Что относится к источникам электрического тока

Понятие постоянного тока и характеристика его параметров

Представить существование современного общества без электричества практически невозможно. Оно окружает нас повсюду. По утверждениям специалистов, даже процессы, проходящие внутри живых организмов, напрямую связаны с электричеством. В основе любого электромагнитного явления почти всегда лежит протекание переменного или постоянного электрического тока. Несмотря на то что в большинстве случаев при упоминании электричества подразумеваются физические процессы переменного характера, постоянный ток также играет важную роль и находит достаточно широкое практическое применение.

Определение

Ответ на вопрос, что представляет собой постоянный электрический ток, лежит в слове «постоянный» – неизменный в плане величины и направления. Физически под этим подразумевается однонаправленное движение неменяющегося во времени потока заряженных частиц. Направление постоянного тока совпадает с вектором движения положительно заряженных частиц, а при перемещении отрицательных зарядов направление тока будет противоположно направлению движения.

Итак, постоянный ток – это электрический ток, сохраняющий неизменность величины и направления движения в течение всего времени прохождения физического процесса. Это в теории.

А на практике обычно в качестве постоянного тока подразумевают электрический ток, имеющий столь незначительные изменения своей величины, что ими вполне можно пренебречь. Так как это не оказывает существенного влияния на ёмкостной и индуктивный характер эксплуатируемой электрической цепи.

Источники постоянного тока

В качестве источников постоянного тока нашли и продолжают находить применение:

Также в качестве накопителей электрической энергии, при определённых условиях вырабатывающих постоянный электрический ток, могут рассматриваться электрические конденсаторы (устройства, обладающие способностью накапливать электрический заряд и при необходимости – отдавать его) и ионисторы (электрохимические конденсаторы).

Направление постоянного тока и обозначение на электроприборах и схемах

Электрический ток всегда течёт от мест большего потенциала к местам меньшего потенциала. Во всяком случае, так принято считать. То есть условным направлением движения постоянного тока служит направление перемещения положительно заряженных частиц. Если в качестве движущей силы выступают отрицательно заряженные частицы (скажем, электроны в металлах), то направление электрического тока будет прямо противоположным направлению потока движущихся частиц.

В качестве условного обозначения в схемах или на электрических приборах выступают значки: – или =. В описаниях или технической литературе достаточно часто можно встретить сокращение DC, взятое из английского языка и обозначающее однонаправленный (не подверженный переменам направления) электрический ток.

Кроме того, очень часто можно видеть, как зажимы аккумуляторов и батареек маркируются знаками: + («плюс» или «положительный полюс», что обозначает место большего потенциала); – («минус» или отрицательный полюс, представляющий собой место сосредоточения меньшего потенциала). Также электрод подключаемого к положительному зажиму устройства, то есть положительный электрод, называется «анодом», подключаемый к отрицательному зажиму – «катодом».

Параметры постоянного тока

Как и всякая физическая величина, постоянный электрический ток характеризуется целым рядом параметров, имеющих непосредственное к нему отношение и отношение к взаимосвязанным с ним величинам.

Величина постоянного тока (сила тока)

Прежде чем говорить о силе тока, определимся с таким понятием, как электрический заряд, выражающий способность тел участвовать в электромагнитных явлениях типа создания электромагнитного поля и электромагнитного взаимодействия.

Впервые это понятие было введено в конце XVIII века французским учёным Шарлем Кулоном, сформулировавшим тогда же свой знаменитый закон о силе взаимодействия между точечными зарядами в зависимости от разделяющего их расстояния. В честь него единица измерения электрического заряда (количества электричества) стала называться «Кулон» (Кл).

Только опираясь на понятие электрического заряда, можно говорить о величине (силе) тока, формула расчёта которого (для равномерного движения зарядов) выглядит следующим образом:

Что можно выразить следующими словами: сила тока прямо пропорциональна количеству зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника за единицу времени. Здесь:

Для измерения силы тока используются амперметры, включаемые последовательно с источником электрического тока.

Плотность тока

Ещё одно важное понятие, необходимое в целях правильного выбора токопроводящего сечения линий электропередачи. Плотность тока это:

Электродвижущая сила (ЭДС)

Электродвижущая сила (ЭДС) – это величина, характеризующая работу первичного источника электрической энергии по созданию постоянного электрического тока.

