля.

В общем случае, напряжение создается двумя видами работ:

  • электрических сил: $A_ABel$;
  • сторонних сил: $A_ABex$.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Если на участке цепи не наблюдается действие сторонних сил, т.е. $A_ABex$=0, тогда работа по перемещению будет включать только работу потенциального электрополя: $A_ABel$. При этом электрическое напряжение $U_AB$ будет совпадающим с разностью потенциалов этих двух точек.

Размерность электрического напряжения в системе единиц СИ выражается в вольтах. Понятие напряжения ввел в своей работе в 1827 году Георг Ом, где он предложил гидродинамическую модель электрического тока, с целью объяснить эмпирический закон, открытый им ранее:

$U=IR$

Источники напряжения, основанные на явлениях электризации и магнетизма

Источники напряжения могут быть построены на явлении электризации трением (генератор Ван де Граафа).

Наиболее древним способом создания электричества считается трение. Если взять стеклянную палочку и потереть ее шелком или мехом, она будет заряжена электричеством. По этому принципу функционирует генератор Ван де Граафа, способный вырабатывать напряжение в миллионы вольт. Единственное применение такого устройства наблюдается в научных исследованиях.

Замечание 2

Основным методом получения электроэнергии выступает метод магнетизма. Его суть заключается в появлении напряжения при перемещении проводника в магнитном поле. На этом принципе работает такое устройство, как генератор.

Существуют генераторы переменного и постоянного напряжений. При постоянном движении потока электронов в одном направлении, создаваемый указанным потоком ток будет называться постоянным.

В ситуации, когда поток электронов будет периодически изменять свое направление на противоположное, ток считается переменным. Приводить в движение генератор напряжения могут различные виды двигателей, ветер, вода и нагретый пар.

Химические и пьезоэлектрические источники напряжения

Еще одним способом получения электроэнергии выступают химические батареи. В составе батареи находятся два электрода, созданные из разнородных металлов (меди и цинка, например) и погруженные в электролит. Они могут создавать контакт между электролитом и цепью. С помощью электролита из медного электрода извлекают свободные электроны, а цинковый электрод их при этом притягивает.

Медный электрод, таким образом, имеет положительный заряд, а цинковый — отрицательный. Объединяясь, такие элементы образуют батарею.

У некоторых кристаллических материалов есть пьезоэлектрический эффект. К таким относятся: турмалин, кварц, титанат бария, сегнетова соль. Эффект сводится к тому, что при давлении на указанные материалы будет возникать незначительная разность потенциалов (напряжение).

Если давление отсутствует, отрицательные и положительные заряды распределяются в кристалле хаотичным образом. При наличии давления, электроны будут распределены только на одной стороне материала, тем самым создавая область отрицательных и положительных зарядов.

Напряжение снимается специальными электродами и появляется только при приложенном давлении. Такое явление называется пьезоэффектом. Прямой пьезоэлектрический эффект можно наблюдать в зажигалках, датчиках и кристаллических микрофонах.

Источники напряжения для преобразования световой и тепловой энергии

В электрическую можно преобразовать и световую энергию. Это возможно благодаря попаданию света на пленку с фоточувствительным эффектом в солнечном элементе. Такая пленка изготовлена из полупроводников. Освещенная светом фоточувствительная пленка выбивает электроны со своих орбит.

Тем самым формируется область свободных электронов, отрицательно заряженных, а также область положительно заряженных отверстий на соответствующих электродах. Таким образом, отдельный солнечный элемент может вырабатывать небольшое напряжение.

Для создания требуемого напряжения солнечные элементы соединяют в солнечные батареи. Они широко применяются в настоящее время. Преобразование тепловой энергии в электрическую становится возможным с помощью термопары. В основу принципа ее действия положен термоэлектрический эффект.

Термопару составляют два спаянных вместе разнородных металла. При нагревании в одном из них (например, в меди), возникнет в силу его свойств большое количество свободных электронов. Их он легко отдает другому металлу (это может быть, например, железо).

Медь, вследствие этого, приобретет положительный заряд из-за отдачи электронов, а железо, в свою очередь, — отрицательный. На концах этой термопары возникает небольшое напряжение, прямо пропорциональное количеству тепла, которое было получено. Термопары, в основном, применяют в измерительной технике.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/napryazhenie_elektricheskogo_toka/istochniki_elektricheskogo_napryazheniya/

Источники электрического тока — Класс!ная физика

Источники электрического напряжения

Источник тока — это просто!

