מקור זרם חשמלי הוא מכשיר שבעזרתו נוצר זרם חשמלי במעגל חשמלי סגור. כיום, הומצאו מספר רב של סוגים של מקורות כאלה. כל סוג משמש למטרות ספציפיות.
תוֹכֶן
סוגי מקורות זרם חשמלי
ישנם את הסוגים הבאים של מקורות זרם חשמלי:
- מֵכָנִי;
- תֶרמִי;
- אוֹר;
- כִּימִי.
מקורות מכניים
מקורות אלו ממירים אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית. ההמרה מתבצעת במכשירים מיוחדים - גנרטורים. הגנרטורים העיקריים הם גנרטורים טורבו, שבהם המכונה החשמלית מונעת על ידי זרימת גז או קיטור, ומחוללי הידרו, הממירים את אנרגיית המים הנופלים לחשמל. רוב החשמל על פני כדור הארץ מופק בדיוק על ידי ממירים מכניים.
מקורות חום
כאן, אנרגיה תרמית מומרת לחשמל. התרחשות זרם חשמלי נובעת מהפרש הטמפרטורה בין שני זוגות של מתכות או מוליכים למחצה מגע - צמדים תרמיים. במקרה זה, חלקיקים טעונים מועברים מאזור מחומם למקום קר. גודל הזרם תלוי ישירות בהפרש הטמפרטורה: ככל שההבדל הזה גדול יותר, כך גדל הזרם החשמלי. צמדים תרמיים מבוססי מוליכים למחצה נותנים הספק תרמואלקטרי גדול פי 1000 מאלה דו מתכתיים, כך שניתן לייצר מהם מקורות זרם. צמדים תרמיים ממתכת משמשים רק למדידת טמפרטורה.
התייחסות! כדי לקבל צמד תרמי, אתה צריך לחבר 2 מתכות שונות.
כיום פותחו יסודות חדשים המבוססים על המרת חום המשתחרר במהלך ההתפרקות הטבעית של איזוטופים רדיואקטיביים. אלמנטים כאלה נקראים מחולל תרמו-אלקטרי רדיואיזוטופ. בחללית, גנרטור המשתמש באיזוטופ פלוטוניום-238 הוכיח את עצמו היטב. הוא נותן הספק של 470 וואט במתח של 30 וולט. מכיוון שזמן מחצית החיים של איזוטופ זה הוא 87.7 שנים, חיי הגנרטור ארוכים מאוד. צמד תרמי דו מתכת משמש להמרת חום לחשמל.
מקורות אור
עם התפתחות הפיזיקה של מוליכים למחצה בסוף המאה ה-20, הופיעו מקורות זרם חדשים - סוללות סולאריות, בהן אנרגיית האור מומרת לאנרגיה חשמלית. הם משתמשים בתכונה של מוליכים למחצה כדי לייצר מתח כאשר הם נחשפים לשטף אור. השפעה זו חזקה במיוחד במוליכים למחצה סיליקון. אבל עדיין, היעילות של אלמנטים כאלה אינה עולה על 15%.פאנלים סולאריים הפכו חיוניים בתעשיית החלל, והחלו לשמש בחיי היומיום. המחיר של ספקי כוח כאלה יורד ללא הרף, אבל נשאר די גבוה: כ -100 רובל לכל 1 וואט של כוח.
מקורות כימיים
ניתן לחלק את כל המקורות הכימיים ל-3 קבוצות:
- גלווני
- סוללות
- תֶרמִי
תאים גלווניים פועלים על בסיס אינטראקציה של שתי מתכות שונות הממוקמות באלקטרוליט. יסודות כימיים שונים ותרכובותיהם יכולים לשמש זוגות של מתכות ואלקטרוליט. הסוג והמאפיינים של האלמנט תלויים בכך.
חָשׁוּב! תאים גלווניים משמשים רק פעם אחת, כלומר. לאחר השחרור, לא ניתן לשחזר אותם.
ישנם 3 סוגים של מקורות גלווניים (או סוללות):
- מלח;
- בְּסִיסִי;
- לִיתִיוּם.
סוללות מלח, או "יבשות", משתמשות באלקטרוליט דמוי משחה ממלח של מתכת, המונח בכוס אבץ. הקתודה היא מוט גרפיט-מנגן הממוקם במרכז הכוס. חומרים זולים וקלות הייצור של סוללות כאלה הפכו אותם לזולים מכולם. אבל מבחינת מאפיינים, הם נחותים באופן משמעותי מאלה אלקליין וליתיום.
סוללות אלקליין משתמשות בתמיסה משחתית של אלקלי, אשלגן הידרוקסיד, בתור אלקטרוליט. אנודת האבץ הוחלפה באבקת אבץ, מה שאפשר להגדיל את תפוקת הזרם לפי האלמנט וזמן הפעולה. אלמנטים אלה משרתים פי 1.5 יותר מאשר מלח.
