ИСТОЧНИКИ ТОКА, устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую энергию. По виду преобразуемой энергии источники тока условно разделяют на химические и физические. Первые сведения о химических источниках тока (гальванических элементах и аккумуляторах) относятся к 19 веку (например, вольтов столб, 1800; элемент Даниеля - Якоби, 1836; свинцовый аккумулятор, 1859). До 1940-х годов в мире разработано и реализовано на практике лишь несколько типов гальванических элементов и аккумуляторов; в дальнейшем в связи с развитием радиоэлектроники и широким использованием автономных источников электропитания их производство непрерывно расширялось. Переносные осветительные приборы, магнитофоны и радиоприёмники, телевизоры и переносная медицинская аппаратура, транспортные средства, летательные и космические аппараты и многое другое оснащены малогабаритными источниками тока. Первый электромашинный генератор постоянного тока создан Б. С. Якоби в 1842 году. С 1920-х годов в качестве промышленных источников электроэнергии стали применяться турбогенераторы и гидрогенераторы. Физические источники тока, основанные на других принципах (термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, солнечные батареи и т. д.), разработаны и получили развитие во 2-й половине 20 века, что обусловлено возросшими требованиями современной техники.

К важнейшим характеристикам источников тока относятся: кпд, энергоёмкость (или удельная энергоёмкость), мощность (или удельная мощность, отнесённая к единице массы, объёма), срок службы, качество генерируемой электроэнергии (частота, напряжение, способность к перегрузкам, стоимость, надёжность).

Химические источники тока вырабатывают электрический ток за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций. В соответствии с эксплуатационной схемой и способностью отдавать энергию в электрическую сеть химические источники тока подразделяются на первичные, вторичные и топливные элементы; отдельную группу составляют резервные источники тока. Первичные источники тока (гальванические элементы и батареи) предполагают, как правило, однократное использование энергии химических реагентов, после израсходования которых (после разряда) становятся неработоспособными. В таких источниках тока положительные и отрицательные электроды, разделённые электролитом, электрически связаны (гальваническая связь) в течение всего срока службы источника тока. Вторичные источники тока (электрические аккумуляторы и аккумуляторные батареи) допускают многократное использование энергии составляющих химических реагентов; после разряда их можно вновь зарядить, создавая ток от внешнего источника в обратном направлении. Электроды и электролит весь срок службы аккумуляторов находятся в электрическом контакте друг с другом. Для увеличения ресурса аккумуляторов разработаны способы сухозаряженного хранения аккумуляторов; такие аккумуляторы перед включением предварительно заливают электролитом. Топливные элементы (электрохимические генераторы) способны длительное время непрерывно генерировать электрический ток благодаря постоянному подводу к электродам новых порций реагентов извне и отводу продуктов реакции. Наиболее перспективны генераторы, непосредственно преобразующие энергию природного топлива в электрическую.

Резервные источники тока допускают только однократное использование энергии химических реагентов, но, в отличие от гальванических элементов, реагенты и электролит в них приводятся в соприкосновение (активируются) непосредственно перед началом разряда. Электролит в таких источниках тока хранится в отдельном сосуде и заливается непосредственно перед включением нагрузки или находится в твёрдом состоянии, а перед включением нагрузки расплавляется. Резервные источники тока применяются главным образом для питания электрической аппаратуры, которая длительное время находится в резервном (неработающем) состоянии; срок хранения составляет до 15 лет и более. Смотри также Химические источники тока.

Физические источники тока преобразуют тепловую, механическую, электромагнитную энергию, а также энергию радиационного излучения и ядерного распада в электрическую. В соответствии с наиболее часто употребляемой классификацией к физическим источникам тока относят: электромашинные и термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, магнитогидродинамические (МГД) генераторы, а также генераторы, преобразующие энергию солнечного излучения и атомного распада.

