Eine elektrische Stromquelle ist ein Gerät, mit dem in einem geschlossenen Stromkreis elektrischer Strom erzeugt wird. Gegenwärtig ist eine große Anzahl von Arten solcher Quellen erfunden worden. Jeder Typ wird für bestimmte Zwecke verwendet.
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Arten von elektrischen Stromquellen
Es gibt folgende Arten von Stromquellen:
- mechanisch;
- Thermal;
- hell;
- chemisch.
Mechanische Quellen
Diese Quellen wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um. Die Umwandlung erfolgt in speziellen Geräten - Generatoren. Die Hauptgeneratoren sind Turbogeneratoren, bei denen die elektrische Maschine durch einen Gas- oder Dampfstrom angetrieben wird, und Hydrogeneratoren, die die Energie von fallendem Wasser in Strom umwandeln. Der größte Teil des Stroms auf der Erde wird genau durch mechanische Konverter erzeugt.
Wärmequellen
Hier wird thermische Energie in Strom umgewandelt. Das Auftreten eines elektrischen Stroms ist auf den Temperaturunterschied zwischen zwei Paaren von sich berührenden Metallen oder Halbleitern - Thermoelementen - zurückzuführen. Dabei werden geladene Teilchen von einem beheizten Bereich in einen kalten übertragen. Die Größe des Stroms hängt direkt von der Temperaturdifferenz ab: Je größer diese Differenz ist, desto größer ist der elektrische Strom. Thermoelemente auf Halbleiterbasis liefern eine 1000-mal höhere thermoelektrische Leistung als Bimetallelemente, sodass Stromquellen daraus hergestellt werden können. Metall-Thermoelemente werden nur zur Temperaturmessung verwendet.
HINWEIS! Um ein Thermoelement zu erhalten, müssen Sie 2 verschiedene Metalle verbinden.
Derzeit wurden neue Elemente entwickelt, die auf der Umwandlung von Wärme basieren, die beim natürlichen Zerfall radioaktiver Isotope freigesetzt wird. Solche Elemente werden als thermoelektrischer Radioisotopengenerator bezeichnet. In Raumfahrzeugen hat sich ein Generator mit dem Isotop Plutonium-238 bewährt. Es gibt eine Leistung von 470 W bei einer Spannung von 30 V. Da die Halbwertszeit dieses Isotops 87,7 Jahre beträgt, ist die Lebensdauer des Generators sehr lang. Ein Bimetall-Thermoelement wird verwendet, um Wärme in Strom umzuwandeln.
Lichtquellen
Mit der Entwicklung der Halbleiterphysik Ende des 20. Jahrhunderts tauchten neue Stromquellen auf - Solarbatterien, in denen Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Sie nutzen die Eigenschaft von Halbleitern, Spannung zu erzeugen, wenn sie einem Lichtstrom ausgesetzt werden. Dieser Effekt ist besonders stark bei Siliziumhalbleitern. Der Wirkungsgrad solcher Elemente überschreitet jedoch 15% nicht.Sonnenkollektoren sind aus der Raumfahrtindustrie nicht mehr wegzudenken und werden zunehmend im Alltag eingesetzt. Der Preis für solche Netzteile sinkt ständig, bleibt aber recht hoch: etwa 100 Rubel pro 1 Watt Leistung.
Chemische Quellen
Alle chemischen Quellen können in 3 Gruppen eingeteilt werden:
- Galvanisch
- Batterien
- Thermal
Galvanische Zellen funktionieren auf der Grundlage der Wechselwirkung zweier unterschiedlicher Metalle, die in einem Elektrolyten angeordnet sind. Als Metallpaare und Elektrolyt können verschiedene chemische Elemente und ihre Verbindungen dienen. Die Art und Eigenschaften des Elements hängen davon ab.
WICHTIG! Galvanische Zellen werden nur einmal verwendet, d.h. Einmal entladen, können sie nicht wiederhergestellt werden.
Es gibt 3 Arten von galvanischen Quellen (oder Batterien):
- Salz;
- Alkalisch;
- Lithium.
Salz- oder anderweitig "trockene" Batterien verwenden einen pastenartigen Elektrolyten aus einem Metallsalz, das in einen Zinkbecher gegeben wird. Die Kathode ist ein Graphit-Mangan-Stab, der sich in der Mitte des Bechers befindet. Billige Materialien und die einfache Herstellung solcher Batterien machten sie zu den billigsten von allen. Aber in Bezug auf die Eigenschaften sind sie Alkali- und Lithium deutlich unterlegen.
Alkalibatterien verwenden als Elektrolyt eine pastöse Alkalilösung, Kaliumhydroxid. Die Zinkanode wurde durch Zinkpulver ersetzt, wodurch die Stromabgabe des Elements und die Betriebszeit erhöht werden konnten. Diese Elemente dienen 1,5-mal länger als Salz.
