OBWODY PRĄDU STAŁEGO. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego



Podobne dokumenty
Obwody prądu stałego. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12)Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Przetwarzanie energii: kondensatory

Przetwarzanie energii: kondensatory

LABORATORIUM PRZEMIAN ENERGII

Elementy Elektrochemii

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo- napięciowej elektrolizera typu PEM,

Prąd elektryczny - przepływ ładunku

Prąd elektryczny 1/37

Laboratorium z Konwersji Energii. Ogniwo Paliwowe PEM

Materiały pomocnicze 10 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

1 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

Źródła siły elektromotorycznej = pompy prądu

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

Schemat ogniwa:... Równanie reakcji:...

STAŁY PRĄD ELEKTRYCZNY

Zespół Szkół Technicznych im. J. i J. Śniadeckich w Grudziądzu

Część 3. Magazynowanie energii. Akumulatory Układy ładowania

Wymagania edukacyjne: Elektrotechnika i elektronika. Klasa: 1Tc TECHNIK MECHATRONIK. Ilość godzin: 4. Wykonała: Beata Sedivy

INDEKS ALFABETYCZNY CEI:2004

Podstawy fizyki sezon 2 3. Prąd elektryczny

Ogniwo paliwowe typu PEM (ang. PEM-FC)

Historia elektrochemii

ELEKTRODY i OGNIWA. Elektrody I rodzaju - elektrody odwracalne wzgl dem kationu; metal zanurzony w elektrolicie zawieraj cym jony tego metalu.

10.2. Źródła prądu. Obwód elektryczny

Podstawy fizyki sezon 2 3. Prąd elektryczny

Budowa i zasada działania akumulatora

Różne dziwne przewodniki

Natężenie prądu elektrycznego

Fragmenty Działu 8 z Tomu 1 PODSTAWY ELEKTROCHEMII

Elektrolity wykazują przewodnictwo jonowe Elektrolity ciekłe substancje rozpadające się w roztworze na jony

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

Materiały w bateriach litowych.

Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch cząsteczek naładowanych.

Ć w i c z e n i e 1 POMIARY W OBWODACH PRĄDU STAŁEGO

Wiadomości do tej pory

Wrocław dn. 22 listopada 2005 roku. Temat lekcji: Elektroliza roztworów wodnych.

E1. OBWODY PRĄDU STAŁEGO WYZNACZANIE OPORU PRZEWODNIKÓW I SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ ŹRÓDŁA

Technologia ogniw paliwowych w IEn

PODSTAWY KOROZJI ELEKTROCHEMICZNEJ

OGNIWA GALWANICZNE I SZREG NAPIĘCIOWY METALI ELEKTROCHEMIA

Wybrane Działy Fizyki

TŻ Wykład 9-10 I 2018

Ć W I C Z E N I E N R E-4 POMIAR SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ I OPORU WEWNĘTRZNEGO AKUMULATORÓW METODĄ KOMPENSACJI

ELEKTRONIKA ELM001551W

Powtórzenie wiadomości z klasy II. Przepływ prądu elektrycznego. Obliczenia.

ELEKTROCHEMIA CIAŁA STAŁEGO

ELEKTROGRAWIMETRIA. Zalety: - nie trzeba strącać, płukać, sączyć i ważyć; - osad czystszy. Wady: mnożnik analityczny F = 1.

Podstawy elektrotechniki V1. Na potrzeby wykładu z Projektowania systemów pomiarowych

Materiały do zajęć dokształcających z chemii nieorganicznej i fizycznej. Część V

Ćwiczenie 2. Charakteryzacja niskotemperaturowego czujnika tlenu. (na prawach rękopisu)

Elementy elektrotechniki i elektroniki dla wydziałów chemicznych / Zdzisław Gientkowski. Bydgoszcz, Spis treści

średnia droga swobodna L

Ćwiczenie 1: Wyznaczanie warunków odporności, korozji i pasywności metali

Karta pracy III/1a Elektrochemia: ogniwa galwaniczne

Czym jest prąd elektryczny

Materiały elektrodowe

Czy prąd przepływający przez ciecz zmienia jej własności chemiczne?

