Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловые источники тока применение

Тепловые источники тока применение

Развитие современной техники и технологий тесно связано с поиском альтернативных источников энергии, в первую очередь электрической. Актуальным остается фактор увеличения объёма её производства. Кроме того, приоритетной целью является уход от традиционного использования углеводородного сырья и выработка энергии экологически чистым путём. Это диктуется возможностью истощения традиционных энергетических ресурсов на Земле. В наши дни усилия прогрессивных исследователей направлены на развитие «зеленой» энергетики, в которой особенно остро нуждается вся планета.

Обозначенным целям удовлетворяет такой источник энергии как термоэлектрическое ее преобразование. Оно основано на использовании практически любых источников теплового потока, даже при небольших перепадах температур, малоэффективных с других точек зрения их применимости. При этом попутно решается параллельная проблема утилизации излишнего теплового загрязнения окружающей среды. Последнее обстоятельство в последние годы является весьма актуальным в связи с ростом озабоченности мировой индустрии экологическими проблемами. В качестве исходной тепловой энергии, которую следует преобразовать в электрическую, можно использовать широкий спектр ее источников. Здесь можно ограничиться стандартной энергией, получаемой в маломощной топке, но возможно применение и менее традиционных, даже экзотических источников. К ним можно отнести и тепловую энергию, получаемую при нагреве твердой поглощающей поверхностью Солнцем, и утилизацию тепловых потер в трубопроводах, печных трубах, выхлопных трубах автомобилей и другие.

Среди различных термоэлектрических эффектов выделяю следующие три. Зеебек установил, что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, возникает ЭДС, если контакты этих проводников поддерживаются при различных температурах. В таком случае ЭДС называется термоэлектродвижущей. В относительно узком интервале она пропорциональна разности температур контактов:

— термоэлектрическая способность пары;

— температура холодного контакта

— температура горячего контакта

Удельная термоэлектрическая способность обычно является нелинейной функцией температуры, однако при использовании термопары в качестве источника энергии это обстоятельство не имеет принципиального значения. Это может быть важным только в случае использования термопары в качестве измерителя температуры или в устройствах автоматики.

Поглощение или выделение теплоты при прохождении электрического тока в месте спая двух разнородных проводников называется эффектом Пельтье. Количество выделяемого тепла и его знак зависят от силы тока, вида контактирующих веществ и времени прохождения тока.

— коэффициент Пельтье

— сила тока

— время протекания тока

Поскольку количество выделяемой теплоты зависит от первой степени силы тока, эффект является обратимым. Иначе говоря, если пропускать ток в обратном направлении, то на том же самом контакте имеет место поглощение теплоты. В общем случае в замкнутой электрической цепи имеется два контакта, и при прохождении тока на одном из них теплота выделяется, а на другом поглощается. Как правило, в практическом смысле обычно используется только один из контактов.

Эффект Томсона заключается в том, что в неравномерно нагретом однородном проводнике с постоянным током будет выделяться или поглощаться дополнительная теплота в зависимости от направления тока. Количество теплоты Томсона пропорционально времени, силе тока и перепаду температуры (ее градиенту), зависит от направления тока.

— коэффициент Томсона

Направления практического применения такого преобразования достаточно разнообразны: от энергообеспечения космических аппаратов, питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем до бытовых генераторных устройств [7].

Практическое применение термоэлектрических преобразователей многообразно. Следует в этой связи отметить следующие области:

  • автономные источники питания электроэнергии для обеспечения работоспособности котельных агрегатов, установок по переработке отходов и др.;
  • использование в полезных целях отводимого от различных двигателей и силовых установок (автомобильных, корабельных и др.) тепла, которое бесполезно рассеивается;
  • обеспечение питанием разнообразных устройств электроники, телеметрии и автоматики на объектах, удаленных от линий электропередачи, например, в геологических партиях;
  • преобразование тепла природных источников, таких, например, как геотермальных вод, гейзеров, солнечной радиации, в электрическую энергию;
  • источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов;
  • измерение тепловых потоков (тепломеры).

