Zdroje elektromotorického napätia

Zdroje elektromotorického napätia
Prácu neelektrostatických síl získavame z rozlicných zdrojov napätia:
1. Elektrochemický zdroj - napätie vzniká chemickou reakciou elektród s elektrolytom,
napr. galvanický clánok a akumulátor.
2. Fotoelektrický zdroj – napätie vzniká vzájomným pôsobením svetla s elektrónmi v
kovoch alebo polovodicoch, napr. fotoclánok.
3. Termoelektrický zdroj – napätie vzniká na spoji dvoch rozlicných kovov s rôznou
teplotou, napr. termoclánok.
4. Elektrodynamický zdroj – napätie vzniká pohybom vodica v magnetickom poli pri
elektromagnetickej indukcii, napr. dynamo, alternátory.
5. Mechanický zdroj – napr. van de Graafov generátor, v ktorom sa náboje oddelujú
trením pásu a prenášajú sa jeho pohybom.
Akumulátor
Akumulátor je zdroj jednosmerného napätia, ktorý je založený na elektrolýze. Stáva sa
zdrojom elektromotorického napätia po prechode elektrického prúdu elektrolytom
akumulátora alebo nabíjaním.
Najznámejší je olovený akumulátor:
Funkcia: Je založený na polarizacnom jave, pri ktorom sa na elektródach galvanického
clánku usadzujú casti rozloženého elektrolytu, ktoré tvoria nový clánok s polarizacným
napätím pôsobiacim proti pôvodnému napätiu. Ked do olovených elektród
jednoduchého akumulátora zavedieme jednosmerný prúd, t. j. akumulátor nabíjame,
elektrická energia sa mení na chemickú, t. j. casti rozloženej kyseliny sírovej sa
chemicky viažu s hmotou akumulátorových elektród. Vybitý akumulátor má povrch
elektród z inej hmoty ako nabitý akumulátor. Akumulátor sa nazýva sekundárny clánok
preto, že ním musí najskôr pretekat elektrický prúd, aby sa elektródy chemicky zmenili,
a tým sa stal primárnym clánkom, ktorý takto môže elektrický prúd vrátit.
Spotrebicom pripojeným k nabitému akumulátoru prechádza prúd a akumulátor sa
vybíja. Pri vybíjaní akumulátora prechádza prúd opacne než pri nabíjaní a elektródy sa
menia spät na pôvodné látky. Chemická energia nazhromaždená pri nabíjaní mení sa
pri vybíjaní akumulátora na elektrickú energiu. Hovoríme, že v akumulátoroch
zhromaždujeme (akumulujeme) elektrickú energiu. Oproti galvanickému clánku má
akumulátor tú výhodu, že po vybití ho možno opät nabit a použit. Galvanický clánok sa
opotrebuje a suchý clánok sa po vybití nedá použit.
Elektrochemické procesy: Chemické zmeny na jednoduchom akumulátore s dvoma
elektródami s olova v zriedenej kyseline sírovej sú znázornené na obr.:
Olovené elektródy sa v H2SO4 nerozpúštajú, ale pritahujú rozštiepené záporné ióny
SO4 a zlucujú sa s olovom na síran olovnatý PbSO4. Ak pripojíme jednosmerný zdroj
na elektródy akumulátora s povrchom PbSO4, nastane prúd iónov v elektrolyte.
Záporný ión SO4 so záporným nábojom pôjde k anóde, kladný H2 ide na katódu.
Pritom sa ióny zlúcia s PbSO4 na elektródach akumulátora a takto jednoduchý olovený
akumulátor nabíjame.
Postup elektrochemického procesu pri nabíjaní je:
na anóde: PbSO4 + SO4 + 2H2O = PbO2 + 2H2SO4
a na katóde: PbSO4 + H2 = Pb + H2SO4.
Na kladnej elektróde sa teda pri nabíjaní vytvorí tmavohnedý oxid olovicitý (PbO2) a na
zápornej elektróde sa vylúci cisté olovo Pb. Súcasne sa elektrolyt zhustuje.
Teraz máme vlastne primárny clánok: dve rozlicné elektródy v kyseline sírovej. Kladný
pól je PbO2 a záporný pól sivé olovo. Tým sme využili polarizáciu elektród a dostali sme
elektrický náboj, z ktorého možno odoberat prúd dovtedy, kým sa elektródy Pb a PbO2
nepremenia naspät na PbSO4. Ked na nabitý akumulátor pripojíme žiarovku, bude sa
vybíjat. Pri vybíjaní ide prúd v elektrolyte opacným smerom, a preto na anóde vznikne
vodík, ktorý sa hned zlucuje s kyslíkom z anódy na vodu:
na anóde: PbO2 + H2 + H2SO4 = PbSO4 + 2H2O
na katóde: Pb + SO4 = PbSO4
Po vybití akumulátora je povrch elektród zas zo síranu olovnatého a v elektrolyte
vzniká voda, cím sa kyselina zriedila.