In einer Lithiumzelle besteht die Anode aus Lithium, einem Alkalimetall, was die Betriebsdauer stark verlängert. Gleichzeitig stieg der Preis jedoch aufgrund der relativ hohen Lithiumkosten. Außerdem kann eine Lithiumbatterie je nach Kathodenmaterial eine andere Spannung haben.Sie produzieren Batterien mit einer Spannung von 1,5 V bis 3,7 V.
Batterien sind elektrische Stromquellen, die vielen Lade-Entlade-Zyklen unterzogen werden können. Die wichtigsten Arten von Batterien sind:
- Bleisäure;
- Lithium-Ionen;
- Nickel-Cadmium.
Blei-Säure-Batterien bestehen aus Bleiplatten, die in eine Schwefelsäurelösung getaucht sind. Beim Schließen eines äußeren Stromkreises kommt es zu einer chemischen Reaktion, bei der Blei an Kathode und Anode zu Bleisulfat umgewandelt wird und außerdem Wasser entsteht. Beim Laden wird Bleisulfat an der Anode zu Blei und an der Kathode zu Bleidioxid reduziert.
HINWEIS! Ein Element einer Blei-Zink-Batterie erzeugt eine Spannung von 2 V. Wenn Sie die Elemente in Reihe schalten, können Sie eine beliebige Spannung erhalten, die ein Vielfaches von 2 ist. Beispielsweise beträgt die Spannung in Autobatterien 12 V, weil. 6 Elemente verbunden.
Der Lithium-Ionen-Akku erhielt seinen Namen dadurch, dass Lithium-Ionen im Elektrolyten als Stromträger dienen. Die Ionen entstehen an der Kathode, die aus Lithiumsalz auf einem Aluminiumfoliensubstrat besteht. Die Anode besteht aus verschiedenen Materialien: Graphit, Kobaltoxid und anderen Verbindungen auf einem Kupferfoliensubstrat.
Die Spannung kann je nach verwendeten Bauteilen zwischen 3 V und 4,2 V liegen. Aufgrund der geringen Selbstentladung und einer großen Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen haben sich Lithium-Ionen-Akkus in Haushaltsgeräten großer Beliebtheit erfreut.
WICHTIG! Lithium-Ionen-Akkus sind sehr empfindlich gegenüber Überladung.Um sie aufzuladen, müssen Sie daher Ladegeräte verwenden, die nur für sie entwickelt wurden und über eingebaute spezielle Schaltkreise verfügen, die ein Überladen verhindern. Andernfalls kann der Akku zerstört werden und sich entzünden.
Bei Nickel-Cadmium-Batterien besteht die Kathode aus Nickelsalz auf einem Stahlgitter, die Anode aus Cadmiumsalz auf einem Stahlgitter und der Elektrolyt ist eine Mischung aus Lithiumhydroxid und Kaliumhydroxid. Die Nennspannung einer solchen Batterie beträgt 1,37 V. Sie kann 100 bis 900 Lade-Entlade-Zyklen standhalten.
HINWEIS! Nickel-Cadmium-Akkus können im Gegensatz zu Lithium-Ionen im entladenen Zustand gelagert werden.
Thermochemische Elemente dienen als Notstromquellen. Sie bieten hervorragende Eigenschaften in Bezug auf die spezifische Stromdichte, haben jedoch eine kurze Lebensdauer (bis zu 1 Stunde). Sie werden hauptsächlich in der Raketentechnik eingesetzt, wo es auf Zuverlässigkeit und Kurzzeitbetrieb ankommt.
WICHTIG! Zunächst können thermische chemische Quellen keinen elektrischen Strom erzeugen. In ihnen ist der Elektrolyt in festem Zustand enthalten, und um die Batterie in den Betriebszustand zu versetzen, ist eine Erwärmung auf 500-600 ° C erforderlich. Diese Erwärmung erfolgt durch eine spezielle pyrotechnische Mischung, die zum richtigen Zeitpunkt zündet.
Der Unterschied zwischen einer realen und einer idealen Quelle
Eine ideale Quelle muss nach den Gesetzen der Physik einen unendlichen Innenwiderstand haben, um einen konstanten elektrischen Strom in der Last zu gewährleisten. Reale Quellen haben einen endlichen Innenwiderstand, wodurch der Strom sowohl von der äußeren Last als auch vom Innenwiderstand abhängt.
Hier ein kurzer Überblick über die Vielfalt moderner Stromquellen. Wie aus der Überprüfung hervorgeht, wurde bis heute eine beeindruckende Anzahl von Quellen mit Eigenschaften erstellt, die für jede Anwendung geeignet sind.
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