К серьезным преимуществам использования такого вида преобразователей можно отнести следующие факторы:

  • длительная работа без трудоемкого технического обслуживания;
  • использование теплоты от любых источников тепловой энергии;
  • полная независимость от среды использования;
  • эксплуатация независимо от расположения в пространстве;
  • отсутствие механически движущихся частей;
  • использование одноступенчатой статической системы преобразования первого рода.

Несмотря на все достоинства, отмеченные преобразователи широкого распространения не получили, особенно в промышленных масштабах, из-за крайне низкого КПД (5-7%, даже для полупроводниковых материалов) [1].

Материалы, из которых создаются термопары, разнообразны, но не все они одинаково эффективны. Коэффициент полезного действия металлических термопар: незначителен и достигает в лучшем случае десятых долей процента. Это связано с нерациональной тратой большого количества тепловой энергии, подводимого к спаю и малым значением термоэлектрической способности пары [3]. Так как в металлах концентрация свободных электронов практически остаётся неизменной в широком диапазоне температур, и их кинетическая энергия мало зависит от температуры, то возникающая диффузия электронов такова, что образующаяся разность потенциалов незначительна.

Читайте так же:
Выражение для теплового тока

В полупроводниках, в отличие от металлов, наблюдается более активный рост количества носителей тока с увеличением температуры, и соответственно увеличение кинетической энергии. Именно эти важные отличия дают возможность наблюдать в них термоэлектродвижущие силы в десятки раз превышающие, чем действуют в металлах [3]. Происходит процесс переноса электронов из более горячей зоны, в менее горячую, где их концентрация понижена.

Для того, чтобы материал сохранял желаемые свойства при более высоких температурах, необходимо, чтобы он имел более широкую запрещенную зону и высокую температуру плавления. Такие материалы называются – тугоплавкими полупроводниками.

В корне изменить сложившуюся ситуацию могли бы разработка и внедрение новых материалов для термопреобразователей. Весьма эффективными в этом отношении являются материалы с наноразмерной структурой. К ним относятся нанокристаллические и нанокомпозиционные материалы с размерами основных структурных элементов, таких как кристаллиты или области второй фазы, порядка нескольких десятков нанометров. Основа работы первых из них состоит в изменении параметров электронной подсистемы, в частности энергии Ферми в металлах. Применение вторых требует развитие теоретических представлений о влиянии внутренних поверхностей раздела на электронные и энергетические характеристики этих материалов. Серьезной проблемой на этом пути является низкая термическая стабильность наноструктурных материалов. Под действием повышенных температур инициируются процессы рекристаллизации с укрупнением зерна. Механизмом этого феномена является повышенная скорость миграции границ зерен и фаз [4, 5]. Известно, что миграционная подвижность границ растет с температурой. В цитируемых работах получены аналитические выражения для скорости миграции границ в зависимости от температуры и типов их атомной структуры. Нестабильность свойств таких материалов связана с неравновесностью структуры и наномасштабным размером зерна. В результате нанокристаллическая структура преобразуется в субмикрокристаллическую, а при высоких температурах наиболее неравновесные системы стремятся к переходу в микрокристаллическую с размером зерна порядка микрон. Вторым типом релаксационных процессов является межзеренное проскальзывание [6], наиболее легко осуществляемое при температурах выше половины термодинамической температуры плавления материала. Этот тип деформации в определенной степени полезен для сохранения исходной структуры, поскольку снимает в значительной степени внутренние напряжения, т.е. действует в благоприятном направлении по сравнению с миграцией границ.