Электромашинные генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую, - наиболее распространённый вид источников электрической энергии, основа современной энергетики. Они могут быть классифицированы по мощности (от долей Вт до единиц ГВт), по назначению и особенностям эксплуатации (стационарные, транспортные, резервные и др.), по роду первичного двигателя (например, турбо- и гидрогенераторы), по рабочему телу (пар, вода, газ) и т.д. Благодаря длительному периоду конструктивного и технологического совершенствования характеристики этого типа источников тока достигли значений, близких к предельным.

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) служит для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую; действие основано на использовании Зеебека эффекта. Наиболее эффективны ТЭГ на основе ПП термоэлементов; их мощность составляет до нескольких сотен кВт, кпд до 20%. К основным преимуществам ТЭГ по сравнению с электромашинными преобразователями относятся отсутствие движущихся частей, высокая надёжность, большой срок службы (до 25 лет), способность работать в широком интервале температур; к недостаткам - низкий кпд и сравнительно высокая стоимость. Области применения ТЭГ - автономные источники питания (на транспорте, в технике связи, космической технике), антикоррозионная защита (на магистральных трубопроводах) и др.

Работа термоэмиссионного преобразователя энергии (ТЭП) основана на явлении испускания электронов поверхностью нагретого металла (смотри Термоэлектронная эмиссия). Сила тока в ТЭП ограничена силой тока эмиссии катода; кпд существенно зависит от температуры нагрева электродов и достигает 30% (при температуре катода свыше 3000 К), удельная электрическая мощность (в расчёте на 1 см 2 поверхности катода) не превышает десятков Вт. ТЭП не получили промышленного применения (главным образом из-за низких экономических показателей); наиболее перспективно их использование в малогабаритных электрических устройствах небольшой мощности.

С 1990-х годов всё большее распространение получают фотоэлектрические генераторы, непосредственно преобразующие энергию солнечной радиации в электрическую (смотри Солнечная батарея); действие основано на использовании внутреннего фотоэффекта. Электрический ток в них возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементе при попадании на него светового излучения. Наиболее эффективны солнечные батареи, работающие на кремниевой основе; их мощность до 10 кВт, кпд 10-20%; срок службы практически не ограничен. Такие источники тока применяются главным образом на КА, автоматических метеостанциях, а также для снабжения электроэнергией удалённых от линии электропередачи районов с большим числом солнечных дней в году.

Магнитогидродинамический генератор преобразует энергию электропроводящей среды (например, низкотемпературной плазмы), движущейся в магнитном поле, в электрическую энергию. Кпд таких источников тока составляет до 40% при мощности около 500 МВт в одном агрегате. Для промышленной энергетики наиболее перспективно создание плазменных МГД-генераторов, использующих природное органическое топливо (газ, уголь). К началу 2000-х годов в России, США, Японии и других странах разработаны и находятся в опытно-промышленной эксплуатации ряд МГД-установок электрической мощностью до нескольких десятков МВт.

Ядерная батарея преобразует энергию, выделяющуюся при распаде ядер радиоактивных элементов, в электрическую. Мощность ядерных батарей обычно не превышает нескольких сотен Вт, напряжение до 20 кВ, срок службы до 25 лет. Область возможного применения - источники электроэнергии, например, на КА, в измерительных приборах, в медицинской электронной аппаратуре.

Лит. смотри при статьях с описанием конкретных типов источников тока.

Источник тока - это просто!

Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника и создают между ними электрическое поле.
Если полюса источника соединить проводами, то по ним пойдет электрический ток.

Существуют различные виды источников тока:

Механический источник тока

Механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

К ним относятся: электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях.

В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака), динамо-машина, генераторы.

Тепловой источник тока

Внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

Например, термоэлемент - две проволоки из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть место спая, тогда между другими концами этих проволок появится напряжение.
Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.

Световой источник тока

Энергия света преобразуется в электрическую энергию.

Например, фотоэлемент - при освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.
Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.

Химический источник тока

В результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

Гальванический элемент - в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполнен-ный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря.
При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень - положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд - отрицательным электродом.
В гальваническом элементе электроды должны обязательно по-разному взаимодействовать с раствором. Поэтому электроды делают из разных материалов.

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Что значит батарейка разрядилась?

