Джерела електроенергії

Реферат на тему:

Джерела електроенергії

ЕМП в будь-якій точці простору, де воно є, як було показано в п. 1.4, має певної величини потенціал. Між довільно взятими двома точками поля, очевидно, є різниця потенціалів, яка залежить від величини заряду в кожній із них. Згідно (1.14) і (1.16)

А_е=qφ,

. де А_д - робота, яку може виконати електричне поле припереміщенні заряду, Дж;

q - заряд, який може переміщуватися ся під дією сили поля, Кл;

φ- потенціал електричного поля відповідно в точці, де знаходиться заряд В.

В цілому зазначимо, що величина А_е по суті є енергетичною характеристикою електромагнітного поля, аналогом якої в механіці може бути потенціальна енергія гравітаційного поля. Згідно закону електромагнітного поля який носить назву теореми Гауса, якщо заряди, що "вибули" із точки поля у простір, поповнювати новими, то процес може тривати нескінченно довго і загальна його картина може бути або незмінною, або мінятися в залежності від закономірності поповнення зарядів, відтворюючи цю закономірність в певному масштабі.

Отже, якщо в будь-яких двох точках простору підтримувати різницю потенціалів і надати можливість електричним зарядам під її дією переміщуватися від одної точки до другої, то при цьому електромагнітним полем, що є причиною цієї різниці потенціалів, може виконуватись робота. Власне, якщо на шляху руху зарядів виникають перешкоди, ЕМП їх "долатиме" витрачаючи на це частину своєї енергії.

При опорі рухові зарядів, який поле не в стані "здолати", наприклад при розімкнутому колі, воно все одно має можливість, як, наприклад, підняте над Землею тіло, або стиснута пружина, зробити це. Цю можливість по переміщенню одиниці заряду оцінюють різницею потенціалів при розімкнутому колі, яку називають електрорушійною силою е, і загальною потужністю 5, яку при певних обставинах може розвинути джерела електроенергії. Ці характеристики разом із внутрішнім опором /-„, що визначає внутрішні втрати потужності, с головними параметрами джерела(генератора') електроенергії.

Якщо розглядати електричне поле як джерело підтримання різниці потенціалів у просторі при будь-яких можливостях переміщення (міграції) електричних зарядів у ньому, то для цього, очевидно, потрібно витрачати зовнішню енергію.

Пристрій, у якому підтримується різниця потенціалів між двома точками в просторі, як було зазначено вище, називають джерелом електроенергії, а елементи його, на яких ці точки знаходяться, називають клемами (затискачами).

Електричне поле, як було показано в розділі 1 даного посібника, створюється електричними зарядами або зміною в часі чи просторі магнітного поля. В будь-якому випадку точка в просторі, яка с джерелом електричного поля, представлена, наприклад, у вигляді абстрактного точкового або розподіленого по електропровідній поверхні заряду, також має потенціал. Отже різницю потенціалів на клемах джерела електроенергії найпростіше отримувати шляхом підтримування на його клемах протилежних за знаком зарядів наперед заданою в часі закономірністю.

Цього можна досягти способами:

- електромагнітної індукції (електромеханічні генератори);

- хімічним (гальванічні елементи, акумулятори);

- термоелектричним (термогенератори, термоелементи, термопари);

- світловим (фотоелектричні джерела енергії або фотоелементи);

- магнітогідродинамічним (МГД - генератори) та ін.

В схемах радіоелектроніки джерелом електроенергії виступають також пристрої, які перетворюють її параметри (підсилювачі, перетворювачі закону зміни струму, трансформатори тощо).

Джерела, які працюють на принципі електромагнітної індукції, є основними в забезпеченні потреб в електроенергії галузей матеріального виробництва та соціальної сфери. Принцип електромагнітної індукції позволяє отримувати генератори потужністю від десятків Ва до величини понад мільйон кВа (на атомних електростанціях).