E – электродвижущая сила (ЭДС), измеряемая в вольтах (Алессандро Вольта – известнейший итальянский физик). A – работа, измеряемая в джоулях (Джеймс Прескотт Джоуль – английский физик, внёсший значительный вклад в развитие термодинамики).

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение – это величина, показывающая работу эффективного электрического поля, затраченную на перенос единичного пробного заряда из точки A в точку B.

φA – φB – разница потенциалов между точками A и B. EAB – электродвижущая сила, возникающая на искомом участке цепи постоянного тока. Здесь все величины измеряются в вольтах. Для определения величины напряжения применяются вольтметры, подключаемые параллельно участку измерения напряжения.

Применение постоянного тока

Оказывается, постоянный ток окружает нас со всех сторон, хотя мы этого подчас не замечаем. Стоит только взглянуть на электронные часы, фонари, персональные компьютеры, средства связи, разнообразные игрушки, электроинструмент с аккумуляторами, всевозможные медицинские приборы, как сразу станет видно, насколько наша жизнь наполнена химическими источниками электрического тока.

Но это далеко не всё. Постоянный электрический ток находит достаточно широкое применение:

Постоянный ток на транспорте

Благодаря удачной вариабельности электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением, заключающейся в получении повышенного момента вращения при малых оборотах или, наоборот, стабильной скорости при малых оборотах электродвигателя, системы постоянного тока нашли широкое применение на транспорте. С помощью изменения питающего напряжения или последовательного включения реостата можно регулировать число оборотов электродвигателя, задавая тем самым темп и скорость перемещения транспортного средства.

Вот почему двигатели такого типа используются в силовых установках тепловозов, трамваев, троллейбусов, электровозов, электропоездов и на грузоподъёмных машинах. При этом питающее напряжение трамвайных и троллейбусных линий составляет 550-600 В, а линий метрополитена – 750-900 В.

Линии передачи постоянного тока

Использование высоковольтных линий передач постоянного тока (HVDC) с каждым днём становится всё более и более актуальным. Объясняется это возможностью транспортировки на значительные расстояния огромных объёмов электрической энергии. И это при значительно меньших сетевых потерях, чем в процессе использования ЛЭП переменного тока.

Кроме того, такой способ электроснабжения позволяет избежать процесса синхронизации, доставляющего энергетикам множество проблем и хлопот. Существуют и достаточно интересные варианты передач электроэнергии на короткие расстояния с помощью постоянного тока.

Основным сдерживающим фактором здесь выступает необходимость двойного преобразования тока, что значительно усложняет и резко повышает стоимость изготавливаемых конструкций. При удачном решении данной проблемы всё может кардинальным образом измениться. В настоящее время в эксплуатации находятся ЛЭП постоянного тока: Волгоград-Донбасс, Экибастуз-Центр, вставка Выборг-Финляндия.

Небольшое заключение

Со времён открытия Томасом Эдисоном постоянного электрического тока прошло немало лет. За этот промежуток времени постоянный ток стал незаменимым спутником человека в широчайшем диапазоне сфер деятельности. Кроме того, сейчас у него есть очень заманчивые перспективы применения (при замене электроустановок, работающих на переменном токе, на электроустановки, функционирующие на постоянном токе) в плане:

Безусловно, всё это требует дополнительных исследований, но зато достигнутые цели открывают новые возможности, которые вполне оправдывают необходимость вложения средств, получив со временем весьма существенную экономию.

Источник

Источников электрического тока: таблица видов и их особенности

Электродинамика — раздел физики, изучающий свойства и взаимодействие частиц, обладающих зарядом. Движущиеся носители создают электрический ток. Таблица источников такой силы поможет лучше разобраться в явлении, научит отличать их от похожих генераторов напряжения. Кроме этого, позволит понимать принципиальное отличие друг от друга химических источников, физических и механических. Комментарии в ней помогут узнать процесс превращения энергии.