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 и создают между ними электрическое поле.

Если полюса источника соединить проводами, то по ним пойдет электрический ток.

Существуют различные виды источников тока:

Механический источник тока

— механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

К ним относятся : электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях.

В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака), динамо-машина, генераторы.

Тепловой источник тока

— внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

Например, термоэлемент — две проволоки из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть место спая, тогда между другими концами этих проволок появится напряжение.
Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.

Световой источник тока

— энергия света преобразуется в электрическую энергию.

Например, фотоэлемент — при освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.
Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.

Химический источник тока

— в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

Гальванический элемент — в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполнен-ный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря.

При взаимодействии нашатыря с цинком, 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.

В гальваническом элементе электроды должны обязательно по-разному взаимодействовать с раствором. Поэтому электроды делают из разных материалов.

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Что значит батарейка разрядилась?

Это значит, что электроды или раствор в гальваническом элементе уже израсходованы. Гальванический элемент (батарейку) следует заменить новым.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.

Аккумуляторы

Аккумуляторы — это химические источники тока, в которых электроды не расходуются.
Например, простейший аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в раствор серной кислоты.

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить, т.е. соединить полюсы аккумулятора с аналогичными полюсами какого-нибудь источника тока. При зарядке химическая энергия аккумулятора увеличивается.

После использования разрядившийся аккумулятор можно заряжать снова. Разряжаясь аккумулятор превращает химическую энергию в электрическую.

Аккумуляторы бывают кислотные и щелочные. Из отдельных аккумуляторов можно собрать аккумуляторные батареи. Аккумуляторы применяют тогда, когда источник тока выгоднее перезаряжать, чем заменять новым.

Например, в космосе аккумуляторы заряжают от солнечных батарей. Разряжаясь, они питают аппаратуру космического корабля.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Условное обозначение источника тока на электрической схеме

или батареи, состоящей из нескольких источников

КНИЖНАЯ ПОЛКА

Страшный опыт Мушенбрека.
Гальвани — «воскреситель мертвых».
Вольта держит монеты во рту.

ИЗ ИСТОРИИ ИЗОБРЕТЕНИЙ

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.

Курьёзы в науке.

Простудившаяся жена профессора анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани требовала заботы и внимания. Врачи прописали ей «укрепительный бульон» из лягушечьих лапок. Приготовляя лягушек для бульона, Гальвани и открыл знаменитое «живое электричество» — электрический ток.

Лейденская банка — первый источник тока.

К середине XVIII в. в Голландии, в Лейденском университете, ученые под руководством Питера ван Мушенбрука нашли способ накопления электрических зарядов.

Таким накопителем электричества была лейденская банка — стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри оклеены свинцовой фольгой.

Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества.Разряд лейденской банки имел достаточную мощность.

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.

Это открытие произвело огромное впечатление на всех людей, даже совершенно далеких от науки. Каждый хотел испытать электрический разряд на себе и увидеть его действие на других.

Изобретатели лейденской банки Клейст и Мушенбрек первыми испытали удары зарядов: первый из них после испытания не захотел повторить ощущение даже за персидский престол, второй согласился страдать ради науки. За лейденские банки взялись и медики.

В 1744 году Кратценштейн из Галле разрядом излечил паралич пальца, потом Жильбер вдохнул жизнь в руку столяра, онемевшую от удара молотка. Публика стонала от ожиданий, все хотели бессмертия.

Изобретение гальванического элемента.

Первая электрическая батарея появилась в 1799 году.
Её изобрел итальянский физик Алессандро Вольта (1745 — 1827) — итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока.

Как-то раз он взял в руки трактат физиолога Луиджи Гальвани «Об электрических силах в мускуле» и понял, что лапка лягушки начинала дергаться только тогда, когда к ней прикасались двумя разными металлами.

Гальвани не заметил этого! Вольта решает поставить опыт Гальвани на себе: он взял две монеты из разных металлов и положил их в рот — сверху, на язык, и под его. Потом соединил монеты тонкой проволокой и ощутил вкус подсоленной воды.