Скорость обоих типов происходящих процессов можно в значительной степени снизить путем введения в материал контролируемого количества примеси [1, 2]. Примесные атомы сегрегируются преимущественно на границах зерен, уменьшая их энергию. Примесь является своеобразным стопором для миграционных зернограничных процессов. При этом структура материала с ультрамелким зерном стабилизируется. Важно учитывать, что существующие технологии приготовления наноструктурных материалов приводят к появлению в большинстве случаев границ раздела в структурно неравновесном состоянии. При этом возникают границы общего типа, с малой долей специальных границ, имеющих низкую обратную плотность совпадающих узлов. Такие границы обозначаются как несоразмерные [5, 2]. Общепринятым признаком неравновесности границ зерен является наличие дальнодействующего поля механических напряжений, создаваемых ими. Еще одним существенным их свойством является значительная величина избыточного свободного объема на неравновесных границах зерен. Первый из этих факторов может приводить к сдвигу энергетических состояний носителей заряда в обратном пространстве. Второй фактор может приводить к смещению или образованию новых энергетических состояний в запрещенной зоне, подобно тому, как это имеет место в случае вакансий. Поскольку такая структура материала является неравновесной, она изменяется с течением времени, что изменяет характеристики термоэлектрических контактов.

В случае сегрегации примесных атомов на границах зерен или фаз они также могут создавать новые энергетические уровни, в тои числе и в запрещенной зоне. Это в равной степени относится как к гомогенным в химическом отношениии материалам, таким как нанокристаллическим или субмикрокристаллическим, так и материалам в химическом отношении неоднородным. К последним относятся композиционные материалы, в частности нанокомпозиты. Для адекватного описания электронных явлений в контактах двух или более материалах необходимо учитывать и анизотропию их армирования. Это может быть волокнистая, слоевая или объемная структура.

Таким образом, практическое применение открытых два века назад основных термоэлектрических эффектов в настоящее время становится все более актуальным, а новые технологии получения современных материалов позволяет считать, что у термоэлектрических источников энергии есть привлекательная судьба в будущем.

Читайте так же:
Количество теплоты в источнике тока формула

Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

Постоянный ток существует только в замкнутой цепи и сохраняет свое направление и основные параметры неизменными во времени. Для его поддержания необходимо наличие постоянного напряжения. Это требование является неизменным для различных источников постоянного тока.

Источники постоянного электрического тока

Существует несколько основных видов источников энергии постоянного тока. Каждый из них основан на использовании разных физических принципов и используется в определенных условиях. К ним можно отнести следующие виды:

  • механические, превращающие механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию;
  • тепловые, в которых в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия;
  • химические, в которых в электрическую энергию преобразуется энергия, выделяющаяся в результате химического процесса;
  • световые, превращающие энергию солнечного света в электрическую энергию.

В основном электроэнергия вырабатывается электростанциями, от которых потребители получают не постоянный, а переменный ток, который затем преобразуется в постоянный. Но во многих сферах можно применять только тепловые, световые или химические источники постоянного электрического тока.

Тепловые источники

В этих источниках используется термоэлектрический эффект. Электрический ток в замкнутой цепи возникает благодаря разнице температур, контактирующих между собой, металлов или полупроводниковых структур. В месте контакта при нагреве возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС). Электрический ток заряженных частиц направлен от нагретого участка в сторону холодного. Его величина пропорциональна разнице температур. В месте спая образуется термопара.

Приборы, которые для создания постоянного тока используют тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопных материалов, являются радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.

Световые источники

Свойство полупроводников создавать ЭДС при попадании на них потока света используется при создании световых источников постоянного тока.

Объединение большого количества кремниевых структур позволяет создавать солнечные батареи. Небольшие электростанции, созданные на базе таких солнечных панелей, имеют на сегодняшний день КПД не более 15%.

Химические источники

Получение положительных и отрицательно заряженных частиц в химических источниках постоянного тока осуществляется за счет химических реакций. По классификации химических источников они делятся на 3 группы:

  • гальванические элементы, являющиеся первичными источниками ;
  • электрические аккумуляторные батареи (АКБ), или вторичные ХИТ;

*ХИТ — химические источники тока.

