Какво е напрежение
Потенциална разлика: Ако има излишък на електрони в единия край на проводника (така нареченият отрицателен заряд) и техния дефицит в другия край на проводника (положителен заряд), токът започва да тече през проводника. Ще работи, докато това условие е от значение. Източник на напрежение, който създава излишък от електрони в единия край и техния дефицит в другия край на проводника, се характеризира с физическа величина, наречена потенциал. Всеки потенциал се характеризира със способността на източника на напрежение да извършва електрическа работа.
Представете си две чаши, от които изтича едно и също количество вода, но падащи от различни височини. И тук се оказва, че във втората чаша енергията на капката е по-голяма, защото тя се влияе от земната гравитация. Когато водните частици падат, те отделят енергия, колкото по-голямо е разстоянието, което е излетяла, толкова повече енергия се освобождава.
По същия начин енергията на електроните е свързана с електрическото поле, което се генерира от източника на ток. Това електрическо поле действа върху всеки електрон, така че те започват да отделят енергия, когато се движат. Но ако водните частици падат в центъра на земята, тогава свободните електрони падат от единия полюс на източника към другия.
Единицата за измерване на електрическото напрежение е физическа величина, наречена напрежение, нейната мерна единица е волт.
В електротехниката напрежението се обозначава с латинската буква U, а работата или енергията - с буквата A (в курса по електротехника работата и енергията са еквивалентни понятия). По този начин може да се напише следната формула:
И така, напрежението възниква, когато електроните се отстраняват от орбитите си в атоми. По този начин всеки вид енергия, която отнема електроните от техните атоми, може да се използва за генериране на напрежение. Но трябва ясно да разберем, че енергията никога не се формира сама. И просто настъпва преход на енергия от една форма в друга. Източникът на напрежение не е само източник на електрическа енергия. Това е и начин за превръщане на други видове енергия в електрическа форма.
Днес в електротехниката има шест вида източници на напрежение (IN):
- Източник на електрификация на триене
- Източник, изграден върху принципите на магнетизма
- Химически източник на напрежение
- Източник, който преобразува светлинната енергия в електрическа
- Източник на напрежение, преобразуващ топлинната енергия в електрическа
- Пиезоелектрични източници на напрежение
Източници на напрежение за електрификация на триене Генератор на Van de Graaff
Това по право е най-древният начин за производство на електричество. Още в древния свят, а може би дори по-рано, те са знаели, че ако вземете една абаносова пръчка и я разтриете върху козина, коприна или дори собствената си коса, тя ще бъде таксувана. Работи по същата физика Генератор на Ван де Грааф.
Генератор на Ван де Грааф може да генерира напрежение до милион волта.
Но практическо приложение това устройство не е намерило, освен в отделни научни проекти и в експерименти по физика.
Източници на напрежение, основани на принципите на магнетизма
Основният метод за получаване на чиста електрическа енергия се основава на явлението магнетизъм. Неговият принцип е, че ако проводник се премести в магнитно поле, тогава в неговите краища ще възникне електрически потенциал. Това напрежение ще се генерира през цялото време, когато проводникът се движи в магнитното поле. На този физически принцип работи специално устройство, наречено генератор.
Разграничете генераторите на пряко и променливо напрежение. Ако потокът от електрони постоянно тече в една посока, то токът, генериран от този поток, се нарича постоянен. Ако потокът от електрони периодично променя посоката си на движение, тогава в този случай той се нарича променлив. Генераторът на напрежение се задвижва от различни физически фактори, вятър, вода, дори нагрята пара.
Друг доста често срещан метод за получаване на електрическа енергия се счита за химичен, основан на различни химични реакции, протичащи в батерията. Типичната батерия се състои от два електрода, направени от различни метали (като мед и цинк) и вградени в електролит (специален химичен разтвор на киселина, алкал или сол). Електродите създават контакт между веригата и електролита. Поток от свободни електрони изтича от меден електрод и цинковият електрод приема освободените частици. Следователно медният електрод има положителен заряд, а цинкът, съответно, отрицателен. Няколко такива клетки, включени заедно, съставляват батерия.
Енергията от нашето осветително тяло също може да бъде превърната в електрическа енергия чрез потока светлина към фоточувствителния елемент. Днес в Германия до 35% от цялата необходима електрическа енергия се генерира по този начин. И мисля, че в недалечното бъдеще това ще бъде основният начин за получаване на електричество в света. Когато фоточувствителният елемент е осветен със светлина, започва процесът на избиване на електрони от орбитите им. По този начин, област от отрицателно заредени свободни електрони и положително заредени дупки се появява при различни електроди.
Този тип трансформация се извършва с помощта на специално електронно устройство, наречено термодвойка.