Вольта отлично знал – это вкус электричества, и рожден он был металлами.

Так устроен простейший элемент Вольта:

Первый источник тока Вольта–«вольтов столб» был построен в точном соответствии с его теорией «металлического» электричества. Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой.

Вольта был и первым испытателем своего прибора. Ученый опускал руку в чашу с водой, к которой подсоединял один из контактов «столба», а к другому контакту прикреплял проволоку, свободным концом которой он прикасался ко лбу, к носу, к веку. Он чувствовал или укол, или резкий удар — и все это аккуратно записывал.

Иногда боль становилась невыносимой — и тогда Вольта размыкал свою цепь. Он понял, что его «столб» — это источник постоянного тока.
В 1800 году в журнале Лондонского королевского общества появилось письмо Вольты с описанием «вольтова столб». Так была изобретена первая в мире электрическая батарея.

Хотя силы Вольтова столба хватило бы только на то, чтоб зажечь всего лишь одну слабую лампу.

___

А известный русский ученый Петров в 1802 г. изготовил огромную батарею. Она состояла из 4200 медных и цинковых кружков, между каждой парой которых прокладывали картонные кружочки, пропитанные раствором нашатыря.

Эта батарея представляла собой 2100 медно-цинковых гальванических элементов, соединенных последовательно. Напряжение на ее зажимах составлялоколо 1650-1700 В.

Это был первый в истории источник постоянного тока сравнительно высокого напряжения.

СДЕЛАЙ САМ

Термоэлемент из электролампы

Если взять электрическую лампу без стеклянного баллона, ввернуть ее в патрон, укрепленный на подставке и соединить с гальванометром, то при нагревании горящей спичкой места соединения спирали с проволочкой гальванометр покажет наличие тока.

Лейденская банка

Лейденскую банку (или конденсатор) легко сделать самому. Для этого нужна стеклянная банка. Стенки банки с внешней стороны и внутренней стороны надо на 2/3 оклеить фольгой (без складок!). Затем взять полиэтиленовую крышку и вставить в середину ее металлический стержень.

На верхний конец стержня насадить металлический (или из любого другого материала, но оклеенный фольгой) шарик. Из фольги сделать кисточку и укрепить ее на нижнем конце стержня так, чтобы она при закрытой крышке касалась дна.

Закрыть банку крышкой — и прибор готов!

Чтобы зарядить банку, прикоснитесь к шарику, например, наэлектризованной пластмассовой расческой. Чтобы увеличить заряд, проделайте это несколько раз, заново наэлектризовывая расческу.

ИНТЕРЕСНО

Культуры некоторых организмов способны вырабатывать электрический ток. Если опустить в жидкую культуру кишечной палочки или обычных дрожжей платиновый электрод, а другой — в такую же питательную среду, но без микробов, то возникает разность потенциалов

«ОЖИВЛЯЕМ» БАТАРЕЙКУ!

Не спешите выбрасывать старую батарейку, а попробуйте ее «оживить».
В марганцево-цинковых элементах со временем из диоксида марганца образуется гидроксид марганца, который постепенно покрывает оксид и мешает протеканию химической реакции. Проще всего постучать по батарейке , например, камнем (при сотрясении разрушается образовавшийся поверхностный слой гидроксида).

Или же можно пробить в цинковом стаканчике батарейки отверстие, например, гвоздем и опустить батарейку в воду. Электролит разжижается, и ему легче проникнуть к диоксиду марганца. Таким способом можно увеличить срок службы батарейки почти на треть.

САМОДЕЛЬНЫЕ БАТАРЕЙКИ

Вкусная батарейка

Фрукты содержат в себе слабые растворы кислот. Если взять лимон или яблоко и воткнуть в него медную проволоку, а на расстоянии от неё кусочек оцинкованного железа, то получится гальванический элемент. Измерьте вольтметром напряжение на своей батарейке, он покажет около 1 В.

А можно убедиться в этом и без вольтметра: прикоснитесь языком одновременно до меди и цинка – язык защиплет!

А можно составить большую батарею, включив элементы последовательно. Вкусненько, не правда ли?!

