Когда говорят об использовании электрической энергии в быту, на производстве или транспорте, то имеют в виду работу электрического тока. Электрический ток подводят к потребителю от электростанции по проводам. Поэтому, когда в домах неожиданно гаснут электрические лампы или прекращается движение электропоездов, троллейбусов, говорят, что в проводах исчез ток.
Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени?
Слово «ток» означает движение или течение чего-то.
Что может перемещаться в проводах, соединяющих электростанцию с потребителями электрической энергии?
Мы уже знаем, что в телах имеются электроны, движением которых объясняются различные электрические явления (см. § 30). Электроны обладают отрицательным электрическим зарядом. Электрическими зарядами могут обладать и более крупные частицы вещества - ионы. Следовательно, в проводниках могут перемещаться различные заряженные частицы.
Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием этого поля заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в проводнике, придут в движение в направлении действия на них электрических сил. Возникнет электрический ток.
Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо всё это время поддерживать в нем электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создаётся и может длительное время поддерживаться источниками электрического тока .
Источники тока бывают различные, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделённые частицы накапливаются на полюсах источника тока. Так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно. Если полюсы источника соединить проводником, то под действием электрического поля свободные заряженные частицы в проводнике начнут двигаться в определённом направлении, возникнет электрический ток.
Рис. 44. Электрофорная машина
Рис. 45. Превращение внутренней энергии в электрическую
В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, внутренней или какой-нибудь другой энергии в электрическую. Так, например, в электрофорной машине (рис. 44) в электрическую энергию превращается механическая энергия. Можно осуществить и превращение внутренней энергии в электрическую. Если две проволоки, изготовленные из разных металлов, спаять, а затем нагреть место спая, то в проволоках возникнет электрический ток (рис. 45). Такой источник тока называется термоэлементом . В нём внутренняя энергия нагревателя превращается в электрическую энергию. При освещении некоторых веществ, например селена, оксида меди (I), кремния, наблюдается потеря отрицательного электрического заряда (рис. 46). Это явление называется фотоэффектом . На нём основано устройство и действие фотоэлементов . Термоэлементы и фотоэлементы изучают в курсе физики старших классов.
Рис. 46. Превращение энергии излучения в электрическую
Рассмотрим более подробно устройство и работу двух источников тока - гальванического элемента и аккумулятора , которые будем использовать в опытах по электричеству.
В гальваническом элементе (рис. 47, а) происходят химические реакции, и внутренняя энергия, выделяющаяся при этих реакциях, превращается в электрическую. Изображённый на рисунке 47, б элемент состоит из цинкового сосуда (корпуса) Ц. В корпус вставлен угольный стержень У, у которого имеется металлическая крышка М. Стержень помещён в смесь оксида марганца (IV) Мn0 2 и размельчённого углерода С. Пространство между цинковым корпусом и смесью оксида марганца с углеродом заполнено желеобразным раствором соли (хлорида аммония NH 4 CI) P.
Рис. 47. Гальванический элемент (батарейка)
В ходе химической реакции цинка Zn с хлоридом аммония NH4CI цинковый сосуд становится отрицательно заряженным.
Оксид марганца несёт положительный заряд, а вставленный в него угольный стержень используется для передачи положительного заряда.
Между заряженными угольным стержнем и цинковым сосудом, которые называются электродами , возникает электрическое поле. Если угольный стержень и цинковый сосуд соединить проводником, то по всей длине под действием электрического поля свободные электроны придут в упорядоченное движение. Возникнет электрический ток.
Гальванические элементы - самые распространённые в мире источники постоянного тока. Их достоинством является удобство и безопасность в использовании.
В быту часто применяют батарейки, которые можно подзаряжать многократно, - аккумуляторы (от лат. аккумуляторе - накоплять). Простейший аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин (электродов), помещённых в раствор серной кислоты.
Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Для зарядки через аккумулятор пропускают постоянный ток от какого-нибудь источника. В процессе зарядки в результате химических реакций один электрод становится положительно заряженным, а другой - отрицательно. Когда аккумулятор зарядится, его можно использовать как самостоятельный источник тока. Полюсы аккумуляторов обозначены знаками « + » и « - ». При зарядке положительный полюс аккумулятора соединяют с положительным полюсом источника тока, отрицательный - с отрицательным полюсом.
Кроме свинцовых, или кислотных, аккумуляторов широко применяют железоникелевые, или щелочные, аккумуляторы. В них используется раствор щёлочи и пластины - одна из спрессованного железного порошка, вторая - из пероксида никеля. На рисунке 48 изображён современный аккумулятор.
