Джерела струму
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Джерела струму

Джерела струму, пристрої, що перетворюють різні види енергії в електричну. По вигляду перетворюваній енергії І. т. умовно можна розділити на хімічних і фізичних. Відомості про перших хімічних І. т. (гальванічних елементах і акумуляторах) відносяться до 19 ст (наприклад, батарея Вольта, елемент Лекланше). Проте аж до 40-х рр. 20 ст в світі було розроблено і реалізовано в конструкціях не більше 5 типів гальванічних пар. З середини 40-х рр. унаслідок розвитку радіоелектроніки і широкого використання автономних І. т. створено ще близько 25 типів гальванічних пар. Теоретично в І. т. може бути реалізована вільна енергія хімічних реакції практично будь-якого окислювача і відновника, а отже, можлива реалізація декілька тисяч гальванічних пар. Принципи роботи більшості фізичних І. т. були відомі вже в 19 ст У подальшому унаслідок швидкого розвитку і вдосконалення турбогенератори і гідрогенератори стали основними промисловими джерелами електроенергії. Фізичні І. т., засновані на інших принципах, отримали промисловий розвиток лише в 50—60-х рр. 20 ст, що обумовлене збільшеними і досить специфічними вимогами сучасної техніка. У 60-х рр. технічно розвинені країни вже мали промислові зразки термогенераторів, термоемісійних генераторів (СРСР, ФРН(Федеральна Республіка Німеччини), США), атомних батарей (Франція, США, СРСР).

загрузка...

  Технічний прогрес, проникнення електротехніки і електроніки на транспорт, в побут, медицину і так далі стимулювали розробку автономних джерел електроживлення, серед яких хімічні І. т. в кількісному відношенні зайняли видне місце, ставши продукцією масового вжитку. Переносні освітлювальні прилади, магнітофони і радіоприймачі, телевізори і переносна медична апаратура, засоби ж.-д.(железнодорожний) транспорту, автомобілі, трактори, літаки, штучні супутники, космічні кораблі, засоби зв'язку і багато що інше оснащені малогабаритними І. т.

  Теорія І. т. передбачає дослідження всіх стадій процесу генерування електричного струму на основі сучасних уявлень про фізику твердого тіла, рідини і газу, про процеси перенесення зарядів і електрохімічні реакції. Теорія І. т. вивчає також питання оптимізації, що включають як вибір вихідних параметрів, що забезпечують оптимальні вихідні характеристики І. т., так і розробку методів прогнозування характеристик майбутніх І. т. До найважливіших характеристик І. т. відносяться: ккд(коефіцієнт корисної дії), енергоємність (або питома енергоємність), потужність (або питома потужність, віднесена до одиниці маси, об'єму і т. д.), термін служби, якість електроенергії, що генерується (частота, напруга, здібність до перевантажень, вартість, надійність).

  Хімічними джерелами струму прийнято називати пристрої, що виробляють електричний струм за рахунок енергії окислювально-відновних реакцій хімічних реагентів. Відповідно до експлуатаційною схемою і здатністю віддавати енергію в електричну мережу хімічні І. т. підрозділяються на первинні, вторинні і резервні, а також електрохімічні генератори. Первинні І. т. (гальванічні елементи і батареї) допускають, як правило, однократне використання енергії хімічних реагентів. Окремі конструкції гальванічних елементів і батарей вирішують короткочасне повторне використання енергії реагентів після електричного заряджання. Позитивний (катод) і негативний (анод) електроди, розділені електролітом в рідкому або пастоподібному стані або ж пористою мембраною-сепаратором з поглиненим в ній електролітом, електрично зв'язані (гальванічний зв'язок) протягом всього терміну служби І. т.

  Вторинні І. т. (окремі акумулятори і акумуляторні батареї) допускають багатократне (сотні і тисячі розрядних для заряду циклів) використання енергії складових хімічних реагентів. Електроди і електроліт весь термін служби акумуляторів знаходяться в електричному контакті один з одним. Для збільшення ресурсу акумуляторів в деяких специфічних умовах експлуатації розроблені способи сухозаряженного зберігання акумуляторів. Такі акумулятори перед включенням заздалегідь заливають електролітом.

  Резервні І. т. допускають лише однократне використання енергії хімічних реагентів. На відміну від гальванічних елементів і акумуляторів, в резервних І. т. електроліт при зберіганні ніколи гальванічно не пов'язаний з електродами. Він зберігається в рідкому стані (у скляних, пластмасових або металевих ампулах) або в твердому (але неелектропровідному) поляганні в міжелектродних зазорах. При підготовці до роботи резервних І. т. ампули руйнують стислим повітрям, вибухом, а кристали твердого електроліту розплавляють за допомогою електричного або піротехнічного розігрівання. Резервні І. т. застосовують для живлення електричної апаратури, яка довгий час може (вимушена) знаходитися в резервному (непрацюючому) стані. Термін зберігання сучасних резервних І. т. перевищує 10—15 років.