Гальванические элементы используют принцип действия, основанный на взаимодействии двух металлов через среду электролита. Вид и характеристики ХИТ зависят от выбранной пары металлов и состава электролита. Два металлических электрода источника тока по аналогии с прибором односторонней проводимости получили название анода («+») и катода («-«).

Материалом для изготовления анода могут служить свинец, цинк, кадмий и другие. Катод изготавливают из оксида свинца, графита, оксида марганца, гидрооксида никеля. По составу электролита гальванические элементы разделяются на 3 вида:

  • солевые или «сухие»;
  • щелочные;
  • литиевые.

В элементах первых двух видов графито-марганцевый стержень (катод) помещен по оси цинкового цилиндрического стаканчика (анода). Свободное пространство между ними заполнено пастой на основе хлорида аммония (солевые) или гидрооксида калия (щелочные).

В литиевых элементах цинковый анод заменен щелочным литием, что привело к значительному увеличению продолжительности работы. Материал катода в них определяет выходное напряжение батарейки (1,5-3,7) В. Первичные ХИТ являются источниками одноразового действия. Его реагенты, расходующиеся в процессе работы, не подлежат восстановлению.

Аккумуляторы представляют собой устройства, в которых производится преобразование электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию при заряде и ее накопление. В процессе работы (разряд) происходит обратное преобразование — химическая энергия служит источником постоянного электрического тока.

К основным видам аккумуляторов относятся:

  • свинцово-кислотные;
  • никель-кадмиевые щелочные;
  • литий-ионные.

Для создания химических процессов набор пластин помещен в раствор электролита. В АКБ, созданных по современным технологиям, раствор представляет собой не жидкость, а гелиевый состав (GEL) или сотовые сепараторы, пропитанные электролитом и помещенные между свинцовыми пластинами (AGM).

Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы для работы в качестве источников постоянного тока для запуска двигателей автомобилей собирают из набора отдельных аккумуляторных элементов («банок»). Каждая «банка» обеспечивает на своих клеммах напряжение 2,1 В. Соединенные последовательно 6 элементов и помещенные в ударопрочный корпус, имеют на выходных клеммах аккумулятора необходимые для запуска двигателя 12 В.

В литий-ионных аккумуляторах носителями электрического тока служат ионы лития. Они образуются на катоде, изготовленному из соли лития. Анод может быть изготовлен из графита или оксидов кобальта. Напряжение постоянного тока на выходе аккумулятора может варьироваться в пределах (3,0-4,2) В в зависимости от используемых материалов. Эти аккумуляторы имеют низкое значение тока саморазряда и допускают большое количество циклов заряд/разряд. Благодаря этому все современные гаджеты используют аккумуляторы этого вида.

Читайте так же:
Удельное тепловое сопротивление медного провода

Механические источники постоянного тока

Устройствами, преобразующими механическую энергию в электрическую, являются турбо и гидро генераторы. Они вырабатывают переменный электрический ток. Для основной части бытовых приборов источником постоянного тока выступают их блоки питания. В них производится преобразование переменного напряжения генератора в постоянное напряжение, необходимое для работы устройств. Эту задачу выполняют выпрямители, которые должны обеспечивать необходимую мощность источника постоянного тока для их нагрузки и постоянное значение выходного напряжения, не зависящее от потребляемого тока.

Блоки питания могут быть линейными и импульсными. Линейные блоки выполняются по разным схемам, основу которых составляют:

  • однополупериодые выпрямители;
  • двухполупериодные выпрямители.

В выпрямителях используется свойство полупроводниковых диодов пропускать ток только в одном направлении. Выпрямленное таким образом напряжение еще не является постоянным. Емкости последующих за выпрямителем конденсаторов сглаживающего фильтра при своем быстром заряде и медленном разряде поддерживают величину положительного однополярного напряжения на определенном значении. Его величина определяется трансформатором, получающим напряжение от генератора переменного тока. Для однофазного напряжения домашней сети 220 В 50 Гц его стальной сердечник имеет значительные размеры и вес.