Рис. 48. Аккумулятор
Аккумуляторы имеют широкое и разнообразное применение. Они служат для питания сети освещения железнодорожных вагонов, автомобилей, для запуска автомобильного двигателя. Батареи аккумуляторов питают электроэнергией подводную лодку под водой. Радиопередатчики и научная аппаратура на искусственных спутниках Земли также получают электропитание от аккумуляторов, установленных на спутнике.
а - мобильного телефона; б - ноутбука
На электростанциях электрический ток получают с помощью генераторов (от лат. генератор - создатель, производитель). Этот электрический ток используется в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве.
Вопросы
- Что такое электрический ток?
- Что нужно создать в проводнике, чтобы в нём возник и существовал ток?
- Какие превращения энергии происходят внутри источника тока?
- Как устроен сухой гальванический элемент?
- Что является положительным и отрицательным полюсами батареи?
- Как устроен аккумулятор?
- Где применяются аккумуляторы?
Задание
- С помощью Интернета найдите, какие существуют типы зарядных устройств и выделите их особенности.
- Подготовьте презентацию о применении аккумуляторов.
Зарядные устройства – это оборудование для заряда аккумуляторных батарей от сети переменного тока. Каждая АКБ нуждается в периодической подзарядке, в частности, если это приборы бытового назначения или автомобильные аккумуляторы.
Виды ЗУ по сфере применения
Бытовые ЗУ
Это зарядные устройства для мобильных телефонов, ноутбуков, различных электроинструментов, гальванических элементов.
Этот тип ЗУ может быть, как встроенным в прибор, так и внешним. В бытовых электроприборах в основном используются литиевые аккумуляторы, для которых перезаряд или глубокий разряд может быть причиной сильного износа или поломки АКБ. Поэтому ЗУ такого типа обычно оснащаются контроллерами, которые регулируют силу тока и напряжение на выводах АКБ.
Последнее время популярность приобрели портативные зарядные Power Bank. Они предназначены для подзарядки мобильных телефонов, планшетов, фотоаппаратов и видеокамер. В условиях, когда нет возможности подзарядить АКБ гаджета от сети, эти ЗУ могут давать до 12 полных зарядок.
Промышленные зарядные устройства
Это устройства, оборудованные электроникой. Обычно устанавливаются в специализированных цехах зарядной станции. Особенность таких ЗУ в том, что они могут одновременно работать с несколькими АКБ в автоматическом режиме.
Автомобильные ЗУ
Зарядные устройства для автомобильных АКБ. Существует тип таких устройств, который позволяет запускать двигатель автомобиля при разряженном аккумуляторе. Такие устройства называются пуско-зарядными и могут выдавать большую силу тока, чем обычные ЗУ. Соответственно они их превосходят по весу и размерам.
Как происходит заряд аккумулятора
На клеммы подается более мощное напряжение зарядного устройства. Оно может быть постоянной или сглаженной, пульсирующей формы. Напряжение превышает разность потенциалов между катодом и анодом аккумулятора и направлено однополярно с ними.
Таким образом зарядное устройство меняет направление тока в аккумуляторе. Он начинает двигаться от положительного электрода к отрицательному. Окислительно-восстановительная реакция, которая и служит причиной появления заряженных электронов, действует в обратном направлении.
Методы заряда
Заряд постоянным током
Наиболее быстрый метод заряда, но в то же время быстрее изнашивает аккумулятор. Устройства такого типа обеспечивают постоянную силу тока. При этом сила тока не должна превышать десятую часть номинальной емкости аккумулятора. Чтобы обеспечить такую постоянную силу тока на одном уровне такие ЗУ оборудованы регуляторами.
Заряд постоянным напряжением
Этот метод зарядки занимает намного больше времени, чем предыдущий. Степень заряженности АКБ при применении этого метода зависит от величины заданного напряжения. В процессе заряда сила тока уменьшается, а напряжение на выводах аккумулятора приближается к напряжению ЗУ. Этим методом невозможно зарядить батареи полностью.
Смешанный тип заряда
Устройства с комбинированным методом заряда автоматически отключаются после того как АКБ будет полностью заряжен. Для автолюбителей это особенно удобно, поскольку за такими ЗУ не надо следить. Такие ЗУ используют пульсирующий или ассиметричный ток для зарядки. Это уменьшает сульфатацию пластин и продлевает срок работы батареи, а также увеличивает ее емкость.
Импульсные и трансформаторные ЗУ
В устройстве импульсных и трансформаторных ЗУ присутствует трансформатор. Основное различие в принципе его работы.