בתא ליתיום האנודה עשויה מליתיום, מתכת אלקלית, שהגדילה מאוד את משך הפעולה. אך במקביל, המחיר עלה בשל העלות הגבוהה היחסית של ליתיום. בנוסף, סוללת ליתיום עשויה להיות בעלת מתח שונה בהתאם לחומר הקתודה.הם מייצרים סוללות במתח של 1.5 וולט עד 3.7 וולט.
סוללות הן מקורות לזרם חשמלי שיכולים להיות נתונים למחזורי טעינה-פריקה רבים. הסוגים העיקריים של סוללות הם:
- חומצת עופרת;
- ליתיום-יון;
- ניקל-קדמיום.
סוללות עופרת-חומצה מורכבות מלוחות עופרת טבולים בתמיסה של חומצה גופרתית. כאשר מעגל חשמלי חיצוני נסגר מתרחשת תגובה כימית שכתוצאה ממנה הופכת עופרת לסולפט עופרת בקתודה ובאנודה ונוצרים גם מים. במהלך הטעינה, עופרת גופרתית באנודה מופחתת לעופרת, ובקתודה לעופרת דו-חמצנית.
התייחסות! אלמנט אחד של סוללת עופרת-אבץ יוצר מתח של 2 V. על ידי חיבור האלמנטים בסדרה, ניתן לקבל כל מתח שהוא כפולה של 2. לדוגמה, במצברים לרכב, המתח הוא 12 V, כי. מחובר 6 אלמנטים.
סוללת הליתיום-יון קיבלה את שמה מהעובדה שיוני הליתיום משמשים כנשא של חשמל באלקטרוליט. היונים מקורם בקתודה, העשויה ממלח ליתיום על מצע של רדיד אלומיניום. האנודה עשויה מחומרים שונים: גרפיט, תחמוצות קובלט ותרכובות נוספות על מצע של רדיד נחושת.
המתח, בהתאם לרכיבים המשמשים, יכול להיות בין 3 וולט ל-4.2 וולט. בשל הפריקה העצמית הנמוכה ומספר רב של מחזורי טעינה-פריקה, סוללות ליתיום-יון הפכו פופולריות מאוד במכשירי חשמל ביתיים.
חָשׁוּב! סוללות ליתיום יון רגישות מאוד לטעינת יתר.לכן, כדי להטעין אותם, צריך להשתמש במטענים המיועדים רק להם, שיש להם מעגלים מיוחדים מובנים המונעים טעינת יתר. אחרת, הסוללה עלולה להיהרס ולהתלקח.
בסוללות ניקל-קדמיום הקתודה עשויה ממלח ניקל על רשת פלדה, האנודה עשויה ממלח קדמיום על רשת פלדה, והאלקטרוליט הוא תערובת של ליתיום הידרוקסיד ואשלגן הידרוקסיד. המתח הנומינלי של סוללה כזו הוא 1.37 V. הוא יכול לעמוד בין 100 ל-900 מחזורי טעינה-פריקה.
התייחסות! ניתן לאחסן סוללות ניקל-קדמיום במצב פרוק, בניגוד לליתיום-יון.
יסודות כימיים תרמיים משמשים כמקורות כוח גיבוי. הם נותנים מאפיינים מצוינים במונחים של צפיפות זרם ספציפית, אך יש להם חיי שירות קצרים (עד שעה). הם משמשים בעיקר בטכנולוגיית רקטות, שם יש צורך באמינות ובהפעלה לטווח קצר.
חָשׁוּב! בתחילה, מקורות כימיים תרמיים אינם יכולים לייצר זרם חשמלי. בהם, האלקטרוליט כלול במצב מוצק, וכדי להביא את הסוללה למצב עבודה, יש צורך בחימום ל-500-600 מעלות צלזיוס. חימום כזה מתבצע על ידי תערובת פירוטכנית מיוחדת, שמתלקחת בזמן הנכון.
ההבדל בין מקור אמיתי לאידיאלי
מקור אידיאלי, על פי חוקי הפיזיקה, חייב להיות בעל התנגדות פנימית אינסופית על מנת להבטיח זרם חשמלי קבוע בעומס. למקורות אמיתיים יש התנגדות פנימית סופית, מה שאומר שהזרם תלוי גם בעומס החיצוני וגם בהתנגדות הפנימית.
להלן סיכום קצר של מגוון המקורות המודרניים של זרם חשמלי. כפי שניתן לראות מהסקירה, עד היום נוצרו מספר מרשים של מקורות בעלי מאפיינים המתאימים לכל אפליקציה.
מאמרים דומים:
