Меню

Источник тока с жесткой характеристикой

Вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ)

Статическая вольт-амперная характеристика дуги показывает зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги при постоянной ее длине.

Вольт-амперная характеристика дуги

Характеристика имеет три области

Первая область I характеризуется резким падением напряжения Uд на дуге с увеличением тока сварки Iсв. Такая характеристика называется падающей и вызвана тем, что при увеличении тока сварки происходит увеличение площади, а следовательно, и электропроводности столба дуги.

Во второй области II характеристики увеличения тока сварки не вызывают изменения напряжения дуги. Характеристика дуги на этом участке называется жесткой. Такое положение характеристики на этом участке происходит за счет увеличения сечения столба дуги, анодного и катодного пятен пропорционально величине сварочного тока. При этом плотность тока и падение напряжения на протяжении всего участка не зависят от изменения тока и остаются почти постоянными.

В третьей области III с увеличением сварочного тока возрастает напряжение на дуге Uд. Такая характеристика называется возрастающей. При работе на этой характеристике плотность тока на электроде увеличивается без увеличения катодного пятна, при этом возрастает сопротивление столба дуги и напряжение на дуге увеличивается.

Род тока при сварке — постоянный или переменный, полярность на постоянном токе может быть прямой (минус от источника на электроде), или обратной (минус от источника присоединяется к детали).

Ток обратной полярности применяют при сварке тонкого металла легкоплавких сплавов, легированных, специальных и высокоуглеродистых сталей, чувствительных к перегреву, при полуавтоматической сварке арматуры и металлоконструкций легированной проволокой сплошного сечения, при сварке электродами с фтористо-кальциевым покрытием.

При сварке на переменном токе полярность электродов и условия существования дуги периодически изменяются в соответствии с частотой тока.

В каждом полупериоде ток и напряжение меняют полярности при переходе синусоиды через нулевое значение. Дуга при этом угасает, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Повторное зажигание дуги в новом полупериоде происходит при повышенном напряжении — пике зажигания, которое выше напряжения на дуге.

Для повышения устойчивости дуги переменного тока добавляют в покрытия электродов и сварочные флюсы такие материалы, как мел, мрамор, полевой шпат и др., содержащие калий, натрий, кальций и другие элементы.

Газы, вводимые в зону горения дуги для защиты расплавленного металла, оказывают влияние на зажигание дуги переменного тока. При сварке с инертными газами (гелий, аргон) зажигание дуги затруднено, но возбужденная дуга горит устойчиво.

При сварке вольфрамовым электродом в среде аргона происходит испарение частиц металла с поверхности сварочной ванны и ближайших холодных зон, вместе с которыми удаляются и окисные пленки, что улучшает условия сварки и качество шва.

Углекислый газ при сварке на переменном токе действует отрицательно, поэтому сварка в углекислом газе применяется преимущественно на постоянном токе обратной полярности.

Источники питания сварочной дуги имеют также свои вольт-амперные характеристики, которые могут быть падающими, жесткими и возрастающими.

Для стабильного горения дуги необходимо, чтобы было равенство между напряжениями и токами дуги (Uд, Iд) и источника питания (Uп, Iп).

Источники питания с падающей и жесткой характеристиками применяют при ручной дуговой сварке, с возрастающей характеристикой — при полуавтоматической сварке, с жесткой и возрастающей — при автоматической сварке под флюсом и для наплавки.

Устойчивое горение сварочной дуги возможно только в том случае, когда источник питания сварочной дуги поддерживает постоянным необходимое напряжение при протекании тока по сварочной цепи.

Работу сварочной цепи и дуги нужно рассматривать при наложении статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) сварочной дуги на статическую вольт-амперную характеристику источника питания (называемую также внешней характеристикой источника питания) .

Ручная электросварка обычно сопровождается значительными колебаниями длины дуги. При этом дуга должна гореть устойчиво, а ток дуги не должен сильно изменяться. Также часто требуется увеличить длину дуги, поэтому дуга должна иметь достаточный запас эластичности при удлинении, т. е. не обрываться.

Статическая характеристика сварочной дуги при ручной сварке обычно является жесткой, и отклонение тока при изменении длины дуги зависит только от типа внешней характеристики источника питания. При прочих равных условиях эластичность дуги тем выше, а отклонение тока дуги тем меньше, чем больше наклон внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной электросварки применяются источники питания с падающими внешними характеристиками. Это дает возможность сварщику удлинять дугу, не опасаясь ее обрыва, или уменьшать длину дуги без чрезмерного увеличения тока. Также обеспечиваются высокая устойчивость горения дуги и ее эластичность, стабильный режим сварки, надежное первоначальное и повторное зажигание дуги благодаря повышенному напряжению холостого хода, ограниченный ток короткого замыкания.