Обычные трансформаторные ЗУ – это устройства со сравнительно большой массой и габаритами. Трансформатор в таких устройствах дополнен диодным мостом для выпрямления электрического тока. Трансформаторные ЗУ в эксплуатации не такие удобные в отличии от импульсных. Также их КПД меньше, чем у импульсных, но тем не менее они достаточно эффективны. В автомобильной сфере импульсный вариант активно вытесняет трансформаторные приборы, но в промышленности трансформаторные ЗУ еще актуальны.
В импульсных ЗУ трансформатор обладает меньшими габаритами, что позволяет облегчить и уменьшить всю конструкцию. Они оборудованы автоматикой и множеством защитных механизмов. Входное переменное напряжение в таких устройствах преобразуется в постоянное с ограничением амплитуды пульсаций. Импульсное ЗУ при перенагрузке может сгореть, тогда как трансформаторное остается в строю. Импульсными устройствами для зарядки автомобильных АКБ намного проще пользоваться, устройство показывает правильно ли присоединены клеммы и т.д. Также такое ЗУ экономнее с точки зрения расходования электроэнергии и отличается своей меньшей ценой в сравнении с трансформаторными аналогами.
Многие современные приборы работают не от электрической сети, а от батареи, накапливающей энергию. По такому принципу устроены автомобили, мобильные телефоны, плееры и т. д. Для обслуживания техники используют разные типы зарядных устройств. Применять их можно в промышленных целях, а также для обслуживания домашних портативных приборов.
Основные виды
Существуют разные классификации зарядных устройств для аккумулятора. Все они основаны на различных параметрах и свойствах приборов. В зависимости от того, как они работают, выделяют 2 типа:
Кроме того, зарядные устройства принято подразделять по скорости работы. С учётом этого критерия различают следующие виды:
Импульсные устройства
Эти приспособления предназначены для заряда бытовой техники небольших габаритов. Они оснащены электронным таймером, который способен действовать в течение 4 часов в режиме быстрого заряда. За такой период практически любой разряженный аккумулятор набирает свою емкость.
По истечении этого времени приспособление переходит в режим импульсной зарядки. Энергия подается на выводные элементы прибора, чтобы поддерживать уровень заряда.
Преимущества таких моделей заключаются в следующем:
- Невысокая стоимость.
- Техническая простота.
- Удобство применения.
Обычно производители устанавливают таймер исходя из того, что аккумулятор разряжен полностью. Если же он был разряжен частично, тогда возникает риск получить повреждения батареи избыточным током. Эта особенность не распространяется на фирменные аккумуляторы мобильных телефонов, планшетов и другой цифровой техники, если только их не заряжают с помощью универсальных устройств.
Наиболее совершенными в своем ряду считаются виды зарядных устройств с микропроцессорами. Они не допускают перезарядки аккумуляторной батареи, поэтому могут применяться для работы с любыми приборами, даже если те разряжены не полностью, а частично. К недостаткам таких моделей относят очень высокую цену.
Крайне нежелательно заменять фирменное устройство от телефона или КПК на универсальное, так как у них могут иметься различия в строении электрических разъемов. При подключении к зарядке любого бытового прибора вначале включают в сеть самое зарядное устройство, а потом присоединяют к нему телефон или другой девайс.
Приспособления для автомобилей
Все устройства для зарядки автомобильных аккумуляторов принято делить на несколько групп. Исходя из существующей классификации, различают:
Выбирая зарядное устройство для автомобилей, следует учитывать некоторые особенности его эксплуатации. Если есть возможность, тогда лучше отдавать предпочтение зарядно-пусковому варианту. Имея под рукой такой девайс и электрическую розетку, всегда можно запустить автомобиль
, не дожидаясь полного заряда аккумулятора.
Покупая зарядное устройство, лучше выбирать модель, которая превосходит требования аккумулятора примерно на 10%. Для тех, кто не силен в электротехнике, больше подойдет автоматическая модель - она хоть и стоит немного больше, но поможет избежать лишних затруднений.
Покупать устройство лучше в проверенных магазинах, отдавая предпочтение надежным производителям. Перед началом эксплуатации прибора обязательно следует изучить инструкцию.
Зарядное устройство предназначено для зарядки никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металгидридных (NiMH) аккумуляторов типоразмера АА и ААА.Оно не пртендует на оригинальность или новизну. Схема зарядного устройства отличается простотой и надежностью. За время эксплуатации более 10 лет отказов в работе не было. В схеме нет каких-либо регулирующих элементов, зарядный ток устанавливается автоматически. Зарядное устройство позволяет заряжать, как один аккумулятор, так и батарею из нескольких аккумуляторов. При этом зарядный ток изменяется незначительно.
