ŹRÓDŁA PRĄDU ELEKTRYCZNEGO

Generalnie wszystko opiera się o wykorzystanie takiego źródła prądu, które energię czerpie z zachodzących w nim reakcji chemicznych odwracalnych lub nie. Takie źródło prądu nazywamy ogniwem. Zasadą działania najprostszego z nich, ogniwa galwanicznego, jest fakt, że na granicy między metalem a elektrolitem tworzy się spadek potencjału, podtrzymywany ciągle podczas przepływu prądu kosztem energii chemicznej.

Źródła prądu elektrycznego

1. OGNIWA

Ogniwo galwaniczne – ogniwo, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą a elektrolitem. Dwie elektrody zanurzone w elektrolicie (półogniwa) tworzą ogniwo galwaniczne. Różnica potencjałów elektrod gdy przez ogniwo nie płynie prąd jest równa sile elektromotorycznej ogniwa (SEM).

Ogniwo galwaniczne jest to urządzenie zamieniające bezpośrednio energię chemiczną na energię elektryczną prądu stałego. Proces ten następuje w wyniku reakcji elektrochemicznych Ogniwo zasadniczo składa się z dwóch elektrod zanurzonych w roztworze odpowiedniego elektrolitu (tzn. substancji, której cząsteczki w roztworze ulegają dysocjacji elektrolitycznej, czyli rozpadowi na jony dodatnie i ujemne). Właśnie jony powstałe w wyniku dysocjacji warunkują powstawanie na powierzchniach elektrod pewnego potencjału względem roztworu (tzw. napięcie kontaktowe). Połączenie zewnętrznym przewodnikiem elektrod o różnym potencjale względem roztworu, zanurzonych w roztworze elektrolitycznym, powoduje przepływ prądu przez przewodnik. W zależności od rodzaju elektrolitu i materiału elektrod zachodzące w źródłach elektrochemicznych podczas przepływu prądu przemiany chemiczne mogą być nieodwracalne lub odwracalne.

Podstawowymi parametrami ogniwa są:

• siła elektromotoryczna SEM

• opór wewnętrzny

• pojemność, czyli ilość ładunku elektrycznego, który może ono oddać przy wyładowaniu

Siła elektromotoryczna ogniwa jest to maksymalna wartość różnicy potencjałów między zaciskami występująca wtedy, gdy przez ogniwo nie płynie prąd. Prąd płynąc w obwodzie pokonuje opór zewnętrzny R jak i opór wewnętrzny r źródła napięcia. Prawo Ohma dla całego obwodu przyjmuje postać:

SEM = I×R + I×r

Oznaczając U = I×R równe spadkowi potencjału na oporze zewnętrznym – czyli napięciu na

biegunach źródła możemy zapisać:

SEM = U + I×r

U = SEM - I×r

Wynika z tego, że różnica potencjałów między zaciskami źródła jest mniejsza od jego siły

elektrochemicznej.

• OGNIWO VOLTY

Ogniwo Volty - płytki: cynkowa i miedziana, zanurzone w roztworze wodnym kwasu siarkowego(VI). Należy do jednych z najstarszych ogniw galwanicznych. Siła elektromotoryczna ogniwa wynosi około 1,1 V.

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-

Zn⁰ -2e> Zn²⁺ oraz 2H⁺ + 2e^-> H₂

Zasada działania ogniwa jest następująca: Elektrolit, dysocjując, tworzy grupy jonów, które są przyciągane przez elektrody. Jedna Elektroda przyciąga te o nadmiarze elektronów, czyli naładowane ujemnie aniony, druga te, które wykazują Deficyt elektronów, czyli dodatnie kationy. Gdy elektrody połączy się na zewnątrz ogniwa kawałkiem przewodnika, wówczas elektrony przemieszczające się w obwodzie od anody do katody powodują, że w obwodzie płynie Prąd elektryczny.
Ogniwa mają zastosowanie w przenośnych urządzeniach elektrycznych, takich Jak:: latarki, małe Narzędzia domowe, walkmany, w akumulatorach samochodowych, a nawet w medycynie, gdzie Ogniwo rtęciowe służy np. do zasilania rozrusznika serca.

• OGNIWA LECLANCHEGO

Ogniwo Leclanchégo – najpopularniejsze ogniwo galwaniczne występujące powszechnie w handlu np. jako popularne tzw. baterie okrągłe. Pierwotnie ogniwo było zbudowane z elektrody węglowej w porowatym pojemniku ze sproszkowanym tlenkiem manganu(IV) umieszczonej w zbiorniku z roztworem chlorku amonu i zanurzoną w nim elektrodą cynkową.