Термодвойката работи въз основа на термоелектричния ефект. Термодвойка е изградена от два различни метала, свързани заедно. В резултат на нагряването един метал (мед) започва да отделя голям брой свободни електрони, които отиват към друг метал, а желязото е отрицателно.
Обозначение на термодвойката в диаграмата
В краищата на такава термодвойка възниква малко ниво на напрежение, което е право пропорционално на количеството топлина. Термодвойките се използват широко в измервателната техника.
Някои кристални материали имат пиезоелектричен ефект. Например: бариев титанат, сол на Рошел, турмалин, кварц. Нейната същност е, че когато се появи натиск върху тези вещества, възниква незначителна потенциална разлика. При липса на налягане свободните носители се разпределят произволно в обема на кристала.
В случай на налягане електроните се концентрират само от едната страна, като по този начин генерират област с отрицателни положителни заряди. Потенциалът се отстранява с помощта на електроди и се появява само под физическо налягане. Това явление се нарича директен пиезоелектричен ефект. Пиезо ефектът е обратим. Директният пиезоелектричен ефект се използва в запалки, кристални микрофони и сензори.
Горивната клетка е електрохимично устройство, способно да преобразува химическата енергия на горивото в електричество, като елиминира допълнителни паразитни преобразувания (термични, механични и др.). Горивните клетки са много по-ефективни при традиционните методи за производство на електричество.
Горивните клетки са открити през 1839 г. от Уилям Гроув. В експерименти с водна електролиза, след като изключи батерията от електролитната баня, изобретателят забеляза, че електродите започват активно да абсорбират освободения преди това газ и да генерират електрически ток. Това стана основа за по-нататъшни изследвания в тази посока.
Горивната клетка е малко като конвенционалните галванични елементи по своя принцип на действие, но за разлика от тях, първоначалните химикали за реакцията постоянно се подават към горивните клетки. Следователно горивните клетки могат да работят много дълго време, докато има гориво и окислител.
Горивните клетки се състоят от електроди, катализатори, електролит, поточни канали за подаване на гориво и окислител, както и канали за отстраняване на отпадъчни вещества (вода, излишни газове и др.) И излишната топлина.
Материалът за електродите е специално обработен кобалт, никел, някои групи платинен метал и въглища. Тънък слой катализатор се нанася върху повърхността на електродите (елемент, който ускорява процеса на химични реакции), обикновено като катализатор се използва прах от родий, платина и др.
Самите електроди са направени под формата на порести пластини, между тях има електролит, а външните страни на електродите са направени под формата на канали, през които тече гориво с окислител и по които протича процесът на химичните реакции в горивна клетка.
Центърът на горивните клетки е протонообменна мембрана, която действа като електролит. Обикновено той е под формата на филм, направен от специален полимер, който съчетава хидрофобен скелет и странични фрагменти, които съдържат киселинни групи. Ако мембраната съдържа вода, тя ще се събира близо до киселинните групи, образувайки хидратационна област с размер около един нанометър. Именно в тази област ще се появят различни форми на протона, които ще могат да се движат свободно.
Химичните реакции протичат по следната схема: гориво - водородът навлиза в анода на горивната клетка, върху който атомите му се разлагат на протони и електрони (H2 = 2e- + 2H +), освободените свободни електрони влизат във външната електрическа верига, създавайки електрически ток, а протоните, следващи през електролита към катодната страна. На катода кислородните атоми и електроните, които идват от външната верига, образуват вода (4Н + + 4е- + О2 = 2Н2О).
Продуктите на отделяне след химическа реакция са водни пари и малко количество топлина. В този процес напрежението на една горивна клетка обикновено не надвишава 1,1 волта. За да се получи необходимото ниво на напрежение и ток, е желателно горивните клетки да се комбинират в батерии, като се използват свойствата на последователна и паралелна връзка. Такива горивни клетки, заедно с термични контролни и газоразпределителни устройства, са инсталирани в един блок, който се нарича - електрохимичен генератор.
Йонисторите, друго име за суперкондензатори или ултракондензатори, са електрически устройства, подобни на кондензатори, в които електрически заряд се натрупва между две плочи на интерфейса между две среди - електролит и електроди. Цялата енергия в суперкондензаторите се съхранява като статичен заряд. Натрупването на енергия се дължи на приложеното постоянно напрежение към външните му клеми. Може просто да се каже, че това са обикновени кондензатори, които за разлика от обикновените имат огромен капацитет.
За да увеличите нивото на стойностите на тока или напрежението или и двете, захранващите устройства (отделни клетки, батерии) могат да бъдат свързани заедно. В електротехниката се използват три вида свързване на батерии: последователно, паралелно и смесено свързване на клетки.