Содовая батарейка

Надо развести питьевую соду до густоты сметаны, и выложить чайной ложкой на блюдце. На один край содового комка положить медную монету, а на другой конец – кусочек оцинкованного железа.

Вы получили гальванический элемент, который дает напряжение около 1В. Его можно измерить с помощью вольтметра, дотронувшись проводами, идущими от вольтметра, одновременно до меди и цинка.

Можно составить последовательную цепь из нескольких подобных элементов, напряжение на выходе батареи увеличится!

Солёная батарейка

Возьми по пять «желтых» и «белых» монет. Разложи их, чередуя между собой. Проложи между ними прокладки из промокашки или газеты, смоченной в крепком растворе поваренной соли.

Поставь все это столбиком и сожми. Батарейка готова! Подсоедини вольтметр к первой «желтой» и последней «белой монете.

Есть напряжение! А если взять этот столбик из монет большим и указательным пальцами, то можно ощутить легкий удар током!

! Не забудь сначала очистить все металлические детали от жира, очень хорошо это получается с помощью порошка «Пемоксоль» (для чистки посуды)!

«СУХОЙ» или «МОКРЫЙ»?

Действительно ли, так называемый, «сухой элемент» является сухим?
Отнюдь, полость элемента между электродами заполнена веществом в пастообразном состоянии, и чтобы оно не вытекало, и электроды не смещались, элемент сверху заливают смолой.

Угольно-цинковые гальванические являются самыми распространенными сухими элементами питания. В них электролит находится в пастообразном состоянии. Угольно-цинковые элементы могут «восстанавливаются» в течение перерыва в работе,

и в результате периодического «отдыха» срок службы элемента продлевается.

НУ и НУ

В далеких деревнях, на хуторах, где нет электричества, можно встретить интересную керосиновую лампу — «электростанцию»: она не только светит, но и вырабатывает электрическую энергию. Устройство ее довольно простое. Брусочки из двух различных полупроводниковых материалов смонтированы в виде трубки, которую надевают на укороченное ламповое стекло.

Каждая пара различных брусочков спаяна металлической пластинкой, образуя букву П. Когда лампа зажжена, . места спаек нагреваются, стороны брусочков, обращенные внутрь трубки, разогреваются воздухом, поднимающимся от пламени. Противоположные грани остаются холодными.

В результате на холодном конце одного брусочка накапливается положительный заряд, а на холодной грани другого брусочка – отрицательный. Соединив грани соответствующих пар проволокой, получим термоэлектрогенератор.
Пока в наше время такие устройства не находят промышленного использования, т.к.

коэффициент полезного действия такой термопары низкий — всего 6-8%. Это в несколько раз меньше, чем к. п. д. современных тепловых электростанций.

Ветряная ферма в Альтамонт Пэсс (Калифорния) состоит из 300 ветряных турбин. Чтобы производить столько же электричества, сколько производит атомная электростанция, ветряная ферма должна занимать площадь примерно в 140 квадратных миль.

ПОПРОБУЙ РАСКУСИ

( или задачки «на 5» )

1. Как изменится действие элемента Вольта, если его медный электрод заменить цинковым или цинковый заменить вторым медным?

2. Если алюминиевый чайник, в который налит раствор поваренной соли, присоединен
медным проводом к одной клемме гальванометра, а ко второй клемме присоединен железный стакан, то что произойдет при переливании жидкости из чайника в стакан?

Следующая страница «Занимательные фишки для 8 класса»

Источник: http://class-fizika.ru/8_25.html

Источники напряжения — Основы электроники

Источники электрического напряжения

Для того, что бы создать напряжение необходимо электроны, находящиеся на своих орбитах удалить с этих орбит. Следовательно, для этого необходимо приложить энергию, природа которой может быть самой различной.

Мы знаем, что энергия из пустоты не возникает, она просто переходит из одной формы в другую.
Источники напряжения – это устройства, преобразующее один из видов энергии в электрическую энергию.В мире существует шесть видов источников напряжения:1.

    Источники напряжения построенные на явлении электризации трением.2.    Источники напряжения основанные на явлении магнетизма.3.    Химические источники напряжения.4.    Источники напряжения, преобразующие световую энергию в электрическую.5.

    Источники напряжения, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

6.    Пьезоэлектрические источники напряжения.