Ограничение этого тока имеет большое значение, так как при ручной дуговой сварке происходит переход капли расплавленного металла электрода на изделие, и при этом возможно короткое замыкание.

При больших значениях тока короткого замыкания происходят прожоги металла, прилипание электрода, осыпание покрытия электрода и разбрызгивание расплавленного металла. Обычно значение тока короткого замыкания больше тока дуги в 1,2-1,5 раз.

Основными данными технических характеристик источников питания сварочной дуги являются напряжение холостого хода, номинальный сварочный ток, пределы регулирования сварочного тока.

Напряжение холостого хода источника сварочного тока — напряжение на его зажимах при отсутствии дуги, номинальный сварочный ток — допустимый по условиям нагрева источника питания ток при номинальном напряжении на дуге.

В процессе сварки непрерывно меняются значения тока и напряжения на дуге в зависимости от способа первоначального возбуждения дуги и при горении дуги — характера переноса электродного металла в сварочную ванну.

При сварке капли расплавленного металла замыкают дуговой промежуток, периодически изменяя силу тока и длину дуги, происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, затем к горению дуги с образованием капли расплавленного металла, которая вновь замыкает дуговой промежуток. При этом ток возрастает до величины тока короткого замыкания, что приводит к сжатию и перегоранию мостика между каплей и электродом. Напряжение возрастает, дуга вновь возбуждается, и процесс периодически повторяется.

Изменения тока и напряжения на дуге происходят в доли секунды, поэтому источник питания сварочной дуги должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. быстро реагировать на все изменения в дуге.

Источник



Однопостовые выпрямители с жесткой (пологопадающей) вольтамперной характеристикой

Сварочные выпрямители с жесткими и пологопадающими внешними характеристиками предназначаются для дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитных газов.

Необходимость применения источников питания с жесткой характеристикой объясняется следующими обстоятельствами.

Процесс переноса металла с электрода в шов носит капельный характер и в большинстве случаев, особенно при использовании в качестве защитной среды углекислого газа, сопровождается периодическими короткими замыканиями дугового промежутка. Для облегчения отрыва капли и обеспечения качественного формирования шва необходимо, чтобы ток короткого замыкания был в несколько раз больше тока горения дуги.

Высокие значения скорости плавления электрода и частоты коротких замыканий не позволяют использовать систему регулирования с зависимой от напряжения дуги скорости подачи электрода, как, например, при сварке под слоем флюса. Поэтому стабилизация режима горения дуги обеспечивается за счет явления саморегулирования, которое протекает более устойчиво, если источник питания имеет жесткие или пологопадаюшие характеристики.

Капельный перенос металла с периодическими короткими замыканиями дугового промежутка налагает особые требования к динамическим свойствам источника питания и, в первую очередь, к скорости нарастания тока короткого замыкания. При замыкании дугового промежутка нарастание тока происходит с излишне высокой скоростью, ток за время существования короткого замыкания достигает чрезмерно большого значения, что приводит к взрывообразному разрушению перемычки между каплей и торцом электрода, в результате чего процесс сварки сопровождается сильным разбрызгиванием, угаром металла и нарушается формирование сварного шва. Динамические свойства выпрямителя можно значительно улучшить, включив в цепь нагрузки дроссель, ограничивающий скорость нарастания тока короткого замыкания. Однако слишком малая скорость нарастания также нежелательна, т.к. может стать причиной затяжки стадии отрыва капли, в результате чего в жидкую ванну могут поступать участки нерасплавившейся электродной проволоки. Существует некоторое оптимальное значение индуктивности дросселя. Поэтому выпрямители содержат дроссель с регулируемой (плавно или ступенчато) индуктивностью.

Силовая часть сварочного выпрямителя с жесткими или пологопадаюшими характеристиками содержит силовой трансформатор, выпрямительный блок, регулятор напряжения и сглаживающий дроссель.

Силовые трансформаторы рассматриваемых сварочных выпрямителей имеют конструкцию с концентричным расположением первичных и вторичных обмоток, при которой их индуктивные сопротивления рассеяния минимальны.