Konštrukcia: Olovený akumulátor má v zásade dva druhy dosiek (elektród), ktoré sú
zhotovené zo špeciálne spracovaného olova. Jedna doska – kladná, má hnedastú farbu,
druhá – záporná, je farby sivej. Dosky sú od seba oddelené a ponorené do zriedenej
kyseliny sírovej. Zriedená kyselina sa nazýva elektrolyt a je v nádobe z
kyselinovzdorného materiálu (sklo alebo tvrdá guma). Na prenosných akumulátoroch je
krycia doska z izolacného materiálu zaliata smolou. V doske sú otvory na dolievanie
odpareného elektrolytu. Od olovených dosák sú cez povrchovú dosku pripojené olovené
svorníky na odoberanie prúdu.
Aby akumulátor dodával viac prúdu, musia mat dosky väcší povrch, co sa dosiahne
tým, že sa do jednej nádoby vloží niekolko dosák, striedavo kladná a záporná. Dosky
rovnakej polarity (všetky plus a všetky mínus) sa spoja paralelne, a tým sa dosiahne,
že akumulátor má väcšiu prúdovú kapacitu.
Prúdová kapacita: Prúdová kapacita akumulátorov sa udáva v ampérhodinách (Ah) a
pri prenosných akumulátoroch je 10 až 60 Ah. Prúdová kapacita udáva, kolko prúdu
možno z dobitého akumulátoru odobrat. Z praxe vieme, že z akumulátora dostaneme
viac energie vtedy, ked sa odoberá menší prúd za dlhší cas, ako ked sa odoberá väcší
prúd za kratší cas. Údaje o tom sú napísané na štítku akumulátora.
Okrem oloveného akumulátora sa casto používa aj alkalický (ocelový) akumulátor:
Tento akumulátor má kladnú elektródu železnú, záporná elektróda je niklová. Obe sa
spracúvajú špeciálnym spôsobom. Ako elektrolyt sa používa rozriedený hydroxid
draselný (KOH). Alkalické akumulátory majú zvycajne kovovú nádobu (železnú). Ich
napätie je asi 1,35 V, teda nižšie než pri olovených akumulátoroch. Výhodou
alkalických akumulátorov je, že sú lahšie a znášajú aj menej opatrné zaobchádzanie
než olovené akumulátory. Môžu sa nechat aj dlhší cas nenabité. Nevýhodou je menšie
napätie a vyššia cena.
Menej známe druhy akumulátorov:
Kadmiovoniklový akumulátor má kladnú elektródu NiO2, zápornú Cd, elektrolyt KOH a
prevádzkové napätie 1,2 V.
Striebro-zinkový akumulátor má kladnú elektródu AgO, zápornú Zn, elektrolyt KOH a
prevádzkové napätie 1,3 V.
Striebro-kadmiový akumulátor má elektródy AgO (plus), Cd (mínus), elektrolyt KOH a
stredné napätie 1,2 V.
Pokrocilé elektrochemické akumulátory sú oproti rovnako tažkým oloveným
akumulátorom niekolkonásobne výkonnejšie, znášajú vyšší pocet nabíjacích cyklom a
nabíja sa podstatne rýchlejšie. Medzi nedostatky patrí pamätový efekt u niektorých z
nich a vysoká cena z dôvodu použitia vzácnych kovov.
Najvyšší pocet nabíjacích cyklov (až tri tisíc) a ultrarýchle nabíjanie (pod jednu hodinu)
majú nikel-kadmiové akumulátory.
Akumulátorová batéria: Ked treba z akumulátorov odobrat väcšie napätie, ako má
jeden clánok, spája sa niekolko clánkov do série, a tak vzniká akumulátorová batéria.
Takéto akumulátorové batérie sa používajú napríklad v motorových vozidlách.
Napríklad batéria motocykla, ktorá má napätie 6V, je zostavená z troch
akumulátorových clánkov, spojených sériovo. V automobiloch sú batérie zostavené z 3,
6, niekedy aj 12 clánkov spojených sériovo. Akumulátory sú v každom automobile.
Pocas jazdy sa akumulátor dobíja z malého dynama, ktoré je pohánané motorom
automobilu. Nabitý akumulátor je zdrojom napätia pre elektrické zariadenie automobilu
vtedy, ked motor nepracuje.
Použitie: Akumulátor sa používa v elektrických vozidlách, v automobiloch a
motocykloch, na zapalovanie a osvetlovanie, v elektrárnach, dalej na núdzové
osvetlenie v nemocniciach, v divadlách a kinách a ako zdroj prúdu v telegrafii, v
laboratóriách a tak dalej.
Akumulátory a galvanické clánky sú pomerne drahé zdroje napätia. Používame ich
obycajne tam, kde nemáme siet.