Общие сведения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц под действием приложенной к веществу силы. Любой материал состоит из элементарных носителей заряда. В качестве их выступает атом, состоящий из протонов, нейтронов и вращающихся по орбитали электронов. Все эти частицы обладают энергией. Атомный заряд считают положительным, а электронный — отрицательным.

В нормальном состоянии, когда на физическое тело не действуют дополнительные силы, энергетическое состояние вещества находится в состоянии равновесия. Количество электронов равняется числу протонов. Силы взаимодействия (кулоновские) не дают частицам разорвать связь, поэтому электрон не может покинуть свою орбиталь. Но вместе с тем в кристаллической решётке существуют и свободные носители. Это частицы, не имеющие связей с атомом. Каждая из них обладает определённым количеством энергии.

При равновесии движение свободных электронов происходит хаотично. Заряды сталкиваются с дефектами в кристаллической решётке, примесями, отдают энергию и получают, поэтому на энергетическое состояние их перемещение не влияет.

Если же к телу приложить силу, которая позволит упорядочить направление движения электронов, появится электроток. Генераторами энергии служат источники тока. Чтобы появилось направленное движение частиц, электрическая цепь, к которой подключается генератор, должна быть замкнутой. Кроме этого, нужен приёмник, потребляющий вырабатываемый ток. Суть работы источника силы заключается в следующем:

Источник тока — устройство, в котором сила энергии не зависит от напряжения. Другими словами, вне зависимости от разницы потенциалов, возникающей на нагрузке, число носителей заряда, проходящих по проводнику, не изменяется. Обозначают прибор на принципиальных схемах кружком, внутри которого рисуют стрелку, указывающую направление протекания тока. Устройство является двухполюсным, поэтому на схеме показывают и выводы генератора в виде прямых линий.

Вольтов столб

Экспериментатор Алессандро Вольт в 1800 году занимался изучением электричества. Анализируя труды Гальвани, открывшего «природное электричество», он пришёл к выводу, что для его появления нужна жидкость, воздействующая на металл. Свою догадку он назвал «контактным электричеством».

Вольт приступил к изготовлению своего прибора, в дальнейшем названным гальваническим элементом. В конструкцию входили:

Учёный собрал прибор, напоминающий по внешнему виду столб. Внизу он поместил медную пластину, а сверху неё цинковую. Пространство между ними Вольт заполнил электролитом. Его роль в устройстве выполняла ткань, пропитанная подсоленной водой. Собрав несколько таких блоков, он поочерёдно поместил их один на другой, разделив их также электролитом. От крайних пластин с помощью проводника отвёл выводы. С помощью гальванометра Ампера Алессандро смог наблюдать появление тока.

В своём докладе Вольт объяснял образование электротока эффектом соприкосновения разных металлов, вызывающего электродвижущую силу. Электролит же нужен был, чтобы пресекать появление встречного потока частиц. Так был построен первый источник тока — гальванический.

Этим изобретением заинтересовались многие учёные. В 1802 году российский физик Петров повторил конструкцию, использовав более двух тысяч элементов. Его устройство позволяло вырабатывать ток, которого хватало для создания электрической дуги. Через 30 лет химик Дэниель использовал в качестве электролита раствор серной кислоты.

Изобретение получало всё большее развитие. В 1859 году Планте вместо медных пластин использовал свинец — прототип современных свинцово-кислотных аккумуляторов. Леканше собрал устройство, состоящее из цинкового стакана, заполненного хлористым аммонием. Внутри него был помещён агломерат из марганцевого оксида с угольным выводом.

Все эти разработки стали возможными благодаря изобретению итальянца, которое стало называться в его честь — вольтов столб. Уже в начале XX века в качестве электролита стали использовать серную кислоту, а вместо медно-цинковых пластин — сложные химические соединения, такие как Li-Ion, li-pol, Ni-Cd, Ni-MH, Ar-Zn. Источники тока хотя и не могут обеспечить большую мощность, но являются лёгкими и небольшими по размерам, что позволяет их использовать в портативной технике.

Перечень источников

Источники тока отличаются друг от друга по способности преобразовывать ту или иную энергию. Другими словами, их определение напрямую связано с типом преобразуемой материи в электричество. Следует отметить, что идеальных генераторов энергии не существует. Всё дело в том, что в реальных источниках есть внутреннее сопротивление, которое не может быть бесконечно большим.

