Źródła prądu elektrycznego

(1)

Źródła

prądu elektrycznego

Ryszard J. Barczyński, 2019

Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

(2)

Źródła prądu elektrycznego

Nośniki prądu elektrycznego płyną w tą stronę, w którą działa na nie siła - zgodnie z zasadą zachowania energii

By możliwy był ciągły przepływ prądu w obwodzie

muszą znajdować się elementy, które będą zwiększać potencjalną energię elektryczną nośników ładunku kosztem innych typów

energii (chemicznej, mechanicznej, cieplnej, świetlnej...) Takie elementy będziemy nazywać źródłami prądu

(3)

Źródła elektrochemiczne

(ogniwa)

Prostym przykładem ogniwa zamieniającego energię

wiązań chemicznych

na potencjalną energię elektryczną (czyli wytwarzającego napięcie)

jest ogniwo Volty.

Składa się ono z elektrod cynkowej (-)

i miedzianej (+) zanurzonych w kwasie siarkowym.

Alessandro Volta (1745-1827)

(4)

Ogniwo Volty

W czasie pracy ogniwa cynk przechodzi do roztworu,

a na elektrodzie miedzianej wydziela się wodór (jony wodorowe powstają z dysocjacji kwasu siarkowego H₂SO₄ -> 2H⁺ + SO₄^2-)

Zn

⁰

-2e

^-

-> Zn

²⁺

oraz 2H

⁺

+ 2e

^-

-> H

2

(5)

Stos Volty

W celu zwiększenia uzyskiwanego napięcia i dopuszczalnego natężenia

prądu ogniwa łączy się w baterie (niegdyś nazywane stosami).

(6)

Ogniwa

Napięcie ogniwa trochę zależy od rodzaju (i stężenia) elektrolitu,

ale decydujący jest rodzaj elektrod.

Możemy je odczytać z tak zwanego szeregu

elektrochemicznego.

(7)

Ogniwa

Obecnie jednym z częściej używanych jest ogniwo

Leclanche'go

(w wersji suchej)

Elektrodą dodatnią jest w nim pręt węglowy, a ujemną kubek cynkowy. Elektrolitem jest

chlorek amonu, a dwutlenek manganu zapobiega wydzielaniu się wodoru

na elektrodzie dodatniej.

(8)

Akumulatory

Akumulator to ogniwo, w którym reakcje elektrochemiczne

są odwracalne

anoda katoda

W trakcie ładowania reakcje biegną w stronę przeciwną

(9)

Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe wykorzystują reakcję utleniania

(najczęściej paliwa gazowego)

(10)

Termopary

Jeżeli połączymy dwa różne

przewodniki (A i B na rysunku)

i ich spojenia będziemy utrzymywać w różnej temperaturze,

to w obwodzie wystąpi siła

elektromotoryczna i popłynie prąd.

Zjawisko to (termoelektryczność) poznamy bliżej na fizyce ciała stałego. Termopary są używane zarówno do wytwarzania

siły elektromotorycznej, jaki i do pomiaru temperatury.

(11)

Siła elektromotoryczna

Przy poborze prądu elektrycznego napięcie ogniwa spada.

Efekt ten uwzględnia się wprowadzając

opór wewnętrzny ogniwa Rw i przy prądzie obciążenia I^O rzeczywiste napięcie wynosi

Siła elektromotoryczna (SEM)

e

jest napięciem ogniwa, z którego nie pobieramy żadnego prądu

(nie mamy wtedy spadku napięcia na oporności wewnętrznej).

U= - R_w I_O

(12)

Łączenie ogniw

By otrzymać większą siłę elektromotoryczną (SEM) łączymy ogniwa szeregowo. Opór wewnętrzny tak otrzymanej baterii

będzie równy sumie oporów wewnętrznych ogniw.

(13)

Łączenie ogniw

By otrzymać większy dopuszczalny prąd i pojemność, a mniejszy opór wewnętrzny łączymy ogniwa równolegle.

(14)

Łączenie ogniw

Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie by budować bardziej złożone układy ogniw.

(15)

Do przemyślenia

w długie szare wieczory

● Udowodnij, że ogniwo dostarcza do obciążenia największej mocy przy oporze obciążenia równym oporowi wewnętrznemu ogniwa

(inna sprawa, że część typów ogniw nie wytrzyma takiego obciążenia i ulegnie zniszczeniu...)

● Omówiliśmy krótko tylko niektóre źródła prądu elektrycznego.

Spotkałeś się z innymi?