Схемы однополупериодных содержат всего один полупроводниковый диод, пропускающий только одну полуволну синусоидального переменного входного напряжения.

Двухполупериодные выпрямители выполняются по мостовой схеме или по схеме с общей точкой. В последнем случае вторичная обмотка сетевого трансформатора имеет вывод от своей середины. Эти выпрямители представляют собой параллельное включение двух однополупериодных выпрямителей. Они действуют на обе полуволны синусоиды переменного входного напряжения.

Мостовая схема выпрямителя является наиболее распространенной. Соединение 4-х диодов в ней напоминает «квадрат». К одной из диагоналей подключается переменное напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора. Нагрузка включается в другую диагональ «квадрата». Им будет входной элемент сглаживающего фильтра.

Регулирование источника

Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

Импульсные источники

Схемы с использованием входных трансформаторов напряжения сети получили название линейных. В импульсных источниках питания производится двойное преобразование — сначала переменное напряжение выпрямителем преобразуется в постоянное, затем вырабатывается переменное импульсное напряжение более высокой частоты, которое в выходном каскаде снова преобразуется в постоянное напряжение необходимого значения.

Генераторы импульсов вырабатывают непрерывную импульсную последовательность с частотой (15-60) кГц. Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой уровень сигнала на выходе блока питания определяется шириной импульсов, вырабатываемых генератором и значением их скважности. Регулированные источники питания постоянного тока импульсного типа все чаще используются при создании аппаратуры различного назначения.

Сравнение источников

Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.

Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока. Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне. В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.

Заключение

В статье был дан общий обзор существующих источников постоянного тока. Изложенный материал лишь знакомит читателей с основными принципами их работы. Из него можно сделать вывод, что каждый из видов источников постоянного тока используется в своей области.

Тепловое действие тока

Электроток, проходящий по проводниковому элементу, за счет ударения свободных электронов об ионы и атомы нагревает его. Тепловое действие тока можно наблюдать во всех аспектах жизни человека: от работающих ламп накаливания и бытовых приборов до получения цветных металлов и добычи азота.

Самодельный нагревательный прибор с нихромовой спиралью, что нагревается под воздействием электротока

Читайте так же:
Тепловое действие тока кратко конспект

Закон Джоуля-Ленца

Тепловое действие электрического тока – это не что иное, как переход электроэнергии в теплоту. Такой процесс отражается в законе Джоуля-Ленца, какой определяет количественную меру выделенной теплоэнергии.

Согласно этому закону, количественная мера тепла, какое излучается при прохождении электротока, пропорционально квадрату силы этого электротока, сопротивлению проводникового элемента и времени, за которое он протекает через проводник.

Формула, отражающая тепловое действие электротока (закон Джоуля-Ленца):

  • Q – количество теплоты;
  • I – сила электротока;
  • R – электросопротивление проводникового элемента;
  • t – время прохождения электротока.

Из формулы видно, что чем больше или сила электротока, или сопротивление проводника, тем больше теплоты будет выделяться. По этой причине нагревательные элементы в оборудовании и приборах изготавливаются из металлов, имеющих высокое электросопротивление.

Измеряется количество теплоты, выделенное электротоком, в джоулях – сокращенно «Дж».

Демонстрация закона Джоуля-Ленца

Количество тепла, что выделяется при прохождении электротока силой в 1 А через проводниковое сопротивление в 1 Ом за 1 секунду, называется термическим эквивалентом и равно 0,24 малой калории.

Для справки. Малая калория – это количество тепла, которое потребуется 1 г воды, чтобы поднять свою температуру на 1 оС.

Степень проявления теплового действия электротока в проводнике можно наблюдать на специальном приборе, где на зависящее от силы тока расстояние посредством воздуха, нагреваемого проволокой, перемещается ртуть.