PODSTAWY FIZYKI - WYKŁAD 7 PRZEWODNIKI OPÓR OBWODY Z PRADEM STAŁYM. Piotr Nieżurawski. Wydział Fizyki. Uniwersytet Warszawski

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

Elektryczne właściwości materii. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

Zasilanie układów elektronicznych - ogniwa i baterie

Ładunek elektryczny. Ładunek elektryczny jedna z własności cząstek elementarnych

Podstawy elektrotechniki

PL B1. Sposób i układ do odzyskiwania energii elektrycznej z ogniwa elektrochemicznego, zwłaszcza pierwotnego

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

4. OGNIWA GALWANICZNE 1

Przepływ prądu przez przewodnik. jest opisane przez natężenie prądu. Przez przewodnik nie płynie prąd.

Wykład 1 Technologie na urządzenia mobilne. Wojciech Świtała

Wykład FIZYKA II. 2. Prąd elektryczny. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

izolatory: ładunki nie maja możliwości ruchu (szkło, papier, ebonit, polietylen)

średnia droga swobodna L

POWTÓRKA Z ELEKTROCHEMII

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Podstawowe pojęcia 1

Parametry ogniw: napięcie ogniwa otwartego

K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

HAZE BATTERY Company Ltd. Akumulatory ołowiowo kwasowe szczelne żelowe 15 letnie monobloki 2V. seria HZY-ŻELOWE

Dr inż. Agnieszka Wardzińska 105 Polanka Konsultacje: Poniedziałek : Czwartek:

Obwód składający się z baterii (źródła siły elektromotorycznej ) oraz opornika. r opór wewnętrzny baterii R- opór opornika

Zalety przewodników polimerowych

Jon w otoczeniu dipoli cząsteczkowych rozpuszczalnika utrzymywanych siłami elektrycznymi solwatacja (hydratacja)

12.7 Sprawdzenie wiadomości 225

Pytania przykładowe na kolokwium zaliczeniowe z Podstaw Elektrochemii i Korozji

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Podstawy elektrotechniki

Elektrolity wykazują przewodnictwo jonowe Elektrolity ciekłe substancje rozpadające się w roztworze na jony

Metodę poprawnie mierzonego prądu powinno się stosować do pomiaru dużych rezystancji, tzn. wielokrotnie większych od rezystancji amperomierza: (4)

SOFC. Historia. Elektrochemia. Elektroceramika. Elektroceramika WYKONANIE. Christian Friedrich Schönbein, Philosophical Magazine,1839

Ogniwa galwaniczne. Elektrolizery. Rafinacja. Elektroosadzanie.

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 2 Temat: Wyznaczenie współczynnika elektrochemicznego i stałej Faradaya.

Budowę ogniwa galwanicznego opiszemy na przykładzie ogniwa glinowo- -srebrowego, które przedstawiono na Rysunku 1.

PRĄD STAŁY. Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków wewnątrz przewodnika pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

NOWOCZESNE ŹRÓDŁA ENERGII

POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

Rozkład materiału nauczania

Podstawy elektrochemii

Obwody liniowe. Sprawdzanie praw Kirchhoffa

Pracownia Automatyki i Elektrotechniki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1. Połączenia szeregowe oraz równoległe elementów RC

Wyciskamy z cytryny... prąd elektryczny. Wpisany przez Administrator środa, 04 lipca :26 -

Transkrypt:

OBWODY PRĄDU STAŁEGO Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Elektrotechnika - dział techniki zajmujący się praktycznym zastosowaniem wiedzy dotyczącej elektryczności. Główne zagadnienia, którymi się zajmuje: wytwarzanie energii elektrycznej przesyłanie energii elektrycznej użytkowanie energii elektrycznej Zalety energii elektrycznej: łatwość przemiany na inny rodzaj energii łatwość przesyłania na duże odległości łatwość rozdziału między odbiorców gotowość do wykorzystania w dowolnej chwili Podstawowe działy elektrotechniki: elektroenergetyka maszyny i napędy elektryczne technika świetlna elektrotermia elektrochemia 2

Elektronika rozwinęła się na podłożu elektrotechniki. Zajmuje się praktycznym wykorzystaniem zjawisk związanych ze sterowanym ruchem elektronów. Podstawowe dziedziny elektroniki: telekomunikacja informatyka energoelektronika automatyka 3

Prąd elektryczny Jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych wywołany różnicą potencjałów. Warunki powstania prądu elektrycznego: nośniki ładunku muszą mieć możliwość poruszania się w przestrzeni (tzn. nie mogą być np. unieruchomione w sieci krystalicznej) musi istnieć przyczyna ruchu (np. siła elektryczna F E =qe, dyfuzja, unoszenie) 4