Это значит, что электроды или раствор в гальваническом элементе уже израсходованы. Гальванический элемент (батарейку) следует заменить новым.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.

Аккумуляторы

Аккумуляторы - это химические источники тока, в которых электроды не расходуются.
Например, простейший аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в раствор серной кислоты.

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить, т.е. соединить полюсы аккумулятора с аналогичными полюсами какого-нибудь источника тока. При зарядке химическая энергия аккумулятора увеличивается.

После использования разрядившийся аккумулятор можно заряжать снова. Разряжаясь аккумулятор превращает химическую энергию в электрическую.

Аккумуляторы бывают кислотные и щелочные.
Из отдельных аккумуляторов можно собрать аккумуляторные батареи.
Аккумуляторы применяют тогда, когда источник тока выгоднее перезаряжать, чем заменять новым.
Например, в космосе аккумуляторы заряжают от солнечных батарей. Разряжаясь, они питают аппаратуру космического корабля.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Условное обозначение источника тока на электрической схеме

или батареи, состоящей из нескольких источников

КНИЖНАЯ ПОЛКА

ИЗ ИСТОРИИ ИЗОБРЕТЕНИЙ

Луиджи Гальвани (1737-1798) - один из основоположников учения об электричестве, его опыты с «животным» электричеством положили начало новому научному направлению - электрофизиологии. В результате опытов с лягушками Гальвани предположил существование электричества внутри живых организмов

Курьёзы в науке.

Простудившаяся жена профессора анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани требовала заботы и внимания. Врачи прописали ей "укрепительный бульон" из лягушечьих лапок. Приготовляя лягушек для бульона, Гальвани и открыл знаменитое "живое электричество" - электрический ток.

Лейденская банка - первый источник тока.

К середине XVIII в. в Голландии, в Лейденском университете, ученые под руководством Питера ван Мушенбрука нашли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электричества была лейденская банка - стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри оклеены свинцовой фольгой. Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества.Разряд лейденской банки имел достаточную мощность. Если ее обкладки соединяли отрезком толстой проволоки, то в месте замыкания проскакивала сильная искра, и накопленный электрический заряд мгновенно исчезал. Так стало возможным получить кратковременный электрический ток. Затем банку надо было снова заряжать. Сейчас подобные приборы мы называем электрическими конденсаторами.

Это открытие произвело огромное впечатление на всех людей, даже совершенно далеких от науки. Каждый хотел испытать электрический разряд на себе и увидеть его действие на других. Изобретатели лейденской банки Клейст и Мушенбрек первыми испытали удары зарядов: первый из них после испытания не захотел повторить ощущение даже за персидский престол, второй согласился страдать ради науки.
За лейденские банки взялись и медики. В 1744 году Кратценштейн из Галле разрядом излечил паралич пальца, потом Жильбер вдохнул жизнь в руку столяра, онемевшую от удара молотка. Публика стонала от ожиданий, все хотели бессмертия.

Изобретение гальванического элемента.

Первая электрическая батарея появилась в 1799 году.
Её изобрел итальянский физик Алессандро Вольта (1745 - 1827) - итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока.

Как-то раз он взял в руки трактат физиолога Луиджи Гальвани «Об электрических силах в мускуле» и понял, что лапка лягушки начинала дергаться только тогда, когда к ней прикасались двумя разными металлами. Гальвани не заметил этого! Вольта решает поставить опыт Гальвани на себе: он взял две монеты из разных металлов и положил их в рот - сверху, на язык, и под его. Потом соединил монеты тонкой проволокой и ощутил вкус подсоленной воды.
Вольта отлично знал – это вкус электричества, и рожден он был металлами.
Так устроен простейший элемент Вольта:

Первый источник тока Вольта–«вольтов столб» был построен в точном соответствии с его теорией «металлического» электричества. Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой.

