Введение. Для существования тока в цепи необходим источник электрической энергии (источник тока)

Источники тока

Для существования тока в цепи необходим источник электрической энергии (источник тока). Всякое устройство, в котором действуют сторонние силы, называют источником тока. В источниках тока элект­рическая энергия полу­чается за счет других видов энергии. Мощ­ные электро­машинные генераторы преобразуют механическую энер­гию в электрическую. Энер­гия химических процессов преобразуется в менее мощных источниках - галь­ванических элементах и аккумуляторах. В термо- и фотоэлементах тепловая и световая энергии не­посредственно пре­вращаются в элект­рическую и т.д. Источниками тока назы­вают также всякого рода преобра­зователи тока по напряжению (трансформаторы), по форме (выпрямители), по частоте (частотные преобразователи).

В лабораторной практике наиболее часто встречаются химические источники тока и выпрямители. Химические источники применяются для получения небольших количеств электрической энергии малой мощности. Из известных типов гальванических элементов наибольшее применение находят элементы Даниэля и Лекланше.

В элементе Даниэля цинковый катод находится в растворе серно­кислого цинка, ZnSO₄, в пористом сосуде из слабо обожженной глины. Анодом служит медь, находящаяся в растворе сернокислой меди CuSO₄, который одновременно служит и деполяри­затором. Пористый сосуд с раствором ZnSO₄ опущен в стеклян­ный сосуд, где находится раствор CuSO₄. Во время работы элемента выделившийся водород диффундирует через стенки пористого сосуда и замещает медь в растворе, которая осаждается на медном аноде. ЭДС элемента Даниэля равна 1.1 В. При замыкании цепи его ЭДС остается достаточно постоянной. Элементы Даниэля применяется только в учебных лабораториях.

Элемент Лекланше, или элемент марганцовой деполяризации состоит из цинкового катода и угольного анода, опущенных в 20% раст­вор хлористого аммония NH₄Cl. Деполяризатором служит перекись мар­ганца MnO₂. Она окружает катод и связывает выделяющийся на этой пластине водород. ЭДС элемента Лекланше равна 1.5 В. С наг­рузкой ЭДС элемента падает и восстанавливается при размыкании цепи. Этот источник тока находит широкое практическое приме­не­ние.

В гальванических элементах - химических источниках одноразового пользования, содержится определенный запас реагирующих веществ, после израсходования которого (разрядки) элемен­ты становятся неработо­способными. Химические источники много­разово­го пользования (аккумуляторы) после разрядки (но не полной) могут быть возвращены в исходное состояние, т.е. заряжены, пропусканием через них электрического тока от внешнего источника постоянного тока. По мере разрядки аккумулятора его электродвижущая сила умень­шается. Для нормальной эксплуатации недопустима разряд­ка до напряжения ниже, так называемого, конечного на­пряжения. Кислот­ные (свинцовые) аккумуляторы нельзя разряжать ниже конечного напряжения равного 1.85 В (на­чальное напряжение 2.2 В), а щелочные (или железно-никелевые) – ниже 0.8 В (при начальном – 1.4 В).

Количество электричества, которое химический источник может отдать при разрядке до конечного напряжения, называется емкостью источника и измеряется в ампер-часах. Емкость определяется, в основном, общим количеством активных веществ в источнике. Источники одного типа, имеющие большие размеры, обладают и большей емкостью.

В условиях лаборатории источ­никами постоян­ного тока чаще всего служат выпрямители. Простейшие схемы выпрями­телей приведены на рис. 1. Переменное напряжение, полученное от сети, повышается или понижается с помощью трансформатора (Тр) или автотрансформатора (Атр) до необходимого, а затем выпрямляется с помощью вентилей D (кремниевых полупроводниковых диодов). На рис. 1а приведена схема простейшего однополупериодного выпрями­теля.

На рис. 1б приведена широко используемая мосто­вая схема двух­полу­периодного выпрямителя. В этой схеме плечами являются диоды. В одну диагональ включен источник переменного тока, в другую - потребитель постоянного тока. В первый полупериод ток проходит через диоды 1 и 2, во второй - через диоды 3 и 4. Таким образом, через нагрузку ток проходит оба полупериода в одном и том же направлении. При двухполупериодном выпрямлении напряжение на потребите­ле меняется от нуля до ампли­туд­ного. Для сглаживания этих пульсаций на выходе выпрямителя устанавливают сглаживающие фильт­ры, состоящие из конденсаторов и катушек индук­тив­ности.

Величину выпрямленного напряжения (рис. 1б) можно регулировать с помощью автотрансформатора (Атр), подавая на выпрямительный мост различноепеременное напряжение.