Схема будови і принципу дії такого генератора полягає в наступному: в циліндричному тілі із феромагнітного матеріалу - статорі розташовані електропровідні контури. Вздовж геометричної осі шарнірно встановлено вал, на якому коаксіальне статору жорстко закріплено ротор генератора. Ротор має також циліндричну форму і виготовлений із феромагнітного матеріалу. В поздовжніх пазах ротора розташовано обмотку (котушку) збудження магнітного потоку. При обертанні ротора зовнішніми джерелами енергії, збуджена в ньому постійним струмом напруженість Н_р магнітного поля формує обертове магнітне поле в магнітопроводі із ротора та статора і згідно закону електромагнітної індукції наводить в них електрорушійну силу.

Сукупність споруд, обладнання і пристроїв, що забезпечують цей процес, разом із генератором називають електростанцією. В залежності від пилу енергії, яка використовується для приведення в рух ротора генератора, електростанції поділяються на гідравлічні, вітряні, теплові та атомні. Останні відрізняються від теплових тим, що отримання водяного пару під високим тиском здійснюється не за рахунок спалювання пального (вугілля, нафти, газу тощо), а за рахунок регульованої термоядерної реакції.

В системах радіотелефонного зв'язку, автономних системах живлення вимірювальних та радіоелектронних приладів застосовують хімічні джерела електроенергії - акумулятори. При цьому для накопичення (запасання) електричних зарядів на клемах в акумуляторах використовуються електрохімічна енергія.

Термоелектричні джерела електроенергії є малопотужними і застосовуються в системах радіоелектроніки як датчики температури, терморегулятори, тобто вироблена ними енергія використовується в якості сигналів широкого для управління в таких системах.

Аналогічно можна сказати про фотоелектричні джерела. Проте на космічних апаратах вони практично є єдиним відновлюваним джерелом електроенергії. Сучасні батареї фотоелементів супутникового призначення можуть розвивати потужність до 100 Вт з 1 м² кв. їх активної площі.

Основними характеристиками джерела електроенергії є: електрорушійна сила е, потужність Р_д і внутрішній опір r₀.

Електрорушійна сила - це різниця потенціалів на клемах джерела при відсутності струму, тобто при розімкнутому електричному колі.

Отже

де

A_е = (φ₁ - φ₂)q=eq

В формулі (5.10):

φ₁- потенціал поля в точці (на клемі) 1;

φ₂- потенціал поля в точці (на клемі) 2.

Якщо коло змінного струму має елементи L і С, то потужність складається із активної та реактивної енергії. В такому випадку її вимірюють, як було зазначено вище, у вольтамперах і позначають буквою S.

Отже потужність джерела електроенергії дорівнює добутку його е.p.c. на струм, викликаний цією е.p.c. Ця потужність, як було уже сказано, може складатись із активної Р, яка визначає швидкість перетворення енергії джерела в інші види та реактивної Q, яка циркулює в колі між L і С. Тоді

,

де S=ei - повна потужність джерела, вольтампер (ва);

P - активна потужність, ват (вт);

Q - реактивна потужність, вольтампер реактивний (вар).

Внутрішній опір визначається величиною витрат активної потужності в самому джерелі АРА. Якщо уявити, що клеми джерела електроенергії замкнуті провідником, опір якого дорівнює нулю (насправді такий режим роботи джерела є аварійним і називається "коротким замиканням") і виміряти величину струму короткого замикання, тоді

,

де і_кз - струм короткого замикання, А.

На практиці, щоб не створювати аварійного режиму при вимірюванні внутрішнього опору r₀ при досліді короткого замикання використовують режим зменшеної е.p.c., або обмеження підведеної напруги.

Згідно закону Джоуля-Ленца на підставі (5.12)

Е.р.с. джерела електроенергії може бути незмінною в часі е = Е = const і змінюватись по наперед визначеному закону е =f(t)

Джерело електроенергії, в якому можна прийняти r₀ = називають джерелом струму, а при r₀ = 0 - джерелом е.р.с., або джерелом напруги.