Nośniki prądu elektrycznego substancja przewodząca przewodnik elektrolit gaz półprzewodnik próżnia nośnik elektrony walencyjne jony jony i elektrony elektrony i dziury dowolny rodzaj ładunków 5

Podział ciał pod względem właściwości elektrycznych a) przewodniki I klasy - metale Podczas przepływu prądu nie podlegają zmianom chemicznym II klasy - roztwory Podczas przepływu prądu podlegają zmianom chemicznym b) dielektryki Nie przewodzą prądu (elektrony silnie związane z atomem). c) półprzewodniki Ich przewodnictwo zmienia się pod wpływem różnych czynników (np. domieszki, temperatura, pole elektryczne) 6

Struktura obwodu elektrycznego Obwód elektryczny tworzą elementy połączone ze sobą w taki sposób, że istnieje co najmniej jedna droga zamknięta dla przepływu prądu. Elementy obwodu elektrycznego: a) aktywne - dostarczają do obwodu energię elektryczną - źródło napięcia napięcie źródłowe (SEM) nie zależy od natężenia prądu - źródło prądu natężenie prądu nie zależy od napięcia b) pasywne odbiorniki, zamieniają na inny rodzaj energii (np. rezystory) lub magazynują energię pod postacią energii pola w polu elektrycznym (kondensatory) lub w polu magnetycznym (indukcyjności) 7

a) ogniwo lub akumulator b) bateria ogniw c) i d) oznaczenia źródeł napięcia e) oznaczenie strzałki źródła napięcia żarówka opornik stały A V amperomierz woltomierz opornik suwakowy wyłącznik cewka źródło napięcia kondensator 8

Schematy najprostszych obwodów elektrycznych obwód nierozgałęziony: obwód rozgałęziony: odbiornik odbiornik E E odbiornik 9

Prawo Ohma Natężenie prądu zależy wprost proporcjonalnie od napięcia i odwrotnie proporcjonalnie od rezystancji: I U R A V gdzie: R - rezystancja U - różnica potencjałów (napięcie) I - natężenie prądu Prawo Ohma jest spełnione tylko wtedy, gdy rezystancja nie zależy od napięcia ani od natężenia prądu. Prawo Ohma dla obwodu zamkniętego: I E R r w gdzie: R - rezystancja obciążenia E - siła elektromotoryczna ogniwa I - natężenie prądu r W - rezystancja wewnętrzna ogniwa 10

Opór elektryczny (rezystancja) R l S [ ] - opór właściwy (rezystywność) Opór elektryczny ma wartość 1, gdy natężenie przy napięciu 1 V ma wartość 1 A. Jest to zależność empiryczna i obowiązuje w ograniczonym zakresie, gdyż rezystancja elementów zależy od wielu czynników takich jak temperatura, wartość napięcia i prądu, częstotliwość itd. Zależność ta jest bardzo często nieliniowa. 11

Obwody rozgałęzione schematy równoważne a) i b) węzeł obwodu elektrycznego c) połączenie dwóch gałęzi d) przykładowy schemat obwodu elektrycznego 12

Prawa Kirchhoffa I prawo (tzw. prądowe): suma natężeń prądów dopływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z węzła I 1 I 4 I 2 węzeł I3 k I k = 0 I 2 =I 1 +I 3 +I 4 13

II prawo (tzw. napięciowe) : suma sił elektromotorycznych w oczku jest równa sumie spadków napięć na rezystancjach + U 1 _ E + _ + U 3 _ + _ U 2 E U 1 U2 U3 i U i = 0 14

15

Łączenie rezystorów szeregowe rezystancja zastępcza: R 1 R 2 R 3 R= R 1 +R 2 +R 3 równoległe R 1 rezystancja zastępcza: 1 = R 1 R 1 1 + R 2 R 2 R R R 1 1 R 2 R 2 16

przewód trakcyjny + podstacja zasilająca _ sieć szynowa strefa katodowa strefa anodowa 17

