Источник тока — это устройство, которое преобразует один вид энергии (химическую, механическую, тепловую, световую и др.) в электрическую энергию и обеспечивает поддержание постоянного или заданного тока в электрической цепи.
Основные принципы работы источников тока
В основе любого источника тока лежит процесс преобразования энергии. В зависимости от типа источника энергия может переходить из химической, механической, тепловой или световой формы в электрическую. Этот переход осуществляется за счёт внутреннего устройства, включающего активные и пассивные элементы:
- электроды;
- электролит или полупроводниковый материал;
- системы обмена ионов или зарядов;
- электронные и магнитные механизмы (в генераторах).
Типы и сравнение источников тока
| Тип источника | Преобразуемая энергия | Номинальное напряжение | Внутреннее сопротивление | КПД | Пример применения |
|---|---|---|---|---|---|
| Свинцово-кислотный аккумулятор | Химическая → электрическая | 2 В на элемент | 10–20 мОм | 70–85 % | Автомобильный стартер |
| Литий-ионный аккумулятор | Химическая → электрическая | 3,6–3,7 В на элемент | 20–100 мОм | 90–98 % | Мобильная электроника |
| Щелочной (алкалиновый) элемент | Химическая → электрическая | 1,5 В | 100–300 мОм | 50–70 % | Бытовые приборы |
| Никель-металлгидридный (NiMH) | Химическая → электрическая | 1,2 В | 50–150 мОм | 60–80 % | Фотоаппараты |
| Пальчиковый суперконденсатор | Электроstatic → электрическая | 2,7 В | 5–50 мОм | >95 % | Буферная энергетика |
| Термогенератор (ТЭГ) | Тепловая → электрическая | Зависит от ΔT | Сотни мОм | 5–10 % | Промышленные отходы тепла |
| Солнечная батарея | Световая → электрическая | 0,5–0,6 В на элемент | 20–100 Ом | 15–22 % | Солнечные станции |
Электрохимические процессы внутри батареи
- На аноде происходит окислительная реакция, в ходе которой металл теряет электроны.
- Электролит обеспечивает транспорт ионов от анода к катоду.
- На катоде принимаются электроны, и происходит восстановительная реакция.
- Разность потенциалов между электродами создаёт электрическое напряжение.
- По внешней цепи электроны движутся от анода к катоду, создавая ток.
Внутренние процессы и потери энергии
- Joule–Ленцевы потери на нагрев из-за внутреннего сопротивления.
- Химические необратимые реакции, снижающие ёмкость со временем.
- Поляризация электродов – накопление газов или продуктов реакции на поверхностях.
- Саморазряд – утечка заряда через внутренние пути.
Другие виды преобразования энергии
Помимо химических источников существуют генераторы и превращатели на основе механических и физических принципов:
- Электрогенераторы (гидро-, тепло-, ветро-, газотурбинные) – механическая → электрическая.
- Термоэлектрические модули – эффект Зеебека, тепловой градиент → электрический ток.
- Фотоэлементы – полупроводниковый p–n переход, свет → электричество.
FAQ по смежным темам
-
В: В чём разница между гальваническим и электролитическим элементом?
О: В гальваническом элементе протекают спонтанные окислительно–восстановительные реакции для получения электричества. В электролитическом – для протекания реакции требуется внешний источник тока.
-
В: Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора?
О: Подключают нагрузку и замеряют изменение напряжения. По закону Ома
r = (Uхх – Uнагрузки) / I. -
В: Что такое э.д.с. источника тока?
О: Это электродвижущая сила – потенциальная разность между электродами при отсутствии нагрузки (разомкнутой цепи).
-
В: Как повысить срок службы аккумулятора?
О: Избегать глубоких разрядов, поддерживать оптимальный температурный режим, применять щадящий заряд током, контролировать уровень электролита.
-
В: Чем отличаются суперконденсаторы от батарей?
О: Суперконденсаторы накапливают энергию электростатически, имеют высокую скорость заряда/разряда и большой ресурс циклов, но меньшую плотность энергии.
-
В: Как влияет температура на работу аккумулятора?
О: С понижением температуры увеличивается внутреннее сопротивление и снижается ёмкость; при перегреве ускоряются побочные реакции и деградация материалов.
-
В: Можно ли соединять разные типы батарей параллельно?
О: Не рекомендуется из-за разницы в напряжении и внутреннем сопротивлении. Это приведёт к неравномерному распределению тока и ускоренному выходу из строя.