Применение теплового действия электротока

Нагревание проводниковой спирали под воздействием электротока, что приводит к свечению ламп накаливания

Применения тепловых свойств электротока очень разнообразны. Наиболее употребительные из них нижеследующие:

  1. Электрическое освещение, представленное:
  • лампами накаливания, в которых металлическая нить, помещенная в стеклянный баллон с выкаченным из него воздухом, накаливается током до состояния свечения (вместо воздуха лампа может быть наполнена инертным газом, например, азотом);
  • дуговыми фонарями, в которых электрический ток, проходящий через сомкнутые угли (угольные стержни), в момент небольшого их разведения образует искру, и между углями устанавливается вольтова дуга, приводящая в состояние сильного свечения концы углей.
  1. Электронагревательные приборы в виде сосудов и плит для изготовления пищи, утюгов или отопительных приборов, где теплота выделяется в проволоках или тонко раскатанном на слюдяных пластинках металле большого сопротивления;
  2. Сварка или паяние могут осуществляться посредством электрической дуги, какая образуется между подлежащей обработки частью и железным либо угольным стержнем. Возможно формирование вольтовой дуги и между двумя угольными электродами и дальнейшее направление дуги к месту спая путем оттягивания ее с помощью электромагнита;
  3. Применение тепловых свойств электротока в специальных печах для получения определенных веществ, например:
  • получение алюминия производится также с помощью теплового действия свойств электротока, для чего глинозем, содержащий алюминий, закладывается в угольную электропечь, в которой мощная вольтова дуга, образующаяся между ней и углем, расплавляет глинозем, после чего получившаяся жидкая масса подвергается электролизу, причем чистый алюминий выделяется на отрицательном полюсе;
  • получение стали может также осуществляться посредством электропечей с вольтовой дугой, в каких конечный продукт (сталь) получается путем выплавки из чугуна и сборных отбросов из металла теплом, выделяющимся между двумя угольными электродами либо между одним электродом из угля и вторым в виде самой расплавленной массы;
  • фабрикация карбидов производится также с помощью электрических печей;
  • добыча азота из воздуха производится также в электропечах, в которых вольтова дуга переменного тока высокого напряжения оттягивается магнитом к диску либо направляется в высокую трубку, а воздух, прогоняемый через эту дугу, благодаря высокой температуре, образует окись азота, которая перерабатывается в азотную кислоту, а затем в калийную селитру.
  1. Получение озона из воздуха производится путем электрических разрядов источника высокого напряжения, благодаря которым происходят окислительные процессы в воздухе, находящимся между электродами, и выделение озона. Озон широко применяется для отделки тканей, для освежения испорченного воздуха (озонирование) и главным образом для обезвреживания питьевой воды.

Внешний вид электрической печи для производства стали

Тепловое действие тока имеет высокое значение для человека, так как представлено во многих аспектах его жизнедеятельности, в том числе в производственных цепочках многих перерабатывающих, добывающих предприятий.

Видео

§ 30. Электрический ток и его использование

Электрическая энергия, которую использует человек, не существует в природе в готовом для потребления виде. Её нельзя откопать, как полезное ископаемое — нефть или уголь. Поэтому необходимую для производственных и бытовых нужд электрическую энергию человек научился получать из других видов энергии: механической, тепловой, световой, энергии химического процесса.

Устройство, преобразующее какую-либо энергию в электрическую, называется источником (рис. 52).

Рис. 52. Источники электрической энергии: а — гальванический элемент, б — батарея гальванических элементов, в — аккумулятор, г — электрогенератор

Читайте так же:
Тепловые генераторы переменного тока

Основная часть используемой человеком электроэнергии вырабатывается из механической энергии специальными электромеханическими машинами — электрогенераторами.

В электрогенераторе механическая энергия турбины — вращающегося колеса специальной конструкции — преобразуется в электрическую энергию. Турбина вращается силой падающей воды — на гидростанциях, паром — на тепловых электростанциях, силой ветра — на ветряных электростанциях, двигателем внутреннего сгорания — на борту самолёта.

Источником электрической энергии на космических станциях являются фотоэлементы, преобразующие солнечную энергию в электрическую.