  Електрохімічні генератори ( паливні елементи ) є різновидом хімічних І. т. Електрохімічні генератори здатні тривалий час безперервно генерувати електричний струм в результаті перетворення енергії хімічних реагентів (газоподібних або рідких), що поступають в генератор ззовні.

  До 1970 в США і СРСР були створені промислові зразки електрохімічних генераторів. Ведуться інтенсивні роботи із створення електрохімічних генераторів для космічних об'єктів, електромобілів, стаціонарних установок і так далі Розробляються різновиди електрохімічних генераторів (високо-, середньо- і низькотемпературні, на газоподібних, рідких і твердих реагентах і т. д.), з яких найбільш перспективні генератори, що безпосередньо перетворюють енергію природного палива в електричну. (Детальніше про хімічних І. т. див.(дивися) в ст. Хімічні джерела струму .)

  Фізичними джерелами струму називають пристрої, що перетворюють теплову, механічну, електромагнітну енергію, а також енергію радіаційного випромінювання і ядерного розпаду в електричну. Відповідно до класифікації, що найчастіше вживається, до фізичних І. т. відносять: електромашинні генератори, термоелектричні генератори, термоемісійні перетворювачі, МГД-генераторі, а також генератори, що перетворюють енергію сонячного випромінювання і атомного розпаду.

  Електромашинні генератори, що перетворюють механічну енергію в електричну, — найбільш поширений вигляд джерел електричної енергії, основа сучасної енергетики. Вони можуть бути класифіковані по потужності (від доль Вт до сотень Мвт ), за призначенням і особливостям експлуатації (стаціонарні, транспортні, резервні і т. д.), по роду первинного двигуна (дизель-генератори, турбо- і гідрогенератори), по робочому тілу (пара, вода, газ) і т. д. Завдяки тривалому періоду теоретичного, конструктивного і технологічного вдосконалення характеристики цього типа І. т. досягли значень, близьких до граничних (див. Генератор електромашинний ).

  Робота термоелектричного генератора (ТЕГ) заснована на використанні Зєєбека ефекту . Робочим матеріалом в ТЕГ служать різні напівпровідникові з'єднання кремнію, германію і тому подібне (як правило, тверді розчини). Ккд ТЕГ від 3 до 15% в діапазоні температур від 100 до 1000°c. Дослідження ТЕГ ведуться в СРСР, США, Франції і ін. Сфери можливого застосування ТЕГ: автономні джерела живлення (на транспорті, в техніці зв'язку, медицині), антикорозійний захист (на магістральних трубопроводах) і ін. (див. Термоелектричний генератор ).

  Принцип роботи термоемісійного перетворювача (ТЕП) заснований на використанні термоемісійного ефекту (випускання електронів поверхнею нагрітого металу). Термоемісійний потік електронів залежить головним чином від температури і властивостей поверхні матеріалу. Ккд окремих лабораторних зразків ТЕП досягає 30%, а енергетичних установок, що діють 15% (при електричній потужності, що знімається з одиниці поверхні катода, — 30 Вт / см 2 ). Найбільш перспективне вживання ТЕП як автономні джерела електроенергії великої потужності (до 100 квт ). Роботи по ТЕП ведуться в СРСР, США, ФРН(Федеральна Республіка Німеччини), Франції і ін. (див. Термоемісійний перетворювач енергії ).

  Принцип дії І. т., що перетворюють енергію сонячного випромінювання, заснований на використанні внутрішнього фотоефекту (див. Фотоелектричні явища ). Фотоелектричним генератором ( сонячна батарея ) є сукупність вентильних фотоелементів, що перетворюють енергію сонячного випромінювання в електричну. Практично пряме перетворення енергії сонячного випромінювання стало можливе лише після створення в 1953 високоефективні фотоелементи з монокристалічного кремнію. Кращі зразки кремнієвих фотоелементів мають ккд(коефіцієнт корисної дії) близько 15%; термін служби їх практично необмежений. Сонячні батареї застосовуються головним чином в космічній техніці, де вони займають домінуюче положення як джерела енергії на штучних супутниках Землі, орбітальних станціях і космічних кораблях, а також для постачання електроенергією віддалених від лінії електропередачі районів з великим числом сонячних днів в році, наприклад в Туркменській РСР, Індії, Пакистані (див. Геліотехніка ).

  І. т., що перетворюють енергію атомного розпаду (атомні батареї), використовують кінетичну енергію електронів, що утворюються при b-розпаді. Ці І. т. знаходилися до 1971 у стадії розробки, і їх практичне використання вимагає вирішення багатьох конструкторських і технологічних завдань. Ккд атомних батарей невисокий (до 1%), а сфера застосування може бути визначена лише після накопичення достатнього досвіду їх використання.

  Літ. див.(дивися) при статтях з описом конкретних типів джерел струму.

  Н. С. Лідоренко.