Выпрямительные блоки собираются обычно по трехфазным мостовым схемам, обеспечивающим незначительную пульсацию выпрямленного напряжения, что повышает устойчивость горения дуги. В блоках могут использоваться как селеновые, так и кремниевые вентили. Однако кремниевые вентили, хотя и имеют меньшие потери и размеры, плохо выдерживают длительные перегрузки, имеющие место при коротких замыканиях дугового промежутка, и вследствие этого должны иметь быстродействующую защиту, срабатывающую при случайных коротких замыканиях, длительность которых превышает длительность периодических замыканий при сварке. Поэтому в большинстве ранее выпускавшихся выпрямителей использовали селеновые вентили, обладающие лучшей перегрузочной способностью. Регулирование силы тока осуществляется изменением скорости подачи электродной проволоки. В таких источниках в основном регулируется напряжение холостого хода и, следовательно, рабочее напряжение.

Регулирование напряжения может осуществляться несколькими способами:

– секционированием первичных обмоток силового трансформатора (выпрямители типа ВС);

– применением вольтодобавочного трансформатора, вторичные обмотки которого включаются последовательно со вторичными обмотками силового трансформатора (выпрямители типа ВСК и ИПП);

Читайте также:  Что может быть если от приборов бьет током

– применением дросселя насыщения (магнитного усилителя), включенного между силовым трансформатором и выпрямительным блоком (выпрямители типа ВДГ);

– использованием силовых трансформаторов специальной конструкции с регулируемой магнитной коммутацией (выпрямители типа ВСЖ);

– использованием в выпрямительном блоке управляемых кремниевых вентилей-тиристоров (выпрямители типа ВДУ и ВСП).

Выпрямитель с трансформатором с секционированными обмотками типа ВС состоит из трехфазного понижающего трансформатора Тр, переключателя ступеней S, силового выпрямительного блока V и дросселя L.

В выпрямителе ВС-300 (рис. 4.5) трехфазный понижающий трансформатор с нормальным магнитным рассеянием имеет соединение обмоток «звезда – треугольник». Напряжение холостого хода изменяется трехполюсными переключателями грубой S1 (три ступени) и плавной S2 (8 ступеней) регулировки за 24 ступени от 20 до 40 В с шагом около 1 В, т.е. почти плавно. Выпрямительный блок V собран по трехфазной мостовой схеме из селеновых шайб размером 100х400 мм. Для снижения разбрызгивания в цепь выпрямленного тока включен нерегулируемый дроссель L с постоянным воздушным зазором. В комплект выпрямителя входят также вентилятор М и реле контроля вентиляции Pв.

Рис. 4.5. Принципиальная схема выпрямителя ВС

По аналогичной схеме собран выпрямитель ВС-600, но он имеет три переключателя и 27 ступеней регулирования.

Ранее в больших количествах выпускались подобные выпрямители ВС-200, ВС-300, ВС-400, ВС-500, ВС-600. Выпрямители ВСП-140 и ВДГ-163 имеют более простое устройство – трансформатор с витковым регулированием и однофазный мостовой блок из кремниевых вентилей, они питаются от сети напряжением 220 В. Витковое регулирование имеют также выпрямители ВДГ-304, ВСП-500 и
ВДГ-506-1.

Ограниченное применение нашли выпрямители с вольтодобавочными трансформаторами типов ИПП и ВСК.

Более широкое применение нашли выпрямители с дросселем насыщения. Представителем данного типа является, например, выпрямитель ВДГ-301.

Плавное регулирование напряжения в выпрямителе производится посредством дросселя насыщения с самоподмагничиванием. Простейший однофазный дроссель насыщения представлен на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Дроссель с самонасыщением: а – схема; б – идеализированная кривая намагничивания железа дросселя; в – внешняя характеристика выпрямителя

Дроссель имеет три обмотки: рабочую (ОР) Wp, включенную через диод VD выпрямительного блока последовательно с нагрузкой, а также обмотки смещения (ОСМ) Wсми управления (ОУ) Wу, питаемые постоянным током. В цепи обмотки управления имеется регулировочный реостат Rу.

Намагничивающие силы рабочих обмоток и обмотки управления совпадают (рис. 4.8, б). Обычно обмотка управления создает небольшую намагничивающую силу IуWу, соответствующую точке D, так что при холостом ходе дроссель ненасыщен. При малых сварочных токах, когда намагничивающая сила рабочей обмотки IpWp малаи рабочая точка, соответствующая суммарной намагничивающей силе W = IyWy+IpWp, остается левее точки Е, дроссель также не насыщен и рабочая обмотка имеет большое индуктивное сопротивление. Внешняя характеристика выпрямителя на участке D 1 Е 1 – крутопадающая. При дальнейшем увеличении сварочного тока дроссель придет в насыщенное состояние точки F. При изменении сварочного тока положение рабочей точки смещается, но изменение потока ΔФ и величина противоЭДС Едр остаются постоянными так же, как и выпрямленное напряжение Uд=U-Eдр. Таким образом, внешняя характеристика на участке получается жесткой.