Источники напряжения построенные на явлении электризации трением (генератор Ван де Граафа)

Самым древним способом получения электричества является трение. Если взять стеклянную или эбонитовую палочку и потереть ее кусочком меха или шелка, то она зарядится. На этом самом принципе работает генератор Ван де Граафа (рис 3.1.).

Рисунок 3.1.Генератор Ван де Граафа.

Генератор Ван де Граафа способен вырабатывать напряжения величиной в миллионы вольт. Но, к сожалению, это устройство нигде, кроме как в научных исследованиях не используется, да еще в кабинетах физики.

Источники напряжения основанные на явлении магнетизма

На сегодняшний день в основном электрическую энергию получают методом, основанным на явлении магнетизма. Суть его состоит в том, что если проводник перемещать в магнитном поле, то на его концах будет появляться напряжение. Это напряжение будет возникать в течение времени перемещения проводника в магнитном поле.  На этом принципе построено устройство, называемое генератором (рис. 3.2).

Рисунок 3.2.Генератор постоянного напряжения.

Бывают генераторы постоянного напряжения и генераторы переменного напряжения. Если поток электронов постоянно движется в одном направлении, то ток, создаваемый этим потоком, называется постоянным.

Если поток электронов периодически меняет свое направление на противоположное, то в этом случае ток называется переменным. Генератор напряжения может приводиться в движение различными двигателями, ветром, водой, даже нагретым паром.

Общее условно-графическое обозначение генератора переменного тока можно посмотреть на рис. 3.3.

Рисунок 3.3.Условно-графическое обозначение а) генератора переменного напряжения; б) генератора постоянного напряжения.

Химические источники напряжения

Следующим по значимости методом получения электрической энергии является применение химических батарей. Составной частью батарей являются два электрода, изготовленные из разнородных металлов (к примеру меди и цинка) и погруженные в электролит (раствор кислоты, щелочи или соли). Они создают контакт между цепью и электролитом.

Из медного электрода с помощью электролита извлекаются свободные электроны, а цинковый электрод эти электроны притягивает. Таким образом, медный электрод имеет положительный заряд, а цинковый отрицательный. Несколько таких элементов, соединяясь вместе, образуют батарею.

Некоторые образцы химических источников напряжения представлены на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4. Химические источники напряжения

На рисунке 3.5 показаны условно-графические обозначения химического элемента и батареи химических элементов.

Рисунок 3.5.УГО а)химического элемента; б) батерии.

Источники напряжения, преобразующие световую энергию в электрическую

В электрическую энергию может быть преобразована и световая энергия, путем попадания света на фоточувствительную пленку в солнечном элементе. В основе солнечных элементов лежит использование фоточувствительной пленки, изготовленной из полупроводников.

При освещении фоточувствительной пленки светом, происходит выбивание электронов со своих орбит. Тем самым образуются область отрицательно заряженных свободных  электронов и область положительно заряженных дырок на соответствующих электродах. Так отдельный солнечный элемент вырабатывает небольшое напряжение. На рисунке 3.

6 показано общее условно-графическое обозначение солнечного элемента.

Рисунок 3.7. УГО солнечного элемента

Для получения необходимого напряжения солнечные элементы соединяются в солнечные батареи (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7. Солнечная батарея

В настоящее время солнечные батареи находят все большее и большее применение.

Источники напряжения, преобразующие тепловую энергию в электрическую

Тепловую энергию можно преобразовать в электрическую с помощью, так называемой, термопары (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8. Термопара

Условно-графическое обозначение термопары показано на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9.УГО термопары

В основе принципа действия термопары лежит термоэлектрический эффект. Термопара состоит из двух спаянных вместе разнородных металлов. При нагревании в одном металле (например, в меди), в силу его свойств возникает множество свободных электронов, которые он с легкостью отдает другому металлу, (например железу).

В следствие этого медь приобретает положительный заряд, так как отдала электроны, а железо отрицательный. На концах такой термопары появляется небольшое напряжение. Данное напряжение прямо пропорционально количеству полученного тепла.
В основном широкое применение термопары нашли в измерительной технике.

Пьезоэлектрические источники напряжения

Некоторые кристаллические материалы обладают пьезоэлектрическим эффектом. К таким материалам относится: титанат бария, сегнетова соль, турмалин, кварц. Суть эффекта в том что при приложении давления на данные материалы возникает небольшая разность потенциалов, то есть напряжение.

