Последовательное и параллельное включение источников питания.
Последовательное включение источников питания (источников ЭДС) применяется тогда, когда требуется создать напряжение требуемой величины, а рабочий ток в цепи меньше или равен номинальному току одного источника ЭДС.
Для этой цепи на основании второго закона Кирхгофа можно записать
E1+E2+E3=I(r01+r02+r03+Rн),
откуда
Таким образом, электрическая цепь может быть заменена цепью с эквивалентным источником питания, имеющим ЭДС Eэ и внутреннее сопротивление rэ
При параллельном соединении источников соединяются между собой положительные выводы всех источников, а также их отрицательные выводы.
Характерным для параллельного соединения является одно и то же напряжение U на выводах всех источников. Для электрической цепи можно записать
I=I1+I2+I3; P=P1+P2+P3=UI1+UI2+UI3=UI.
Как видно, при параллельном соединении источников ток и мощность внешней цепи равны соответственно сумме токов и мощностей источников. Параллельное соединение источников применяется в первую очередь тогда, когда номинальные ток и мощность одного источника недостаточны для питания потребителей. На параллельную работу включают обычно источники с одинаковыми ЭДС, мощностями и внутренними сопротивлениями.
2.5 Химические источники электрической энергии.
Кроме электромеханических генераторов к источникам электрической энергии для питания цепей постоянного тока относятся гальванические или первичные элементы и аккумуляторы.
а) Гальванические (первичные) элементы. Между электродом и электролитом, в который он погружен, всегда возникает некоторая разность потенциалов, зависящая от материала электрода и состава электролита.
Появление разности потенциалов объясняется тем, что вещество электрода под действием химических сил растворяется в электролите (например, цинк в растворе серной кислоты) и положительные ионы его переходят в электролит. Преобладание отрицательных зарядов на электроде и положительных в прилегающем к нему пограничном слое электролита вызывает появление двойного электрического слоя, а следовательно, и электрического поля на границе электрода, направленного от электролита к электроду. Электрические силы этого поля противодействуют переходу положительных ионов с электрода в раствор. Когда силы электрического поля уравновесят химические (сторонние по отношению к электрическому полю) силы, растворение цинка прекратится. Возникает разность потенциалов между электродом и электролитом, называемая электродным потенциалом. Помещая в электролит два электрода из равных металлов, получим между ними разность электродных потенциалов — стороннюю ЭДС E = φ1—φ2- Следовательно, устройство, состоящее из двух разнородных электродов, помещенных в электролит, является источником питания – гальваническим или первичным элементом, в котором происходит процесс преобразования (необратимый) химической энергии в электрическую. Большое распространение получили сухие и наливные марганцово-цинковые элементы. Электродвижущая сила элемента E=1,5 В.
Номинальным разрядным током элемента называется наибольший длительный ток, допускаемый при его эксплуатации. Емкостью элемента называется количество электричества, выраженное в ампер-часах (А·ч), которое можно получить от элемента за весь период его работы.
б) Аккумуляторы (вторичные элементы). Гальванические элементы, у которых после их разрядки возможен обратный процесс зарядки с преобразованием электрической энергии в химическую, называются аккумуляторами или вторичными элементами.
Щелочной аккумулятор получил такое название по электролиту— щелочи, а именно 21 % - ому водному раствору. едкого калия КОН или едкого натрия NaOH. Аккумулятор состоит из двух блоков – пластин, расположенных в стальном сосуде с электролитом. Пластины – это стальные рамки с вставленными в них стальными коробочками, заполненными активной массой. Активная масса отрицательных пластин кадмиево-никелевых элементов состоит из губчатого кадмия, а железо-никелевых – из губчатого железа. Активная масса положительных пластин у обоих аккумуляторов состоит из гидрата окиси никеля Ni(OH)3.
Кислотный (свинцовый) аккумулятор состоит из двух блоков пластин погруженных в электролит(25 – 30 %-ный водный раствор серной кислоты). Положительные пластины из свинца для увеличения поверхности соприкосновения с электролитом имеют ребристую поверхность или выполнены из свинцовых каркасов, заполненных активной массой (перекись свинца).Отрицательные пластины представляют собой свинцовые каркасы, заполненные губчатым свинцом.
КПД свинцового аккумулятора 0,75 – 0,8, щелочного 0,5 – 0,6. Ток короткого замыкания свинцового аккумулятора очень велик. Щелочные, имеют меньшую чувствительность к коротким замыканиям. Это объясняется большим внутренним сопротивлением щелочного аккумулятора. Щелочные аккумуляторы имеют большую механическую прочность, больший срок службы и меньшую требовательность к уходу, по сравнению с кислотными.