Так как насыщение обеспечивается рабочими обмотками, по которым протекает сварочный ток, такую конструкцию называют дросселем с самонасыщением или с самоподмагничиванием или с внутренней обратной связью по току или магнитным усилителем. Плавное регулирование режима осуществляется обмоткой управления ОУ. С ростом тока управления точка D (рис. 4.34, б) смещается вверх вположение D1, поэтому уменьшаются ΔФ и Едр, увеличивается Uд, а внешняя характеристика смещается в положение .

Самоподмагничивание приводит к насыщению сердечника даже при малом токе управления, что сильно сужает диапазон регулирования напряжения. Для получения малых напряжений пришлось бы менять направление тока в обмотке управления, что трудно осуществимо. Этот недостаток устраняется с помощью нерегулируемой обмотки смещения (ОСМ) снамагничивающей силой, которая создает на сердечнике поток, направленный встречно потокам обмоток ОР и ОУ.

Упрощенная принципиальная электрическая схема выпрямителя ВДГ-301 представлена на рис. 4.7.

Силовой трехфазный трансформатор с нормальным рассеянием имеет первичные обмотки, соединенные по схеме «звезда – звезда». Вторичные обмотки имеют три отвода, что позволяет с помощью переключателя получать ступени регулирования.

Силовой выпрямительный блок собран по трехфазной мостовой схеме на селеновых вентилях. Последовательно с вентилями включены шесть рабочих обмоток дросселя насыщения – усилителя магнитного (Wa1-Wa2; Wb1-Wb2; Wc1-Wc2), каждая из которых намотана на сердечник из электротехнической стали.

Обмотки смещения Wсм и управления Wу общие, они охватывают все шесть сердечников магнитного усилителя с рабочими обмотками. Обмотка смещения Wсм подключена к выпрямителю V3 через подстроечный резистор R1. Выпрямитель V2 питается от вторичных обмоток силового трансформатора Т1.

Рис. 4.7. Принципиальная схема выпрямителя ВДГ-301

Обмотка управления Wy питается через потенциометр R1 от выпрямителя V2, стабилизированного феррорезонансным стабилизатором G. Выходное напряжение силового выпрямителя зависит от тока управления магнитного усилителя, который регулируется потенциометром R2. Охлаждение выпрямителя принудительное. Нормальная работа системы охлаждения регулируется флажковым реле Pb. При отсутствии или неправильном направлении воздушного потока контакт этого реле К1.4 вцепи магнитного пускателя К1 разомкнут и контакты пускателя К1.1, К1.2, К1.3 силовой трансформатор в сеть не включают.

В цепи нагрузки силового выпрямителя имеется сглаживающий дроссель L, ограничивающий скорость нарастания тока при периодических коротких замыканиях дугового промежутка каплями электродного металла. Обмотка дросселя имеет две катушки. При последовательном соединении индуктивность дросселя составляет примерно 0,5·10 –3 Гн, что является оптимальным для сварки проволокой диаметром 1,6–2,0 мм. При сварке проволокой диаметром 1,0–1,2 мм включается одна катушка, индуктивность дросселя составляет при этом около 15·10 –3 Гн. На входе выпрямителя включен емкостной фильтр С1–СЗ, снижающий уровень помех радиоприема.

Серийно выпускаемый выпрямитель ВДГ-303-3представлен электрической схемой (рис. 4.8). В выпрямителе предусмотрено комбинированное регулирование напряжения: ступенчатое – переключением первичных обмоток трансформатора Т и плавное – реостатом R1 в цепи обмотки управления ОУ дросселя насыщения. Пакетно-кулачковый переключатель S обеспечивает три ступени выпрямленного напряжения. На первой ступени части первичных обмоток соединяются треугольником, это обеспечивает максимальное выпрямленное напряжение. На второй ступени треугольником соединяются уже полные первичные обмотки. На третьей ступени при соединении обмоток звездой получают минимальное напряжение. Дроссель насыщения L1-L6 выполнен на шести витых разрезных сердечниках, на каждом из которых намотано по одной рабочей обмотке. Три последовательно соединенных катушки обмотки управления ОУ охватывают каждая по два сердечника. Так же выполнена и обмотка смещения ОСМ. Обмотка управления питается от блока управления А стабилизированным напряжением через регулировочный реостат R1. Обмотка смещения питается от вторичных обмоток силового трансформатора через выпрямительный блок V2 и нерегулируемый резистор R2. Силовой выпрямительный блок V3 собран по трехфазной мостовой схеме из 6 кремниевых диодов В2-200-3.