Вольта был и первым испытателем своего прибора. Ученый опускал руку в чашу с водой, к которой подсоединял один из контактов «столба», а к другому контакту прикреплял проволоку, свободным концом которой он прикасался ко лбу, к носу, к веку. Он чувствовал или укол, или резкий удар - и все это аккуратно записывал. Иногда боль становилась невыносимой - и тогда Вольта размыкал свою цепь. Он понял, что его «столб» - это источник постоянного тока.
В 1800 году в журнале Лондонского королевского общества появилось письмо Вольты с описанием «вольтова столб». Так была изобретена первая в мире электрическая батарея. Хотя силы Вольтова столба хватило бы только на то, чтоб зажечь всего лишь одну слабую лампу.

А известный русский ученый Петров в 1802 г. изготовил огромную батарею. Она состояла из 4200 медных и цинковых кружков, между каждой парой которых прокладывали картонные кружочки, пропитанные раствором нашатыря. Эта батарея представляла собой 2100 медно-цинковых гальванических элементов, соединенных последовательно. Напряжение на ее зажимах составлялоколо 1650-1700 В.
Это был первый в истории источник постоянного тока сравнительно высокого напряжения.

СДЕЛАЙ САМ

Термоэлемент из электролампы

Если взять электрическую лампу без стеклянного баллона, ввернуть ее в патрон, укрепленный на подставке и соединить с гальванометром, то при нагревании горящей спичкой места соединения спирали с проволочкой гальванометр покажет наличие тока.

Лейденская банка

Лейденскую банку (или конденсатор) легко сделать самому. Для этого нужна стеклянная банка.
Стенки банки с внешней стороны и внутренней стороны надо на 2/3 оклеить фольгой (без складок!). Затем взять полиэтиленовую крышку и вставить в середину ее металлический стержень. На верхний конец стержня насадить металлический (или из любого другого материала, но оклеенный фольгой) шарик. Из фольги сделать кисточку и укрепить ее на нижнем конце стержня так, чтобы она при закрытой крышке касалась дна. Закрыть банку крышкой - и прибор готов!
Чтобы зарядить банку, прикоснитесь к шарику, например, наэлектризованной пластмассовой расческой. Чтобы увеличить заряд, проделайте это несколько раз, заново наэлектризовывая расческу.

Культуры некоторых организмов способны вырабатывать электрический ток. Если опустить в жидкую культуру кишечной палочки или обычных дрожжей платиновый электрод, а другой - в такую же питательную среду, но без микробов, то возникает разность потенциалов

"ОЖИВЛЯЕМ" БАТАРЕЙКУ!

Не спешите выбрасывать старую батарейку, а попробуйте ее "оживить".
В марганцево-цинковых элементах со временем из диоксида марганца образуется гидроксид марганца, который постепенно покрывает оксид и мешает протеканию химической реакции. Проще всего постучать по батарейке, например, камнем (при сотрясении разрушается образовавшийся поверхностный слой гидроксида).

Или же можно пробить в цинковом стаканчике батарейки отверстие, например, гвоздем и опустить батарейку в воду. Электролит разжижается, и ему легче проникнуть к диоксиду марганца. Таким способом можно увеличить срок службы батарейки почти на треть.

САМОДЕЛЬНЫЕ БАТАРЕЙКИ

Вкусная батарейка

А можно убедиться в этом и без вольтметра: прикоснитесь языком одновременно до меди и цинка – язык защиплет!

А можно составить большую батарею, включив элементы последовательно.
Вкусненько, не правда ли?!

Содовая батарейка

Надо развести питьевую соду до густоты сметаны, и выложить чайной ложкой на блюдце. На один край содового комка положить медную монету, а на другой конец – кусочек оцинкованного железа. Вы получили гальванический элемент, который дает напряжение около 1В. Его можно измерить с помощью вольтметра, дотронувшись проводами, идущими от вольтметра, одновременно до меди и цинка. Можно составить последовательную цепь из нескольких подобных элементов, напряжение на выходе батареи увеличится!

Солёная батарейка

Возьми по пять «желтых» и «белых» монет. Разложи их, чередуя между собой. Проложи между ними прокладки из промокашки или газеты, смоченной в крепком растворе поваренной соли. Поставь все это столбиком и сожми. Батарейка готова! Подсоедини вольтметр к первой «желтой» и последней «белой монете. Есть напряжение! А если взять этот столбик из монет большим и указательным пальцами, то можно ощутить легкий удар током!