Перечислить все существующие источники тока по виду трансформируемой ими энергии удобно в следующей таблице:

Пожалуй, самыми интересными являются химические источники тока, генерирующие электричество за счёт окислительно-восстановительных реакций. В них положительный и отрицательный вывод разделён не только жидким электролитом, но и пастообразным или пористым мембранным сепаратором. Все источники этого типа разделяют на первичные и вторичные. Последние отличаются способностью восстанавливать отданную энергию.

Из гальванических элементов, являющихся источниками, можно выделить:

Их средняя максимальная мощность составляет около 20 Вт. Напряжение же изменяется от одного вольта до полутора. В то же время у литиевых неводных разность потенциалов может достигать до 3,2 вольт, а их мощность равняться 50 ватт. Солевые батарейки — самый дешёвый тип для производства, но не эффективный, литиевые — имеют самые лучшие характеристики.

Все химические генераторы отличаются рядом параметров. Кроме мощности и напряжения на противоположных выводах, они характеризуются удельной ёмкостью, током саморазряда. Если для значения первой величины лучше, когда оно больше, то для второй всё наоборот.

Идеальный генератор и схема

В школе на уроках физики в старших классах рассматривается тема об идеальных источниках напряжения и тока. Всё дело в том, что простейшая электрическая цепь состоит из двух элементов: генератора энергии и приёмника.

В реальной же схеме добавляется внутреннее сопротивление генератора тока и импеданс проводников, назначение которых — обеспечивать соединение узлов. Для обозначения дополнительных элементов используют резистор.

Напряжение на контактах источника будет меньше, чем ЭДС на значение разности потенциалов существующего внутри источника: U = f1 — f2 = E — U = E — r * I. Так как считается, что ток направлен от точки с большим потенциалом к меньшей, его величина на клеймах подключения источника и приёмника будет одинаковая. Значит, E = r * I + R * I, а отсюда следует: I = E / r + R, то есть величину тока ограничивает как внутреннее, так и внешнее сопротивление.

Таким образом, обозначаться источник на схеме будет, как параллельно соединённый генератор с сопротивлением. Напряжение зависит от тока приёмника и определяется разностью потенциалов. Когда внутренний импеданс больше чем нагрузки, источник энергии близок к идеальному режиму работы (отсутствуют потери). Электроэнергия находится в источнике близко к состоянию короткого замыкания, поэтому каков будет ток в цепи, зависит только от присоединённой нагрузки.

Идеальный генератор тока — устройство, имеющее 2 вывода и поддерживающее постоянный ток в подключённой к нему схеме. Это состояние не зависит от величины сопротивления нагрузки и приложенного напряжения. Чтобы была правильная передача энергии, её сообщение должно выполняться по проводникам с низким импедансом. Причём генератор должен поддерживать нужное напряжение между своими выводами.

Реальные источники отличаются ограниченным диапазоном, в котором создаваемое напряжение может изменять свою величину. Кроме того, источник выходного тока быть абсолютно постоянным практически не может.

Следует отметить, что из-за не идеальности генератора тока, никакой разницы между ним и источником напряжения не существует. В то же время в электротехнике считается, что устройство тока выдаёт постоянный поток электронов в независимости от разности потенциалов и, по сути, является конденсатором. Генератор же напряжения поддерживает постоянное значение в вольтах и похож на аккумулятор.

Источник

Источник тока

Открытие электричества привело к появлению такого понятия, как источник тока. Им может быть любой двухполюсник, в котором значение напряжения на выводах не обусловлено силой тока, проходящего через него. Иными словами, это устройство, совершающее работу, в результате которой происходит разделение отрицательно и положительно заряженных частиц. Они накапливаются на клеммах двухполюсника и создают разность потенциалов между ними. Источник может преобразовать в электрическую энергию другие виды энергии. При любом сопротивлении нагрузки его ток не меняется.

Электрический ток

Направленное движение электронов называется электрическим током. Сами электроны – это отрицательно заряженные частицы. Они присутствуют в металлах и двигаются беспорядочно. Если металлический проводник присоединить к выводам двухполюсника (источника тока), то электроны начнут перемещаться в строгой направленности. Протекая от плюса к минусу, они образуют процесс, называемый электрическим током.