Рис. 4.8. Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВДГ-303-3 УЗ

Последовательно с диодами включены рабочие обмотки ОР дросселя насыщения, что и обеспечивает формирование характеристик особой формы, причем на жестком участке наклон не превышает 0,04 В/А. Сглаживающий дроссель L7 снижает разбрызгивание электродного металла и повышает стабильность сварочного процесса, его индуктивность плавно и автоматически регулируется в зависимости от режима сварки. Выпрямитель снабжен быстродействующим автоматическим выключателем QF, магнитным пускателем К, приборами PV и PA, атакже не показанными на схеме вентилятором, пусковой аппаратурой и аппаратурой питания приводов полуавтомата для механизированной сварки в углекислом газе.

Сварочные свойства выпрямителя с дросселем насыщениядостаточно высоки. Повышенное напряжение холостого хода, в 1,5–3 раза превышающее сварочное, способствует надежному начальному зажиганию. Устойчивое горение дуги наблюдается во всем диапазоне регулирования напряжения за исключением самого низкого напряжения – здесь, как и при фазовом регулировании, наблюдается режим прерывистого тока. Для устранения этого дефекта глубину плавного регулирования снижают, дополняя его ступенчатым. Кроме того, устойчивости процесса способствует и специальный сглаживающий дроссель, который ликвидирует провалы в кривой сварочного тока после короткого замыкания. Индуктивность дросселя, достигающая 0,5 мГн при высоких сварочных режимах, автоматически снижается при низких режимах. Это позволяет уменьшить разбрызгивание во всем диапазоне регулирования. Кратность плавно-ступенчатого регулирования сварочного напряжения превышает 2,5, что вполне отвечает технологическим требованиям.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Источник

Какие существуют виды источников электрического тока?

Источник электрического тока – это устройство, с помощью которого создаётся электрический ток в замкнутой электрической цепи. В настоящее время изобретено большое количество видов таких источников. Каждый вид используется для определённых целей.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Виды источников электрического тока

Существуют следующие виды источников электрического тока:

  • механические;
  • тепловые;
  • световые;
  • химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

Читайте также:  Токовые клещи как измерить силу тока

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

  1. Гальванические
  2. Аккумуляторы
  3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):

  1. Солевые;
  2. Щелочные;
  3. Литиевые.

Солевые, или иначе «сухие», батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:

  1. Свинцово-кислотные;
  2. Литий-ионные;
  3. Никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.

Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.

ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

Источник

Виды источников тока

Источники тока используют для длительного поддержания электрического поля и получения электрического тока. Все они могут иметь различные принципы работы, внешний вид, конструкцию и размеры.

Источники тока – это устройства:
— способные создавать и поддерживать электрический ток;
— в них сторонние силы совершают работу по перемещению зарядов против электрических сил;
— а механическая, внутренняя, химическая или иная энергия превращается в электрическую.

Какие виды источников тока существуют

Энергия не может возникать из ничего. Об этом говорит закон сохранения энергии. Во всех без исключения источниках, электроэнергия создается за счет других ее видов.

В зависимости от того, какая именно энергия превращается в электрическую, выделяют такие виды (рис. 1) источников:

  1. механические – генераторы,
  2. тепловые – термопары, термогенераторы,
  3. световые (фотоэлектрические) – солнечные батареи и фотоэлементы,
  4. химические – гальванические элементы и аккумуляторы.

Рассмотрим подробнее эти виды.

Механические источники

Электрофорная машина – один из механических источников тока (рис. 2), применяемых более столетия.

С помощью этого устройства механическая энергия вращающихся дисков преобразовывается в электрическую энергию. При этом, происходит разделение положительных и отрицательных зарядов.

Превращение энергии вращения (механической) в энергию электрического тока происходит в различных генераторах.

В конструкции любого из них присутствуют элементы, создающие магнитное поле в пространстве вокруг проводника.

Например, электрический генератор для велосипеда (рис. 3), включает в себя кольцевой магнит и проволочную обмотку, расположенную рядом с ним.