Najbardziej rozpowszechnione źródła prądu stałego: ogniwa elektrochemiczne (baterie i akumulatory) Typy ogniw: ogniwa nieodwracalne (tzw. pierwotne) w wyniku przemian chemicznych zachodzących podczas przepływu prądu elektrycznego powstają w nich nieodwracalne zmiany (a więc: jednorazowe wykorzystanie) ogniwa odwracalne (tzw. wtórne) można je wielokrotnie ładować i rozładowywać 18

Ogniwo Leclanche go bateria cynkowo węglowa napięcie nominalne: 1.5 V A szczelne, nieprzewodzące zamknięcie B katoda (biegun dodatni) pręt grafitowy z metalową końcówką C anoda (biegun ujemny) cylinder cynkowy D elektrolit, najczęściej mieszanina: MnO 2, NH 4 Cl (salmiak) i ZnCl 2 Bezpośrednim źródłem SEM są reakcje utlenienia cynku (elektroda cynkowa): i redukcji jonów amonowych (elektroda węglowa): Powstający amoniak jest wiązany przez kationy cynkowe: powstający wodór jest wiązany przez tlenek manganu, który pełni rolę depolaryzatora: 2NH NH H 4 2e 2 Zn 2 2MnO2 H2 Mn2O3 H2O 3 4NH [ Zn( NH 3 Zn Zn 2 2e 2 3 ) 4 ] 2 19

Bateria alkaliczna Nazwa tego typu baterii bierze się od alkalicznych (zasadowych) roztworów, stosowanych w charakterze elektrolitu. Anoda sproszkowany Zn (zwiększa to powierzchnię anody, zmniejsza wewnętrzny opór baterii, zwiększa gęstość energii). Katoda sproszkowany dwutlenek manganu MnO 2 Elektrolit wodorotlenek potasu KOH bateria cynkowowęglowa bateria alkaliczna Baterie alkaliczne charakteryzują się lepszymi od baterii cynkowo-węglowych parametrami: większą gęstością energii, dłuższym czasem przydatności do użycia, odpornością na wycieki, lepszą wydajnością zarówno w pracy ciągłej jak i z przerwami, niższym oporem wewnętrznym pozwalającym na pobór większych mocy oraz funkcjonowanie w szerszym zakresie temperatur. 20

Akumulator ołowiowy kwasowy Pojemność akumulatora ilość energii pobranej z naładowanego akumulatora przy wyładowaniu go w określonym czasie do dozwolonej granicy napięcia. Pojemność znamionowa wyładowanie w ciągu 10 godzin. 21

22

Rozładowywanie akumulatora reakcja na anodzie: reakcja na katodzie: 23

Ładowanie akumulatora 24

Akumulator NiCd napięcie nominalne: 1.2 V Może dostarczyć w krótkim czasie duży prąd (prąd rozładowania może 20x przekraczać jego pojemność znamionową). Charakteryzuje się dużą trwałością przy niskich kosztach wytwarzania, bo podstawowe materiały - nikiel i kadm - są stosunkowo niedrogie. Kadm stanowi problem z punktu widzenia ochrony środowiska. To silnie toksyczny metal ciężki, wymagający stosowania gazoszczelnej obudowy i specjalnych procedur utylizacji. Traci energię, kiedy nie pracuje, ok. 20 % na miesiąc. Nieużywany może ulec uszkodzeniu, bo nie powinno się go całkowicie rozładowywać. Elektrolit: substancje półpłynne lub stałe, najczęściej wodorotlenek potasu 25

Powód: kadm ma tendencję do krystalizacji. tzw. efekt pamięciowy Zjawisko to występuje wówczas, gdy akumulator jest ponownie ładowany przed całkowitym rozładowaniem. W wyniku krystalizacji kadmu zmniejsza się pojemność akumulatora, a od punktu wystąpienia efektu pamięciowego na linii rozładowania spada dostarczane napięcie. Efekt pamięciowy można usunąć poprzez wielokrotne rozładowanie/ładowanie (funkcja ładowarek: DISCHARGE lub REFRESH) 26