Не забудь сначала очистить все металлические детали от жира, очень хорошо это получается с помощью порошка «Пемоксоль» (для чистки посуды)!

"СУХОЙ" или "МОКРЫЙ"?

Действительно ли, так называемый, «сухой элемент» является сухим?
Отнюдь, полость элемента между электродами заполнена веществом в пастообразном состоянии, и чтобы оно не вытекало, и электроды не смещались, элемент сверху заливают смолой.

Угольно-цинковые гальванические являются самыми распространенными сухими элементами питания. В них электролит находится в пастообразном состоянии.
Угольно-цинковые элементы могут "восстанавливаются" в течение перерыва в работе,
и в результате периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается.

НУ и НУ

В далеких деревнях, на хуторах, где нет электричества, можно встретить интересную керосиновую лампу - "электростанцию": она не только светит, но и вырабатывает электрическую энергию. Устройство ее довольно простое. Брусочки из двух различных полупроводниковых материалов смонтированы в виде трубки, которую надевают на укороченное ламповое стекло. Каждая пара различных брусочков спаяна металлической пластинкой, образуя букву П. Когда лампа зажжена, . места спаек нагреваются, стороны брусочков, обращенные внутрь трубки, разогреваются воздухом, поднимающимся от пламени. Противоположные грани остаются холодными. В результате на холодном конце одного брусочка накапливается положительный заряд, а на холодной грани другого брусочка – отрицательный. Соединив грани соответствующих пар проволокой, получим термоэлектрогенератор.
Пока в наше время такие устройства не находят промышленного использования, т.к. коэффициент полезного действия такой термопары низкий - всего 6-8%. Это в несколько раз меньше, чем к. п. д. современных тепловых электростанций.

Ветряная ферма в Альтамонт Пэсс (Калифорния) состоит из 300 ветряных турбин. Чтобы производить столько же электричества, сколько производит атомная электростанция, ветряная ферма должна занимать площадь примерно в 140 квадратных миль.

ПОПРОБУЙ РАСКУСИ

(или задачки "на 5")

1. Как изменится действие элемента Вольта, если его медный электрод заменить цинковым или цинковый заменить вторым медным?

2. Если алюминиевый чайник, в который налит раствор поваренной соли, присоединен
медным проводом к одной клемме гальванометра, а ко второй клемме присоединен железный стакан, то что произойдет при переливании жидкости из чайника в стакан?

В данной статье будут описаны методы получения электрического тока, их виды, преимущества и недостатки. В общих чертах источники тока можно разделить на механические, химические и использующие другие физические преобразования.

Химические источники тока

Химические источники тока преобразуют химические реакции окислителя и восстановителя в ЭДС. Впервые химический источник тока изобрел Алессандро Вольта в 1800 году. Впоследствии его изобретение назвали "Элемент Вольта". Элементы вольта, соединенные в вертикальную батарею составляют Вольтов столб.

В 1859 году французским физиком Гстоном Плантэ был изобретен свинцово-кислотный аккумулятор. Он состоял из свинцовых пластин, помещенных в серную кислоту. Данный тип аккумуляторов до сих пор широко применяется, например в автомобилях.

В 1965 году французский химик Ж. Лекланше предложил элемент, состоящий из цинкового стаканчика с раствором хлористого аммония, в который был помешен агломерат оксида марганца с угольным токоотводом. Этот элемент стал прародителем современных солевых батареек.

Все химические элементы имеют в основе 2 электрода. Один из них является окислителем, а другой- восстановителем, оба контактируют с электролитом. Между электродами возникает ЭДС. На аноде восстановитель окисляется, электроны, пройдя по внешней цепи к катоду, и участвуют в реакции восстановления окислителя. Таким образом поток электронов проходит по внешней цепи от отрицательного полюса, к положительному. В качестве восстановителя используются свинец. кадмий, цинк и другие металлы. Окислители- оксид свинца, оксид марганца, гидроксид никеля и другие. В качестве электролита- растворы щелочей, кислот и солей.

