Эрл Гейтс - Введение в электронику

Сила, которая заставляет электроны двигаться в заданном направлении, определяется разностью потенциалов или напряжением .

Напряжение возникает при удалении электронов со своих орбит в атомах. Таким образом, любой вид энергии, отрывающий электроны от атомов, может быть использован для получения напряжения. Но надо помнить, что энергия никогда сама по себе не возникает. Имеет место просто переход энергии из одной формы в другую. Источник напряжения — это не просто источник электрической энергии. Скорее это способ преобразования других видов энергии в электрическую. Существует шесть основных источников напряжения — трение, магнетизм, химические реакции, свет, тепло и давление.

Трение является самым старым способом получения электричества. Стеклянная палочка зарядится, если ее потереть куском меха или шелка. Генератор Ван де Граафа— устройство, работающее на том же принципе, что и стеклянная палочка, и способное создавать напряжение в миллионы вольт (рис. 3–1). Однако кроме научных исследований, он нигде практически не используется.

Рис. 3–1. Генератор Ван-де-Граафа способен создавать разность потенциалов в миллионы вольт.

В настоящее время основным методом получения электрической энергии является магнетизм. Если проводник перемещается в магнитном поле, на его концах возникает разность потенциалов, существующая в течение всего времени перемещения относительно магнитного поля. Устройство, основанное на этом принципе, называется генератором (рис. 3–2).

Рис. 3–2. Генератор использует магнетизм для получения электричества.

Генератор может вырабатывать как постоянный, так и переменный ток. Когда электроны текут только в одном направлении, ток называется постоянным.

Когда направление движения электронов периодически изменяется на противоположное, ток называется переменным. Генератор может приводиться в движение нагретым паром, водой, ветром или бензиновыми и дизельными двигателями. Схематическое обозначение генератора переменного тока показано на рис. 3–3.

Рис. 3–3. Схематическое обозначение генератора переменного тока.

Вторым основным методом получения электричества в настоящее время является использование химических батарей .

Электроды батареи состоят из двух разнородных металлов, например меди и цинка, погруженных в раствор соли, кислоты или щелочи. Электроды обеспечивают контакт между электролитом (раствором соли, кислоты или щелочи) и цепью. Электролит извлекает свободные электроны из медного электрода, оставляя его положительно заряженным.

Цинковый электрод притягивает свободные электроны в электролите и таким образом приобретает отрицательный заряд. Несколько таких элементов могут быть соединены вместе и образовать батарею. На рис. 3–4 показаны схематические обозначения элемента и батареи.

Рис. 3–4. Схематические обозначения элемента и батареи. Комбинация двух или более элементов образует батарею.

В настоящее время используется много различных типов элементов и батарей (рис. 3–5).

Рис. 3–5. Некоторые из широко используемых в настоящее время химических элементов и батарей.

Световая энергия может быть преобразована в электрическую энергию при попадании света на фоточувствительную пленку в фотовольтаической ячейке(солнечном элементе) (рис. 3–6).

Рис. 3–6. Фотовольтаическая ячейка может преобразовывать солнечный свет прямо в электричество.

Солнечные элементы состоят из фоточувствительных материалов, расположенных между металлическими электродами. Когда поверхность фоточувствительного материала освещается светом, происходит выбивание электронов с орбит атомов, расположенных на поверхности материала. Это происходит за счет энергии света. Каждая отдельная ячейка вырабатывает небольшое напряжение. На рис. 3–7 показано схематическое обозначение солнечного элемента.

Рис. 3–7. Схематическое обозначение фотовольтаической ячейки (солнечного элемента).

Для получения пригодных к использованию напряжений и токов необходимо объединить вместе много солнечных элементов. Солнечные элементы используются главным образом на спутниках и в фотоаппаратах. Высокая стоимость ограничивает их широкое применение.

Тепло может быть преобразовано прямо в электричество с помощью устройства, называемого термопарой (рис. 3–8).

Рис. 3–8. Термопары преобразуют тепловую энергию непосредственно в электрическую.

Схематичное обозначение термопары показано на рис. 3–9.

Рис. 3–9. Схематическое обозначение термопары.

Термопара состоит из двух разнородных металлических проволок, скрученных вместе. Одна проволока медная, а другая из цинка или железа. При нагревании медная проволока легко отдает свободные электроны, которые передаются другому проводнику. Таким образом, медная проволока приобретает положительный заряд, а другая проволока — отрицательный, и появляется небольшая разность потенциалов или напряжение. Это напряжение прямо пропорционально количеству подведенного тепла. Одним из применений термопары является термометр, а также пирометр — устройство, которое часто используется для измерения высоких температур в печах и литейном производстве.

При приложении к некоторым кристаллическим материалам, таким как кварц, турмалин, сегнетова соль или титанат бария давления, возникает небольшое напряжение. Это явление называется пьезоэлектрический эффект. Сначала отрицательные и положительные заряды хаотично распределены в образце кристаллического материала и суммарный заряд не может быть обнаружен. При приложении давления, электроны покидают одну сторону материала и скапливаются на другой. Заряд возникает только при приложенном давлении.