При отсутствии давления отрицательные и положительные заряды распределены хаотично в кристалле. В случае приложения давления, электроны распределяются только на одной стороне материала, тем самым создается область отрицательных зарядов и область положительных зарядов.

Напряжение снимается с помощью специальных электродов и возникает только при приложенном давлении. Это явление называется прямым пьезоэффектом. Пьезоэффект обратим.Прямой пьезоэлектрический эффект используется в зажигалках, в кристаллических микрофонах и в различных датчиках.

Условно-графическое обозначение пьезоэлемента приведено на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10. УГО пьезоэлемента

Заметим, что явления, на которых основаны все шесть источников напряжения, обратимы.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Источник: http://www.sxemotehnika.ru/istochniki-napryazheniya.html

Источники напряжения и принципы работы

Источники электрического напряжения

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.

Разность потенциалов: Если на одном конце проводника имеет место избыток электронов (так называемый отрицательный заряд) и дефицит их на другом конце проводника (положительный заряд), то по проводнику начинает протекать ток.

Он будет идти до тех пор, пока данное условие актуально. Источник напряжения, создающий избыток электронов на одном конце и их дефицит на другом конце проводника, характеризуется физической величиной, которую назвали потенциалом.

Любой потенциал характеризуется способность источника напряжения совершать электрическую работу.

Представим два стакана из которых вытекает одинаковое количество воды, но падающая с разной высоты. И здесь выясняется: что во втором стакане энергия капли больше, т.к на нее воздействует земная гравитация. Когда частицы воды падают, они выделяют энергию, чем большее расстояние она пролетела тем больше энергии выделилось.

Аналогичным образом и энергия электронов связана с электрическим полем, которое сгенерировано источником тока. Это электрополе действует на каждый электрон, поэтому они при движении начинают выделять энергию. Но если частицы воды падают к центру земли, то свободные электроны падают от одного полюса источника к другому.

Единицей измерения электрического напряжения называется физическая велечина называемая напряжения, ее единицой измерения является вольт.

1 Вольт = 1 Джоуль / 1 кулон

В электротехнике напряжение обозначают латинской буквой U, а работа или энергия буквой А (в курсе электротехники работа и энергия равнозначные понятия). Таким образом, можно записать следующую формулу:

U = A / q

А — работа (энергия), q — количество электричества

Итак, напряжение возникает при удалении электронов со своих орбит в атомах. Т.о, любой вид энергии, отрывающий электроны от их атомов, может быть применен для получения напряжения.

Но надо четко понимать, что энергия никогда сама по себе не образуется. А просто происходит переход энергии из одной формы в другую. Источник напряжения — не только источник электрической энергии.

Это также и способ преобразования других видов энергии в электрическую форму.

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

  1. Источник работающий на явлении электризации трением
  2. Источник построенный на принципах магнетизма
  3. Химический источник напряжения
  4. Источник преобразующий световую энергию в электрическую
  5. Источник напряжения осуществляющие преобразование тепловую энергию в электрическую
  6. Пьезоэлектрические источники напряжения

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.

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.

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 — электротехнические 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.

Источник: http://www.texnic.ru/books/electrotex/el006.htm

Какие существуют виды источников электрического тока?

Источники электрического напряжения

Источник электрического тока – это устройство, с помощью которого создаётся электрический ток в замкнутой электрической цепи. В настоящее время изобретено большое количество видов таких источников. Каждый вид используется для определённых целей.

Виды источников электрического тока

Существуют следующие виды источников электрического тока:

  • механические;
  • тепловые;
  • световые;
  • химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах.

Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество.

Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному.

Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока.

Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

СПРАВКА! Чтобы получить термопару, необходимо соединить 2 различных металла.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор.

В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой.

Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока.

Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту.

Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

  1. Гальванические
  2. Аккумуляторы
  3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):

  1. Солевые;
  2. Щелочные;
  3. Литиевые.

Солевые, или иначе “сухие”, батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Источник: https://odinelectric.ru/elektrosnabzhenie/vidy-istochnikov-electricheskogo-toka

Booksm
Добавить комментарий