Во время движения велосипеда магнит, расположенный внутри, вращается. Изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны по обмотке. Если к ее выводам подключить лампочку, она загорится, так как по цепи потечет электрический ток.

Мускульной силы человека хватает, чтобы зажечь лампочку для карманного фонаря. Однако, ее недостаточно, чтобы вырабатывать больше электроэнергии. Например, чтобы нагреть утюг и одновременно с этим зажечь несколько бытовых ламп накаливания.

Поэтому, для бытовых нужд и нужд промышленности в электрическую энергию превращают энергию сгорающего топлива, а не энергию сокращения мускул.

На тепловых, атомных и гидроэлектростанциях установлены мощные генераторы. Они могут отдавать потребителям токи в тысячи Ампер. А масса некоторых достигает десятков тонн.

На таких электростанциях превращение энергии происходит в несколько этапов. Сначала энергия горящего топлива превращается во внутреннюю энергию горячей воды, а затем — в механическую и, в конечном итоге, в электрическую.

Существуют, так же, устройства, предназначенные для бытового использования. Например, небольшие генераторы, массой в несколько килограммов, оснащенные бензиновым мотором (рис. 4).

Они, так же, преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую энергию вращения вала двигателя, который соединяется с генератором. А затем энергия вращения с помощью генератора превращается в электрическую энергию.

Тепловые источники

К тепловым относят различные термоэлементы. Термоэлемент — это прибор в котором, тепловая энергия, получаемая от нагревателя, превращается сначала во внутреннюю энергию вещества, а затем — в электрическую энергию.

Один из таких элементов называют термопарой (рис. 5). Термопара состоит из двух различных металлических проволок, спаянных вместе. Если нагреть место их соприкосновения, то на свободных концах проволочек можно обнаружить электрическое напряжение (ссылка).

Если свободные концы термопары присоединить к потребителю тока, то под действием тепловой энергии по замкнутой цепи побегут электроны, то есть, возникнет электрический ток.

Таким образом, эта незамысловатая конструкция преобразовывает внутреннюю энергию нагреваемых металлов в электрическую энергию.

Фотоэлектрические источники

Атомы некоторых веществ под действием видимого света способны терять электроны. Например, селен, кремний, оксиды цинка, меди, висмута. На основе этих и, некоторых других веществ создают источники, генерирующие электрический ток под действием (рис. 6) света.

Эти источники используют фотоэлектрический эффект (сокращенно — фотоэффект) (ссылка). В них энергия света преобразуется в электрическую.

Существует два вида фотоэффекта – внутренний, который используется в полупроводниках (ссылка) и внешний, используемый в вакуумных фотоэлементах на основе различных металлов.

Вакуумные фотоэлементы

В вакуумном фотоэлементе свет попадает на пластинку металла и выбивает электроны с ее поверхности. Такую пластинку называют катодом.

Выбитые электроны улавливаются другим электродом. Его называют анодом и обычно выполняют в виде металлической сетки.

Оба электрода находятся в стеклянном баллоне из которого удалили воздух. Дело в том, что молекулы воздуха могли бы помешать движению электронов, вылетевших из пластинки. Чтобы этого не происходило, воздух из баллона откачивают (рис. 7).

Таким образом, под воздействием света между катодом и анодом в вакууме возникает поток заряженных частиц. Они движутся направлено от катода к аноду. Значит, в фотоэлементе под действием света возникает электрический ток. Так световая энергия переходит в электрическую.

Солнечные батареи

Еще одним источником тока, в котором ток возникает за счет световой энергии, являются, так называемые, солнечные батареи. Их изготавливают из полупроводниковых пластин (рис. 8).

Читайте также:  Как найти ток двигателя электротехника

Падающий свет из полупроводника электроны не выбивает. А вызывает переход электронов в такое состояние, в котором у них появляется дополнительная энергия и они могут свободно передвигаться по полупроводнику, создавая электрический ток.

Химические источники

Если опустить два кусочка различных металлов (например, железа и меди) в емкость с проводящей жидкостью, можно получить химический источник тока.

В качестве проводящей жидкости можно использовать, например, лимонный сок. Воткнув в лимон два гвоздика из различных металлов (рис. 9) и подключив к ним гальванометр, можно обнаружить, что через гальванометр потечет электрический ток.

Такую конструкцию можно считать простейшим химическим источником тока. Гвоздики в нем — это электроды, а лимонная кислота – электролит.