Переносными источниками электрической энергии являются гальванические элементы, аккумуляторы, а также батареи из них. В них электрическая энергия получается за счёт химического процесса взаимодействия разнородных металлов с особым веществом — электролитом. Существуют ещё малогабаритные механические генераторы, работающие от мускульной силы рук или ног человека, например генератор для велосипедной фары.

Электроэнергия передаётся при помощи потока мельчайших заряженных частиц — электрического тока. В природе обнаружено два вида зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Вокруг каждого из зарядов существует электрическое поле, за счёт которого одноимённые заряды отталкиваются друг от друга, а разноимённые притягиваются друг к другу.

Направленное движение электрических зарядов называется электрическим током.

Вещества, пропускающие электрический ток, называют проводниками. Вещества, не пропускающие электрический ток, называют диэлектриками или изоляторами.

За направление электрического тока условно принято движение положительных зарядов, которые перемещаются от положительного полюса источника тока к отрицательному по проводнику, подключённому к полюсам.

Количество зарядов (q), протекающих через поперечное сечение проводника за единицу времени, называется силой тока (I):

I = q/t.

Сила тока измеряется в амперах (А) — в честь французского учёного Андре Ампера.

В металлических проводниках ток образуется движением электронов, имеющих отрицательный заряд.

В газовой среде и жидкостях из-за более разреженной структуры вещества (в отличие от жёсткой кристаллической решётки металла) электрический ток образуется как за счёт электронов, так и за счёт ионов — положительных и отрицательных частиц атомов или молекул веществ.

Ток называется постоянным, если он не меняется с течением времени ни по величине, ни по направлению. Ток, у которого сила и направление периодически изменяются, называется переменным.

Практическое использование электрической энергии основано на некоторых физических явлениях, которыми сопровождается прохождение тока через проводник. Тепловое действие электрического тока широко используют в работе осветительных и электронагревательных приборов. Магнитное действие используют в измерительных приборах, электромагнитных реле, электромагнитных телефонах и громкоговорителях, электрических генераторах и двигателях.

Прохождение постоянного электрического тока через жидкие среды сопровождается химическими реакциями. Это свойство широко используется в аккумуляторах, применяется в электрометаллургии, при электрохимической обработке материалов и в опреснителях морской воды.

Электрический ток в газовой среде вызывает свечение газа. На основе этого явления работают дуговые источники света (например, в прожекторах). Электрический разряд в воздухе сопровождается не только свечением, но и повышением температуры электродов, что используют для сварки и резки металлов.

Устройства, в которых происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии — свет, тепло, механическую и химическую энергию, — называются приёмниками или потребителями электрической энергии, а в электротехнике — нагрузкой (рис. 53).

Рис. 53. Потребители электрической энергии

Чтобы электрическое устройство (нагрузка) работало, его необходимо соединить с полюсами источника тока. На практике источник с нагрузкой часто соединяют с помощью дополнительных проводников, в быту и электротехнике называемых проводами.

То, о чем мы говорили сейчас: 1) источник электрической энергии, 2) нагрузка и 3) соединительные провода — всё это вместе называется электрической цепью.

Новые слова и понятия

Источник питания, электрические провода, потребитель, нагрузка, электрическая цепь.

Проверяем свои знания

  1. Что такое электрический ток и что такое сила тока, в каких единицах она измеряется?
  2. Назовите носители тока в металлах, жидкостях и газах.
  3. Что называют электрической цепью?
  4. Перечислите основные элементы электрической цепи и функции, которые они выполняют при прохождении тока.
  5. Узнайте, что является источником электрического тока в мотоцикле, автомобиле.
  6. Какие электропотребители есть у вас дома?
  7. За счёт чего можно экономить электроэнергию в быту и на производстве?

Это интересно

Ещё в Древней Греции было установлено, что янтарь после натирания шерстяной тканью притягивает лёгкие предметы. По-гречески слово «янтарь» звучит как «электрон». От этого слова и произошёл термин «электричество».

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector