Виды источников тока

Введение

В мире существует 4 вида источника  тока. Это химический (гальванические элементы, аккумуляторы), механический (генераторы), термический (термоэлементы), и фотоэлементы.

Сегодня мы рассмотрим 2 из них химический и фотоэлементы

 ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Гальванические источники тока одноразового действия

Гальванические источники тока одноразового действия представляют собой  унифицированный контейнер, в котором  находятся электролит, абсорбируемый  активным материалом сепаратора, и  электроды (анод и катод), поэтому  они называются сухими элементами. Этот термин используется применительно  ко всем элементам, не содержащим жидкого  электролита. К обычным сухим  элементам относятся углеродно-цинковые элементы. Сухие элементы применяются  при малых токах и прерывистых  режимах работы. Поэтому такие  элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.

Действие любого гальванического  элемента основано на протекании в  нем окислительно-восстановительной  реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление - на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи.

Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент, работающий за счет энергии  приведенной выше реакции между  цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит  из медной пластины, погруженной в  раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной  в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются  друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала.

При работе элемента, т.е. при  замкнутой цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения  с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением:

Zn = Zn2+ + 2e-

На медном электроде протекает  восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:

Cu2+ + 2e- = Cu

Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получится  при сложении уравнений обеих  полуреакций. Таким образом, при работе гальванического элемента, электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.

Электрод, на котором протекает  окисление, называется анодом(цинк). Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом (медь).

В принципе электрическую  энергию может дать любая окислительно-восстановительная  реакция. Однако, число реакций, практически  используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это  связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная  реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными  свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные  реакции требуют расхода дорогостоящих  веществ.

В отличие от медно-цинкового  элемента, во всех современных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два, а один электролит; такие  источники тока значительно удобнее  в эксплуатации.

Типы гальванических элементов

Угольно-цинковые элементы

В угольно-цинковых элементах  используется пассивный (угольный) коллектор  тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида  аммония и катодом из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии  или пропитывает пористую диафрагму. Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими.

Угольно-цинковые элементы "восстанавливаются" в течении перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается.

Щелочные элементы.

Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с  разделенным электролитом.

Отличие щелочных элементов  от угольно-цинковых заключается в  применении щелочного электролита, вследствие чего газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений.

Ртутные элементы

Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором щелочи.

Так как ртуть дефицитна  и токсична, ртутные элементы не следует выбрасывать после их полного использования. Они должныпоступать на вторичную переработку.

Серебряные элементы

Они имеют "серебряные" катоды из Ag2O и AgO.

Литиевые элементы.

В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и  работоспособны в широком интервале  температур, поскольку не содержат воды.

Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом  по отношению ко всем металлам, литиевые элементы характеризуются наибольшим номинальным напряжением при  минимальных габаритах.

Ионная проводимость обеспечивается введением в растворители солей, имеющих анионы больших размеров.

К недостаткам литиевых элементов  следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную  высокой ценой лития, особыми  требованиями к их производству (необходимость  инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны.

Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных  приборах и прочих высокотехнологичных  системах.

Аккмуляторы

Аккумуляторы являются химическими  источниками электрической энергии  многоразового действия. Они состоят  из двух электродов (положительного и  отрицательного), электролита и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит припротекании химической реакции окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы. Напряжение аккумулятора - это разность потенциалов между полюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.

Для получения достаточно больших значений напряжений илизаряда отдельные аккумуляторы соединяются между собой последовательно или параллельно в батареи. Существует ряд общепринятых напряжений для аккумуляторных батарей: 2; 4; 6; 12; 24 В.

Ограничимся перечислением  следующих аккумуляторов: кислотных  аккумуляторов, выполненных по традиционной технологии; стационарных свинцовых  и приводных (автомобильных итракторных); герметичных необслуживаемых аккумуляторов, герметичных никель-кадмиевых и кислотных "dryfit" А400 и А500 (желеобразныйэлектролит).

Фоторезисторы

Конструкция и схема включения  фоторезистора. Темновой и световой ток. Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.

Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 1, 2 приложения. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором - тонкая пленка полупроводникового материала.

Если фоторезистор включен  последовательно с источником напряжения (рис. 3 приложения) и не освещен, то в  его цепи будет протекать темновой ток

Iт = E / (Rт + Rн), (4)

где Е - э. д. с. источника питания; Rт - величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением; Rн - сопротивление нагрузки.

При освещении фоторезистора  энергия фотонов расходуется  на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора  падает и через него течет световой ток

Iс = E / (Rс + Rн). (5)

Разность между световым и темновым током дает значение тока Iф, получившего название первичного фототока проводимости

Iф = Iс - Iт. (6)

Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора.

 

Применение фоторезисторов

 

В последние годы фоторезисторы  широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется  их высокой чувствительностью, простотой  конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. Значительный интерес представляет использование  фоторезисторов в оптоэлектронике, устройстве, называемом реле-регулятором.

 

 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Деордиев С.С. Аккумуляторы и уход за ними. К.: Техника, 1985. 136 с.

 

2. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т.2. Электротехнические  изделия и устройства/Под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И.Н. Орлов) и др. 7 изд. 6 испр. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с. 3. Н.Л. Глинка. Общая химия. Издательство "Химия" 1977.

 

4. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.

 

5 Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники. - К.: Вища школа. 1989. - 423

 

6 Практикум по полупроводникам  и полупроводниковым приборам; под  ред. К.В. Шалимовой. - М.: Высшая  школа. 1968. - 464

 

7 Федотов Я.А. Основы  физики полупроводниковых приборов. - М.: Советское радио. 1970. - 591