Существуют так-же топливные элементы, в которых окислитель и восстановитель подаются извне. Примером может послужить водородно-кислородный топливный элемент, который работает по тому-же принципу что и электролизер, только наоборот- на обкладки подаются водород и кислород, и вырабатывается электроэнергия при реакции их соединения в воду.

Механические источники тока

К механическим источникам тока относятся все источники преобразующие механическую энергию в электрическую. Обычно используются не прямые преобразования, а посредством другой энергии, обычно магнитной. Так например в генераторах вращается магнитное поле- созданное магнитами, или возбужденное иначе, воздействуя на обмотки оно создает ЭДС.

Э.Х. Ленц еще в 1833г обнаружил, что электродвигатели с постоянными магнитами могут вырабатывать электроэнергию, если раскрутить ротор. В составе комиссии по тестированию электрического мотора Якоби, он опытным путем доказал обратимость электродвигателя. Позже было выяснено, что вырабатываемую генератором энергию можно использовать для питания собственных электромагнитов.

Первый генератор был построен в 1832г изобретателями из Парижа- братьями Пиксин. Генератор использовал постоянный магнит, при вращении которого в обмотках расположенных рядом образовывалась ЭДС. В 1843г Эмиль Штерер так-же построил генератор, состоящий из 3х магнитов и 6 катушек. Все первые генераторы использовали постоянные магниты. В дальнейшем (1851-1867гг) применялись электромагниты, питающиеся встроенным генератором на постоянных магнитах. Такую машину создал Генри Уальд в 1863г.

Так-же к механическим можно отнести не используемый, но все-же существующий метод, использующий пьезокерамику. Пьезоизлучатель так-же обратим, и может вырабатывать энергию при механическом воздействии.

Прочие источники тока

Самым используемым сейчас не механическим источником тока является солнечная батарея. Солнечная батарея производит прямое преобразование света в электроэнергию, путем выбивания электронов в pn переходе энергией фотона. Чаще всего используются фотоэлементы на основе кремния. Производят их путем легирования одного и того-же полупроводника различными примесями, для создания np переходов.

Так-же в походных условиях часто используются элементы Пельтье. Элемент Пельтье создает разность температур при протекании электрического тока. Обратный эффект- эффект Зеебека, используется для получения электрического тока при приложении к элементу разности температур. За счет применения различных проводников, температура каждого отличается, что приводит к перетеканию электронов от более горячего проводника, к менее нагретому.

Предисловие.

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. Электричес-ким током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в провод-нике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электричес-кий ток в проводнике существовал длительное время, необходи-мо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Элек-трическое поле в проводниках создается и может длительное вре-мя поддерживаться источниками электрического тока . В настоя-щее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводнико-вый(солнечные батареи), но во всяком из них совершается рабо-та по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источни-ка тока, - так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно. Если полюсы соединить проводником, то под действием поля свободные заря-женные частицы в проводнике будут двигаться, возникнет элек­трический ток.

Электрический ток.

Источники электрического тока.

До 1650 года - времени, когда в Европе пробудился боль-шой интерес к электричеству, - не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать создания все более простых и эффективных способов получения электрических зарядов.

Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло, не догадываясь о том, что сам стеклянный шар с неменьшим успехом мог бы пос-лужить его целям. Затем Герике укрепил серный шар так, как показано на рис.1, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда надо было одной рукой вращать шар, а другой - прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало потен-циал шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров.

Эта машина оказала боль-

шую помощь в эксперименталь-

ном изучении электричества, но

еще более трудные задачи «хра-

нения» и «запасания» электри-

ческих зарядов удалось решить

лишь благодаря последующему

прогрессу физики. Дело в том, что мощные заряды, которые

можно было создавать на телах с помощью электростатической

машины Герике, быстро исчезали. Вначале думали, что причиной этого является «испарение» зарядов. Для предотвращения