Особенность схемы является гальваническая связь с электрической сетью 220 В, что требует соблюдения мер электробезопасности. В качестве диодов D1 - D7 используются диоды КД 105 или им подобные. Светодиод D8 - АЛ307 или ему подобный, желаемого цвета свечения. Диоды D1 - D4 могут быть заменены на диодную сборку КЦ405А.Резистором R3 можно подобрать необходимую яркость свечения светодиода.
Конденсатор С1 задает необходимый зарядный ток. Емкость конденсатора рассчитывается по следующей эмпирической формуле:
В = (220 - Uедс) / J
где: C1 в мкФ; Uедс - напряжение на аккумуляторной батареи в В; J - необходимый зарядный ток в А.
Пример - необходимо расчитать емкость конденсатора для зарядки батареи из 8 никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 700 mAh. Зарядный ток (J) будет составлять 0.1 емкости аккумулятора - 0.07 А. Uедс 1.2 х 8 =9.6 В.Следовательно В = (220 - 9.6) / 0.07 = 3005.7.Далее А = 3005.7 - 200 = 2805.7.Емкость конденсатора составит С1 = 3128 / 2805.7 = 1.115 мкФ. Принимается ближайший по номиналу - 1мкФ. Рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 400 В.Конденсатор должен быть только бумажный, использование электролитических конденсаторов не допускается. Рассеиваемая мощность резистора R2 определяется величиной зарядного тока. Для зарядного тока 0.07 А она будет 0.98 Вт (P= JxJxR). Выбирается резистор с рассеиваемой мощность 2 Вт. Конденсатор может быть составлен из нескольких конденсаторов по параллельной, последовательной или смешанной схемам. Зарядное устройство не боится коротких замыканий. После сборки зарядного устройства можно проверить заряный ток, подключив вместо аккумуляторной батарей амперметр. Перед включением зарядного устройства в электрическую сеть необходими подключит к нему аккумуляторню батарею. Если аккумуляторная батарея подключена с нарушением полярности, то будет светиться светодиод D8 (до подключения зарядного устройства к электрической сети). При правильном подключении аккумуляторной батареи и подключении заряного устройства к электрической сети светодиод сигнализирует о прохождении зарядного тока через аккумуляторную батарею.
– единственное простое средство для восстановления его работоспособности. Конечно же, в случае его разрядки, а не окончательной поломки. Для решения второго случая предусмотрены специальные способы восстановления, о которых расскажем чуть ниже, после особенностей зарядных устройств (ЗУ).
Казалось бы, что зарядные устройства не обладают массой особенностей, однако это не так. Перед тем как их перечислять, разделим зарядные устройства на две категории: первая – любительские, вторая – профессиональные. К любительским относятся недорогие переносные ЗУ, которые предназначены для личного пользования. Соответственно, профессиональные ЗУ используется для комплексного обслуживания всех типов аккумуляторов, которые позволяют одновременно заряжать и восстанавливать несколько аккумуляторных батарей.
Итак, особенности любительских зарядных устройств следующие:
- 1)Автоматизация
- 2)Защита от переполюсовки
- 3)Возможность пуска двигателя автомобиля
- 4)Возможность десульфатации
- 5)Несколько режимов заряда
- 6)Малые габариты и вес
Автоматизация позволяет зарядить аккумулятор без осуществления контроля над процессом. Это очень облегчает задачу для людей, не очень разбирающихся в физике, так как изначально существовали только такие способы заряда, где необходимы познания в этой сфере. Защита от переполюсовки - тоже очень полезная особенность зарядного устройства. Она позволяет предотвратить порчу как микросхем ЗУ, так и аккумуляторной батареи. К слову, переполюсовка – это неправильное подключение проводов ЗУ к клеммам АКБ.
Пусковые зарядные устройства (или пуско-зарядные) созданы не только для заряда аккумулятора, но и для пуска автомобильного двигателя в экстренном случае. Такие ПЗУ очень полезны при частых поездках вне города.
Если зарядное устройство обладает функцией десульфатации , то оно способно восстановить аккумулятор, на пластинах которого образовался сульфат свинца, блокирующий электроны. При десульфатации происходит очистка пластин от этого сульфата и аккумулятор снова может функционировать.
Несколько режимов заряда АКБ дают возможность проводить заряд именно тем способом, которым Вы хотите – при постоянном напряжении, постоянным током или комбинированным. Малые габаритные размеры и вес обеспечивают устройству мобильность. Его можно легко перевозить в автомобиле или переносить в руках.
Профессиональные зарядные устройства обладают вышеперечисленными функциями, за исключением малых габаритных размеров и массы. Также такие ЗУ зачастую являются стационарными.