Występujące na rynku ogniwa zwykle są zbudowane z cynkowego płaszcza wypełnionego wilgotną pastą chlorku amonu, w której jest porowaty pojemnik ze sproszkowanym tlenkiem manganu(IV)i grafitową elektrodą.

Bezpośrednim źródłem SEM w ogniwie Leclanchégo są reakcje utlenienia cynku (elektroda cynkowa) i redukcji jonów amonowych (elektroda węglowa):

Zn → Zn²⁺ + 2e^-

2NH₄⁺ + 2e^- → 2NH₃ + H₂↑

Powstający amoniak jest wiązany przez kationy cynkowe w kompleks tetra aminacynkowy(II):

Zn²⁺ + 4NH₃ → [Zn(NH₃)₄]²⁺

Natomiast powstający wodór jest wiązany przez tlenek manganu(IV), który pełni rolę depolaryzatora:

2MnO₂ + H₂ → Mn₂O₃ + H₂O

• OGNIWO DANIELLA

Ogniwo Daniella - ogniwo galwaniczne, w którym pierwsze półogniwo stanowi elektroda cynkowa zanurzona w roztworze siarczanu cynku ZnSO₄, a drugie elektroda miedziana zanurzona w roztworze siarczanu miedzi CuSO₄. W ogniwie tym oba półogniwa nie stykają się ze sobą bezpośrednio lecz są połączone kluczem elektrolitycznym, najczęściej wykonanym z roztworu chlorku potasu (KCl). Klucz elektrolityczny uniemożliwia mieszanie się roztworów elektrolitów oraz zapobiega gromadzeniu się nadmiaru ładunku ujemnego bądź dodatniego w zależności czy rozpatrujemy anodę czy katodę.

• OGNIWO WESTONA

Ogniwo Westona - ogniwo galwaniczne w którym elektrodę dodatnią stanowi rtęć, ujemną amalgamat kadmu, a elektrolitem jest roztwór nasycony siarczanu kadmu.

Nad rtęcią znajduje się siarczan rtęci Hg₂SO₄ utarty z siarczanem kadmu CdSO₄ oraz z rtęcią, w postaci tzw. pasty. W obu rurkach znajdują się także kryształy CdSO₄, a całość wypełniona jest wodnym roztworem siarczanu kadmowego. W temperaturze równej 293,15 K (20 °C) siła elektromotoryczna ogniwa Westona wynosi 1,0185-1,0187 V.

Ogniwo to jest zwykle konstruowane w kształcie litery "H" z przewężeniami w połowie dolnych ramion, które zapobiegają przemieszczaniu się chemikaliów podczas transportu ogniwa.

• OGNIWO PALIWOWE

Ogniwo paliwowe to ogniwo generujące energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z zewnątrz paliwa. W odróżnieniu od ogniw galwanicznych (akumulatory, baterie), w których energia wytwarzanego prądu musi zostać wcześniej zgromadzona wewnątrz tych urządzeń ogniwa paliwowe nie muszą być wcześniej ładowane. Wystarczy tylko doprowadzić do nich paliwo. W przypadku ogniw galwanicznych ładowanie może być procesem trwającym wiele godzin, a ogniwa paliwowe są gotowe do pracy po niewielkim czasie wymaganym do nagrzania.

Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje wodór na anodzie oraz tlen na katodzie. Są to ogniwa wodorowe. Proces produkcji energii nie zmienia chemicznej natury elektrod oraz wykorzystywanych elektrolitów.

Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody, gdzie w wyniku oddziaływania wodoru z materiałem katody zachodzi dysocjacja, w wyniku czego powstają jony protonowe H⁺ oraz elektrony e. Elektrony przyciągane przez anodę pozostają w niej jony wodorowe dyfundują:

Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem tylko dla protonów, nie przepuszcza innych jonów, szczególnie jonów tlenu od katody do anody. Elektrony muszą dotrzeć do katody poprzez obwód elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń.

Na katodzie tlen reaguje z elektronami tworząc jony O^2-:

jony wodorowe H⁺ są zobojętniane zjonizowanym tlenem:

Końcowy produktu to H₂O czyli woda w postaci pary lub ciekłej.

W odróżnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą wewnątrz energii. Bez dostarczania paliwa proces produkcji prądu się zatrzymuje.

• AKUMULATOR

Akumulator elektryczny – rodzaj ogniwa galwanicznego, które może być wielokrotnie użytkowane i ładowane prądem elektrycznym. Wszystkie rodzaje akumulatorów elektrycznych gromadzą i później uwalniają energię elektryczną dzięki odwracalnym reakcjom chemicznym zachodzącym w elektrolicie oraz na styku elektrolitu i elektrod.

W akumulatorach występują dwa cykle pracy.

• ładowanie – w czasie którego akumulator jest odbiornikiem energii elektrycznej, wewnątrz akumulatora energia elektryczna jest przetwarzana na energię chemiczną,

• praca – akumulator jest źródłem prądu elektrycznego na skutek przemiany energii chemicznej na energię elektryczną; rezultatem pracy jest stopniowe rozładowywanie akumulatora.

W trakcie ładowania przez akumulator prąd płynie w przeciwnym kierunku niż w trakcie jego pracy. Odwracalne reakcje chemiczne powodujące ładowanie i pracę są w istocie takie same, tyle że zachodzą w przeciwnym kierunku. W praktycznie każdym akumulatorze oprócz pożądanych, odwracalnych reakcji chemicznych zachodzą też jednak nieodwracalne reakcje uboczne, które powodują, że z czasem akumulator traci swoje właściwości.

• TERMOOGNIWO

Termoogniwo – przetwarza energię dostarczoną przez cieplny przepływ na energię elektryczna. Termoogniwa są często stosowane do pomiaru wysokich temperatur (termopara)

Termopara to czujnik temperatury wykorzystujący zjawisko termoelektryczne.

Składa się z dwóch drucików, z różnych materiałów, połączonych na końcach spoiną (strona pomiarowa). Pod wpływem zmiany temperatury powstaje siła termoelektryczna na końcach niepołączonych (zimnych) proporcjonalna do różnicy temperatur. Spoina może znajdować się w obudowie którą następnie instalujemy w elemencie którego temperaturę chcemy znać.

• OGNIWO SŁONECZNE

Ogniwo fotowoltaiczne (inaczej fotoogniwo, solar, lub ogniwo słoneczne) jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (zob. nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

SIŁA ELEKTROMOTORYCZNA

Siła elektromotoryczna (SEM) – czynnik powodujący przepływ prądu w obwodzie elektrycznym ^[1] równy energii elektrycznej uzyskanej przez jednostkowy ładunek przemieszczany w urządzeniu (źródle) prądu elektrycznego w przeciwnym kierunku do sił pola elektrycznego oddziałującego na ten ładunek.

Siła elektromotoryczna jest najważniejszym parametrem charakteryzującym źródła energii elektrycznej zwane też źródłami siły elektromotorycznej, są nimi generatory elektryczne (prądu stałego i zmiennego), baterie, termopary, fotoogniwa^[2][3].

Ładunek przenoszony w źródle przemieszcza się między punktami których różnica potencjałów (napięcie) jest równa sile elektromotorycznej. Napięcie na zaciskach źródła prądu zazwyczaj różni się od siły elektromotorycznej źródła, spowodowane jest to występowaniem w źródle oporu elektrycznego, zwanego oporem wewnętrznym źródła, polaryzacji elektrod i innych zjawisk. Występowanie tych zjawisk w źródle opisuje się równaniem:

gdzie:

• U - napięcie na zaciskach źródła,

• R_W - opór wewnętrzny źródła

• I - natężenie prądu elektrycznego

Siła elektromotoryczna równa się napięciu (różnicy potencjałów) na zaciskach źródła prądu, gdy obwód jest otwarty (prąd nie płynie);

Jeśli zewnętrzny obwód nie jest podłączony do SEM, prąd elektryczny nie płynie przez źródło. W takim przypadku pomiędzy zaciskami źródła pojawia się pole elektryczne, które dokładnie znosi działanie SEM i ładunki elektryczne w źródle nie są przenoszone. Wówczas różnica potencjałów pomiędzy zaciskami jest równa SEM.

Źródłem tego pola są ładunki elektryczne rozdzielone przez proces wywołujący SEM. Na przykład, reakcja chemiczna w ogniwie chemicznym zachodzi tylko, gdy pole elektryczne pomiędzy rozdzielonymi ładunkami jest niewystarczające by zatrzymać reakcję.