Примечания:

  1. Проводящие жидкости называют электролитами.
  2. Существует, так называемый ряд электрохимических напряженый металлов. Наибольшее напряжение дают источники, построенные с применением металлов, расположенных в различных концах данного ряда.

Самым первым химических источником тока был Вольтов столб.

Алессандро Вольта и его первый гальванический элемент

Дело в том, что до исследований, проведенных А. Вольта, способ получить электрический ток был известен. Однако, эксперименты с электричеством, проводимые в лабораториях другими учеными, создавали ток всего на доли секунды. Источников, способных создавать ток, длившийся хотя бы единицы секунд, не существовало.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый прибор, создававший электрический ток продолжительное время. Этот прибор в честь создателя называют Вольтовым столбом.

Ученый определил, что для получения гальванического (электрического) эффекта нужны два разных метала и проводящая жидкость.

Он длительное время потратил на эксперименты, использовал различные металлы и исследовал их свойства.

В процессе работы Вольта сделал вертикальный столбик, укладывая поочередно медные монеты и цинковые пластинки. Между металлами он укладывал кожаные кружочки, вымоченные в рассоле (рис. 10).

Так он создал первую в мире электрическую батарею. Принцип ее работы — превращение химической энергии в электрическую.

Соединяя проволокой два конца собранного столбика, он наблюдал ее нагревание и так определял действие электрического тока.

А чтобы сравнить, больше, или меньше электричества вырабатывал тот или иной столбик, Алессандро пользовался своим языком. Попросту, касался языком выводов созданного им гальванического элемента.

Такой столбик, при высоте, равной половине метра, вырабатывал напряжение, которое было довольно чувствительным.

В марте 1800 года Вольта направил письмо в Лондонское Королевское общество, в котором подробно описал результаты своей работы. А уже в июне оно было признано сенсационным среди ученых того времени.

Наполеон пригласил А. Вольта в Париж и лично присутствовал во время доклада и опыта, демонстрируемого им, а после наградил изобретателя.

Это изобретение сделало автора знаменитым. А благодаря ему в скором времени были совершены другие открытия в области физики.

Какие открытия были совершены благодаря столбу Вольта

В том же году с помощью Вольтова столба вода была разложена на водород и кислород. Это сделали Карлайл и Николсон.

А спустя три года, в 1803 году, Василий Петров создал самый большой в мире столб. Он выдавал напряжение 1700 вольт и содержал более 4000 медных и цинковых кругов. Этот столб помог получить электрическую дугу, которая применяется в электросварке металлов.

После работ Петрова в России стали применять электрические запалы для взрывчатых веществ.

А спустя еще четыре года, в 1807 году, ученым по фамилии Дэви был открыт металлический калий.

Благодаря способности Вольтова столба создавать электрический ток продолжительное время – в течение нескольких часов, началось широкое применение электричества.

По истечении этого времени, на металлах появлялся окисел, препятствующий выработке электрического тока. Нужно было разбирать конструкцию и протирать металлы, избавляя их от этого окисла. А кусочки кожи необходимо было время от времени смачивать рассолом.

Сухой гальванический элемент — батарейка

Значительно позже открытия Вольта, во второй половине 1880-х годов, инженером из Германии Карлом Гасснером был создан сухой гальванический элемент.

Сухим элемент был назван потому, что в качестве электролита в нем использовалась не жидкость, а гелеобразный состав. Такие элементы можно наклонять и даже переворачивать, не боясь пролить электролит. Поэтому, они значительно удобнее жидкостных.

Внутри элемента происходят химические превращения. Эти превращения являются экзотермическими, так как протекают с выделением энергии. Затем внутренняя энергия источника переходит в электрическую.

К примеру, в современном сухом гальваническом элементе (рис. 11), цинк реагирует с хлоридом аммония и при этом получает отрицательный электрический заряд.

Протекая, такие реакции вызывают расходование некоторых частей источника. Например, цинкового электрода.

Из-за этого, в гальванических элементах химические реакции будут необратимыми. Так как, спустя некоторое время, для нормального протекания химических превращений, не будет хватать ресурсов.

Когда скорость химических реакций замедляется, элемент перестает вырабатывать электрический ток. В таких случаях говорят, что элемент разрядился – «села батарейка».

Отработанные гальванические элементы нужно утилизировать. Это позволит использовать вновь некоторые их компоненты, а не загрязнять окружающую среду.

Мировая промышленность выпускает ассортимент стандартизированных элементов питания (рис. 12).