«испарения» зарядов было предложено заключить заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные из изолирующего материала. Естественно, в качестве таких сосудов были выбраны стеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала - вода, поскольку ее было легко наливать в бутылки. Чтобы можно было зарядить воду, не открывая бутылку, сквозь пробку был пропущен гвоздь. Замысел был хорош, но по причинам, в то время непонятным, прибор работал не столь уж удачно. В результате интенсивных экспериментов вскоре же было открыто, что запа­сенный заряд и тем самым силу электрического удара можно резко увеличить, если бутылку изнутри и снаружи покрыть проводящим материалом, например тонкими листами фольги. Более того, если соединить гвоздь с помощью хорошего про­водника со слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно вообще обойтись без воды. Это новое «хранилище» электричества было изобретено в 1745 году в голландском го­роде Лейдене и получило название лейденской банки (рис.2).

Первый кто от­крыл иную возможность полу-чения электричества, не-жели с помощью элек­три-зации трением, был италь-янский ученый Луиджи Гальвани (1737-1798). Он был по специальности биолог, но ра­ботал в лаборатории, где прово-дились опыты с электричеством. Галь­вани нблю-дал явление, которое было известно многим еще до него; оно заключалось в том, что если ножной нерв мертвой лягушки возбудить искрой от электрической машины, то начинала сокращаться вся лапка. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с нервом лапки соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электрической машиной и скаль-пелем не было никакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения при-чины электрического тока. Один из экспериментов был поставлен Гальвани с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он нашел, в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось не нужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. Таким образом, возникновение тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток - только в тканях тела лягушки, только разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел к заключению, что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричества какого-либо другого происхождения.

Другой итальянский ученый Алессандро Вольта(1745-1827) окончательно доказал, что если поместить лягушачьи лапки в водные растворы некоторых веществ, то в тканях лягушки гальванический ток не возникает. В частности, это имело место для ключевой или вообще чистой воды; этот ток появляется при добавлении к воде кислот, солей или щелочей. По-видимому, наибольший ток возникал в комбинации меди и цинка, помещенных в разбавленный раствор серной кислоты. Комбинация двух пластин из разнородных металлов, погруженных в водный раствор щелочи, кислоты или соли, называется гальваническим (или химическим) элементом.

Если бы средствами для получения электродвижущей силы служили только трение и химические процессы в гальванических элементах, то стоимость электрической энергии, необходимой для работы различных машин, была бы исключительно высокой. В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины, вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.

В начале 19 века Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле. Спустя несколько лет, в 1831 году, Фарадей сделал ещё одно открытие, равное по своей значимости открытию Эрстеда. Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике наводится электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Наведённая ЭДС меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведённая ЭДС прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Когда проводник пересекает 100000000 силовых линий за 1 сек, наведённая ЭДС равна 1 Вольту. Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока, и активно используется человечеством в настоящее время.
Солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 г. до н. э. с помощью концентрированных солнечных лучей они зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса кораблей римского флота.

Солнце представляет собой удалённый от Земли на расстояние 149,6 млн км термоядерный реактор, излучающий энергию, которая поступает на Землю главным образом в виде электромагнитного излучения. Наибольшая часть энергии излучения Солнца сосредоточена в видимой и инфракрасной части спектра. Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5 % всей падающей на землю солнечной энергии, т.е. 1,62 *10 16 киловатт\часов в год, что эквивалентно огромному количеству условного топлива - 2 *10 12 т.

Усилия конструкторов идут по пути использования фотоэлементов для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотопреобразователи, называемые также солнечными батареями, состоят из ряда фотоэлементов, соединенных последовательно или параллельно. Если преобразователь должен заряжать аккумулятор, питающий, например, радиоустройство в облачное время, то его подключают параллельно к выводам солнечной батареи (рис. 3). Элементы применяемые в солнечных батареях, должны обладать большим КПД, выгодной спектральной характеристикой, малой стоимостью, простой конструкцией и небольшой массой. К сожалению, только немногие из известных на сегодня фотоэлементов отвечают хотя бы частично этим требованиям. Это прежде всего некоторые виды полупроводниковых фотоэлементов. Простейший из них - селеновый. К сожалению, КПД лучших селеновых фотоэлементов мал(0,1...1 %).