Akumulator NiMH napięcie nominalne: 1.2 V Może dostarczyć w krótkim czasie duży prąd. System elektrochemiczny jest zdolny do absorpcji wydzielających się podczas ładowania gazów, szczególnie wodoru, dzięki czemu akumulator może być całkowicie szczelny i charakteryzować się długą żywotnością. Gąbczasta struktura nasączona substancjami alkalicznymi (jako elektrolit) oraz złożonym chemicznie katalizatorem. Anoda: stop metalu, który może wiązać wodór. Duże samorozładowanie, nawet do 30 % na miesiąc. 27

tzw. efekt leniwego akumulatora (lazy battery effect) Powód: na dodatniej elektrodzie wykonanej z wodorotlenku niklu tworzą się kryształy. Efekt powstaje w wyniku niecałkowitego rozładowania akumulatora w trakcie pracy lub długotrwałego ładowania prądem o zbyt małym natężeniu. Efekt pamięciowy można usunąć poprzez 2-, 3-krotne całkowite rozładowanie. 28

Akumulator Li-Ion napięcie nominalne: 3.6 V Zaleta: niewielkie samorozładowanie, a więc długi czas przechowywania bez ponownego ładowania. Elektrolit (ciekły): złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników. Separator między membranami stanowi mikroprzepuszczalna membrana z tworzywa sztucznego. Lit to silnie reagujący metal lekki, a więc mocno nagrzany mógłby eksplodować. Z tego powodu akumulatory zawierają organiczny elektrolit. Mimo to każdy akumulator litowy jest wyposażony w zawór bezpieczeństwa i ma szczególnie solidną obudowę. Dodatkowo, zawiera układy elektroniczne nadzorujące prądy ładowania i rozładowania (zabezpieczenie przed przegrzaniem). 29

Napięcie w trakcie niemal całego okresu rozładowania akumulatora Li-Io przekracza napięcie znamionowe 3,6 V. Brak efektu pamięciowego, brak efektu leniwego akumulatora. 30

Akumulator litowo-polimerowy napięcie nominalne: 3.6 3.7 V stały lub żelowy elektrolit polimerowy wykonany np. z gąbek na bazie poliakrylonitrylu Niskie samorozładowanie, poniżej 10 % na miesiąc. Brak efektu pamięciowego, brak efektu leniwego akumulatora. Daje się niemal dowolnie formować, co zwiększa możliwości zastosowania. 31

Akumulator cynkowo-powietrzny napięcie nominalne: 1.4 1.65 V Zachodzące reakcje anoda: katoda: Zn OH Zn( OH) 2 2e O 2 2H 2 O 4e 4( OH) W trakcie ładowania: reakcje w drugą stronę. Katodą w procesie rozładowania jest tlen atmosferyczny absorbowany na membranie z węgla aktywnego i ulegający reakcji w kontakcie ze środowiskiem elektrolitu. Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu elektrody cynkowej w wodorotlenek cynku. W procesie ładowania, z akumulatora jest uwalniany tlen do atmosfery. Wada: tworzy otwarty system chemiczny. Podczas rozładowania powierzchnia, na której zachodzi reakcja, musi mieć zapewniony dopływ powietrza z otoczenia, a podczas ładowania trzeba odprowadzać uwolniony tlen. Obecne modele z reguły nie są stosowane w pomieszczeniach zamkniętych. 32

Ogniwo paliwowe Generuje energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z zewnątrz paliwa. W odróżnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą wewnątrz energii (nie muszą być ładowane). Bez dostarczania paliwa proces wytwarzania prądu zatrzymuje się. Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje wodór na anodzie oraz tlen na katodzie (ogniwo wodorowo-tlenowe). Proces produkcji energii nie zmienia chemicznej natury elektrod oraz wykorzystywanych elektrolitów. Jedynym ograniczeniem ilości energii, którą może wytworzyć ogniwo paliwowe, jest pojemność zbiornika na paliwo. Zaleta: brak zanieczyszczenia powietrza. Powstające w ogniwie spaliny składają się wyłącznie z pary wodnej. 33

Membrana polimer rozdzielający anodę i katodę, przewodzący protony lecz uniemożliwiający przepływ elektronów. Elektrody najczęściej nawęglony papier pokryty platyną, która jest katalizatorem reakcji. Katoda Anoda Wodór dopływa do anody, gdzie rozpada się na jony protonowe H + oraz elektrony: Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem tylko dla protonów. Elektrony płyną do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń, zaś protony dyfundują przez elektrolit. Na katodzie tlen reaguje z elektronami : Następnie jony H + reagują ze zjonizowanym tlenem: 2 O2 4e 2O 2 2 4H 2H O O 2 Końcowym produktem jest więc woda (w postaci ciekłej lub para). Membrana elektrolityczna 2H 2 4H 4e 34