Например, тип АА – пальчиковая батарейка, или ААА – тонкая пальчиковая. Так же, существуют типоразмеры, обозначаемые C D и N. Они имеют ЭДС 1,5 Вольта.

Существуют другие и типы, например, «квадратная» батарейка 3R12, имеющая ЭДС 4,5 Вольт и используемая в карманных фонариках. А, так же, небольшая батарейка вида pp3 с ЭДС 9 Вольт, часто называемая «Крона» или «Корунд».

Гальванические элементы на электрических схемах обозначают специальными значками.

Аккумуляторы и их виды

Устройство аккумулятора внешне напоминает устройство гальванического элемента. Присутствует корпус, в котором находятся две пластины из разных металлов. Одна служит положительным электродом, а другая – отрицательным. Эти пластины помещены в электролит (рис. 13).

Однако, аккумуляторы, в отличие от гальванических элементов, являются многоразовыми устройствами.

Свое название они получили из-за того, что могут аккумулировать, то есть, накапливать электрическую энергию. А затем, отдавать накопленную энергию потребителям.

Химические реакции в аккумуляторах могут протекать в двух направлениях (зарядка — разрядка).

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить. Для этого используют специальные источники тока, которые называют зарядными устройствами. Они пропускают через аккумулятор ток зарядки.

Под воздействием этого тока в аккумуляторе протекают химические реакции, во время которых он накапливает электрические заряды. Один электрод заряжается положительно, а другой – отрицательно.

После, подключив к заряженному аккумулятору потребитель тока, можно использовать накопленную им энергию.

Называть аккумуляторы принято:
— по видам используемых жидкостей — кислотные, щелочные.
— либо по названию металлов, используемых в качестве электродов — свинцовые, железоникелевые, литиевые, и т. п.

В качестве пластин — электродов используют металлы: свинец, железо, литий, титан, кобальт, кадмий, никель, цинк, серебро, алюминий.

Существуют аккумуляторы с гелеобразным электролитом. Такие аккумуляторы можно наклонять в различные стороны, не боясь утечки электролита. Например, литий-полимерные батареи, используемые в мобильных телефонах.

Примечание: Чем больше геометрические размеры электродов источника, тем большую силу тока в полезной нагрузке он может обеспечить. Поэтому, аккумуляторы для автомобилей с ЭДС 12 и 24 Вольта, рассчитанные на большие токи нагрузки, имеют массу от 10 килограммов и большую.

Аналогия между источником тока и водяным насосом

Аналогию с потоком жидкости часто применяют по отношению к электрическому току.

Независимо от того, какой вид энергии превращается в электрическую, принцип работы источника тока чем-то напоминает работу водяного насоса. Различия в том, что источник тока перекачивает заряды, а не жидкость.

Рассмотрим замкнутый контур, состоящий из трубы и водяного насоса, который способен привести в движение воду, так, чтобы она начала циркулировать по трубе (рис. 14а).

Частицы воды будут двигаться и, ток воды будет циркулировать за счет разности давлений, которую будет создавать и поддерживать насос.

На рисунке 14 кружком с треугольником обозначен насос. Направление движения воды отмечено стрелкой. По левую сторону от насоса давление обозначено \(\large P_<1>\), по правую сторону — \(\large P_<2>\) (рис. 14а).

С помощью неравенства

отмечено, что давление слева от насоса будет больше давления справа.

Подобно движению частиц воды, заряды придут в движение и электрический ток будет циркулировать по замкнутой цепи за счет разности потенциалов, которую будет создавать включенная в эту цепь батарейка (рис. 14б) — источник тока.

Сила, перемещающая заряды во внешней цепи, появляется благодаря тому, что источник тока создает разность потенциалов на своих выводах и электрическое поле.

Слева и справа от источника отмечены потенциалы \(\large \varphi_<1>\) и \(\large \varphi_<2>\). При чем, потенциал слева от источника больше потенциала справа.

Это отмечено неравенством

\[\large \varphi_ <1>> \varphi_<2>\]

Обратите внимание: источник тока (сторонние силы) заставляет двигаться электроны – отрицательно заряженные частицы, от точки с меньшим потенциалом, в точку с потенциалом большим, а электрический ток направлен в противоположную сторону — от «+» к «-».

Разность потенциалов так же называют электрическим напряжением.

\[\large \Delta \varphi = \varphi_ <2>— \varphi_ <1>= U \]

\(\large \varphi \left( B \right) \) – потенциал, измеряется в Вольтах;

\(\large U \left( B \right) \) – напряжение, измеряется в Вольтах;

Источник