Источники и признаки постоянного тока

Движение зарядов в электрической цепи обеспечивают источники тока. Для постоянного тока источниками могут быть:

Гальванические элементы вырабатывают постоянный ток в результате электрохимической реакции.

Машины постоянного тока производят его с помощью электромагнитной индукции и выпрямляют в обмотках коллектора.

Схемы преобразователей и полупроводниковые выпрямители на транзисторах или высоковольтных диодах так же могут выдавать ток, характеристики которого не меняются во времени. Преобразователи могут регулировать частоту и напряжение, оставляя неизменным ток.

По каким признакам определяют наличие тока, если нет измерительных приборов? Это можно выяснить по его воздействию на проводник. Такие действия можно разделить на три вида:

Если через проводник, из которого выполнена обмотка катушки, пропустить электроток, то катушка станет притягивать металлические элементы. На этом принципе работают большие электромагниты, задействованные при погрузке металла в морских портах.

Химическое действие, по которому можно судить о наличии тока, – это процесс электролиза. При нём на электродах, подключенных к источнику, начинает оседать вещество. Эти процессы используются в гальваностегии или гальванопластики.

При подключении к двухполюснику проводника с высоким сопротивлением электрическому току он начинает нагреваться и отдавать тепло. Например, чтобы электроны двигались через нихромовую спираль, совершается работа с выделением тепла. Это свойство проводника используется при изготовлении нагревательных приборов.

Важно! Источник тока отличается от источника напряжения тем, что первый отдаёт одинаковый ток, независимо от сопротивления нагрузки, второй –снабжает потребителя напряжением, которое не изменяется при любой нагрузке. Квартирная розетка 220 В – источник напряжения, сварочный аппарат – токовый ресурс.

Источники электрического тока, изобретение электромашины

Выработка электричества с помощью генераторов – основное направление в производстве электроэнергии. Механические источники поделились на два вида генераторов:

Источники переменного тока и постоянного – это генераторы, которые превращают механическую энергию вращения в электрическую. Заявление Эмиля Ленца, русского учёного, в 1833 году послужило толчком для работ над созданием генераторов. Ленц объявил о возможной взаимности магнитоэлектрических явлений. Это означало, что двигатели постоянного и переменного тока могли не только вращаться при подаче напряжения соответствующей природы, но и при вращении начинать вырабатывать это напряжение.

Принцип действия

Переменный – это ток, у которого величина и направление меняются во временном диапазоне. Основным принципом действия генераторов переменного тока является закон электромагнитной индукции – возникновение движения электронов в проводнике во время прохождения магнитного потока через его замкнутый контур.

Действие генераторов постоянного тока основано на законе Фарадея и проявлении ЭДС.

Когда к проводнику, имеющему внутри вращающийся постоянный магнит, подключить нагрузку, то по ней потечёт переменный ток. Это происходит из-за смены мест полюсов магнита. Для получения постоянного тока нужно эту нагрузку подключать с такой скоростью, с какой вращается магнит. Для этого предназначен в нём коллектор, который закрепляется на роторе и вращается с той же частотой. Постоянное напряжение с коллектора снимают графитные щётки. ЭДС падает до нуля, когда пластины коллектора переключаются, но не изменяет своей полярности, так как успевает подключиться к другому проводнику.

Работа источника тока

Перемещая электрические заряды по участку цепи, электрический ток выполняет работу. Она складывается из работы кулоновских сил и работы сторонних сил:

Работа источника – это работа сторонних сил по переносу электрических зарядов вдоль проводника в течение времени:

Аист = Астор = ε * I * t,

Работа электротока определяет степень превращения электроэнергии в её другие формы.

Химический источник тока

Химические источники питания постоянного тока – это семейство устройств и аппаратов, которые выдают напряжение на своих клеммах в результате внутренних химических процессов окисления или гальванизации. Их работа основана на реакциях химических веществ, которые, вступая во взаимодействие между собой, производят постоянный электроток.

К сведению. Процессы, протекающие в химических источниках (ХИТ), идут без тепловых или механических воздействий. Это выделяет их в особый ряд среди устройств, генерирующих напряжения постоянной полярности.

Некоторые виды химических источников тока

Термины и определения подробно описаны в ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011, введённом в действие 01.07.2012 года. В нём сокращённо обозначены химические источники тока – ХИТ.

Разделение по видам ХИТ производят в следующей градации:

Это различие проведено по способу действия источника.

Элементы однократного применения – первичные источники. В них заложен конечный запас реагентов, которые вступят в реакцию и перестанут вырабатывать энергию по окончании процесса. Это различные батарейки типа АА.

Топливные ХИТ способны работать постоянно, но требуют поступления новой дозы веществ и удаления отработанных продуктов. По сути, это гальваническая ячейка, куда подводятся раздельно топливо и окислитель, они вступают в реакцию на двух электродах. В электролите растворяется топливо, и происходит катодное окисление. Это практически прецизионный лабораторный процесс.

Вторичные элементы, которые имеют возможность использоваться много раз, после подзаряда или перезаряда называются аккумуляторами. Если к таким устройствам подключить ток, то они снова регенерируются и аккумулируют энергию. Они нашли самое широкое применение в питании мобильных устройств и механизмов.

Электрические аккумуляторы

Это источник постоянного тока многоразового использования, который действует не постоянно, а до следующего заряда. Они по своей химической природе подразделяются на типы:

Свинцово-кислотные модели применяются в автомобилях, источниках бесперебойного питания, транспорте, промышленности, в отрасли связи и телекоммуникаций.

Литий-ионные батареи нашли широкое применение в мобильной связи, электроинструментах, системах телекоммуникаций, а также автономном и аварийном электроснабжении. Вот только небольшой перечень спектра их составов:

Интересно. Никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы применяются в авиации, речном и морском судоходстве, в электрокарах.

Никелево-железные щелочные – очень надёжный тип источника. Пагубные для свинцово-кислотных батарей глубокие разряды, частые недозаряды не выводят их из строя. Они используются в тяговых транспортных цепях, в цепях резервного питания.

Гальванические элементы

Это ряд химических источников тока, которые называются батарейками. Напряжение батареек зависит от количества единиц, в неё входящих, и типа металлов, которые в ней применяются. Напряжение может быть в пределах от 1,5 до 4,5 вольт. В металлический цилиндр вставлены сетки из металлов, на которые с помощью напыления наносится окислитель. Электролитом выступает кислота либо соли калия или натрия. По мере прекращения реакции ток в батарее снижается. Дальнейшему восстановлению батарея не подлежит.

Топливные элементы

Этот класс источника тока можно отнести к разряду батарей, которые производят ток из топлива с помощью электрохимической реакции. Есть в нём электролит, анод и катод. Только такие ХИТ не накапливают энергии, им не нужен заряд. Всё, что необходимо для их работы, – воздух и топливо. Пока то и другое есть, электроэнергия вырабатывается. Без целого блока вспомогательных систем: подачи топлива, удаления отходов и системы контроля, процесс тоже невозможен.

Идеальный источник тока

Если ток, проходящий через двухполюсник и снимаемый с его контактов, не изменяется от величины напряжения на этих контактах, то это идеальный источник тока. Закон Ома, утверждающий, что сила тока на участке цепи находится в прямой зависимости от напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению, ссылается на такой эталон. Формула:

I = U/R, где:

В этом случае подразумевается, что внутреннее сопротивление источника близко или равно бесконечности. Это значит, что внешние параметры цепи, изменяющие напряжение на выходе двухполюсника, не изменяют ток.

Внимание! Мощность на выводах источника будет повышаться с увеличением сопротивления нагрузки, при неизменном токе это даёт увеличение мощности P = U*I. В этом случае можно говорить об идеальном источнике мощности.

Источник любого типа далёк от идеального генератора. Правильно подобранный и неповреждённый источник тока прослужит долго. Главное, чтобы эксплуатация проходила в рекомендуемом режиме. Так как большинство изделий связано с химическими процессами, то хранение и утилизация этой продукции выполняются по экологическим нормам и правилам.

Видео

Источник