Когда говорят об использовании электрической энергии в быту, на производстве или транспорте, то имеют в виду работу электрического тока. Электрический ток подводят к потребителю от электростанции по проводам. Поэтому, когда в домах неожиданно гаснут электрические лампы или прекращается движение электропоездов, троллейбусов, говорят, что в проводах исчез ток.

Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени?

Слово «ток» означает движение или течение чего-то.

Что может перемещаться в проводах, соединяющих электростанцию с потребителями электрической энергии?

Мы уже знаем, что в телах имеются электроны, движением которых объясняются различные электрические явления (см. § 30). Электроны обладают отрицательным электрическим зарядом. Электрическими зарядами могут обладать и более крупные частицы вещества - ионы. Следовательно, в проводниках могут перемещаться различные заряженные частицы.

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием этого поля заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в проводнике, придут в движение в направлении действия на них электрических сил. Возникнет электрический ток.

Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо всё это время поддерживать в нем электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создаётся и может длительное время поддерживаться источниками электрического тока .

Источники тока бывают различные, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделённые частицы накапливаются на полюсах источника тока. Так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно. Если полюсы источника соединить проводником, то под действием электрического поля свободные заряженные частицы в проводнике начнут двигаться в определённом направлении, возникнет электрический ток.

Рис. 44. Электрофорная машина

Рис. 45. Превращение внутренней энергии в электрическую

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, внутренней или какой-нибудь другой энергии в электрическую. Так, например, в электрофорной машине (рис. 44) в электрическую энергию превращается механическая энергия. Можно осуществить и превращение внутренней энергии в электрическую. Если две проволоки, изготовленные из разных металлов, спаять, а затем нагреть место спая, то в проволоках возникнет электрический ток (рис. 45). Такой источник тока называется термоэлементом . В нём внутренняя энергия нагревателя превращается в электрическую энергию. При освещении некоторых веществ, например селена, оксида меди (I), кремния, наблюдается потеря отрицательного электрического заряда (рис. 46). Это явление называется фотоэффектом . На нём основано устройство и действие фотоэлементов . Термоэлементы и фотоэлементы изучают в курсе физики старших классов.

Рис. 46. Превращение энергии излучения в электрическую

Рассмотрим более подробно устройство и работу двух источников тока - гальванического элемента и аккумулятора , которые будем использовать в опытах по электричеству.

В гальваническом элементе (рис. 47, а) происходят химические реакции, и внутренняя энергия, выделяющаяся при этих реакциях, превращается в электрическую. Изображённый на рисунке 47, б элемент состоит из цинкового сосуда (корпуса) Ц. В корпус вставлен угольный стержень У, у которого имеется металлическая крышка М. Стержень помещён в смесь оксида марганца (IV) Мn0 2 и размельчённого углерода С. Пространство между цинковым корпусом и смесью оксида марганца с углеродом заполнено желеобразным раствором соли (хлорида аммония NH 4 CI) P.

Рис. 47. Гальванический элемент (батарейка)

В ходе химической реакции цинка Zn с хлоридом аммония NH4CI цинковый сосуд становится отрицательно заряженным.

Оксид марганца несёт положительный заряд, а вставленный в него угольный стержень используется для передачи положительного заряда.

Между заряженными угольным стержнем и цинковым сосудом, которые называются электродами , возникает электрическое поле. Если угольный стержень и цинковый сосуд соединить проводником, то по всей длине под действием электрического поля свободные электроны придут в упорядоченное движение. Возникнет электрический ток.

Гальванические элементы - самые распространённые в мире источники постоянного тока. Их достоинством является удобство и безопасность в использовании.

В быту часто применяют батарейки, которые можно подзаряжать многократно, - аккумуляторы (от лат. аккумуляторе - накоплять). Простейший аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин (электродов), помещённых в раствор серной кислоты.

Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Для зарядки через аккумулятор пропускают постоянный ток от какого-нибудь источника. В процессе зарядки в результате химических реакций один электрод становится положительно заряженным, а другой - отрицательно. Когда аккумулятор зарядится, его можно использовать как самостоятельный источник тока. Полюсы аккумуляторов обозначены знаками « + » и « - ». При зарядке положительный полюс аккумулятора соединяют с положительным полюсом источника тока, отрицательный - с отрицательным полюсом.

Кроме свинцовых, или кислотных, аккумуляторов широко применяют железоникелевые, или щелочные, аккумуляторы. В них используется раствор щёлочи и пластины - одна из спрессованного железного порошка, вторая - из пероксида никеля. На рисунке 48 изображён современный аккумулятор.

Рис. 48. Аккумулятор

Аккумуляторы имеют широкое и разнообразное применение. Они служат для питания сети освещения железнодорожных вагонов, автомобилей, для запуска автомобильного двигателя. Батареи аккумуляторов питают электроэнергией подводную лодку под водой. Радиопередатчики и научная аппаратура на искусственных спутниках Земли также получают электропитание от аккумуляторов, установленных на спутнике.

а - мобильного телефона; б - ноутбука

На электростанциях электрический ток получают с помощью генераторов (от лат. генератор - создатель, производитель). Этот электрический ток используется в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве.

Вопросы

1. Что такое электрический ток?
2. Что нужно создать в проводнике, чтобы в нём возник и существовал ток?
3. Какие превращения энергии происходят внутри источника тока?
4. Как устроен сухой гальванический элемент?
5. Что является положительным и отрицательным полюсами батареи?
6. Как устроен аккумулятор?
7. Где применяются аккумуляторы?

Задание

1. С помощью Интернета найдите, какие существуют типы зарядных устройств и выделите их особенности.
2. Подготовьте презентацию о применении аккумуляторов.

Простой в использовании и необходимый аксессуар. Используется почти каждый день. Скорее всего, у Вас дома их несколько штук. Что это? Зарядное устройство! Для телефона, планшета, ридера, смарт-часов...

Типы зарядных устройств – сетевое, автомобильное и индукционное

Сетевое зарядное устройство – это аксессуар, который позволяет заряжать устройства с помощью электрического тока прямо из розетки. Это означает, что Вы сможете воспользоваться им не только дома или на работе, но везде, где есть доступ к электроэнергии. Отсоединяемый от блока питания кабель USB позволяет заряжать устройство с помощью USB-порта в вашем компьютере или ноутбуке.

Автомобильное зарядное устройство – это аксессуар, который заряжает устройства от розетки прикуривателя в автомобиле. Чаще всего состоит из блока питания, который подключается непосредственно в прикуриватель с выходом USB на кабель, который с одной стороны имеет разъем USB, а с другой – micro-USB или USB типа C. Как правило, даёт энергию только установки ключа в замок зажигания.

Индуктивное зарядное устройство является современным решением, которое позволяет осуществлять беспроводную зарядку устройств. Аксессуар состоит из кабеля питания, а также платформы, на которой Вы размещаете телефон для зарядки. Зарядное устройство подключается к розетке, и в момент, когда телефон не используется, его можно положить на платформу беспроводной зарядки. Когда Вы вновь возьмете телефон в руки – зарядка прекратится.

Индуктивная зарядка будет работать с вашим смартфоном, если он адаптирован к этой технологии. Металлическая задняя панель предотвращает использование индукции, в отличие от корпуса из стекла. Беспроводная зарядка возможна только с определенными моделями, которые отвечают этому условию. Информацию на эту тему вы найдете в спецификации устройства.

Зарядное устройство с технологией Power Delivery – это, как правило, устройство с разъемом USB типа C. Благодаря этому, может использоваться одновременно для зарядки телефона или ноутбука, если они имеют совместимые порты USB C. Некоторые модели зарядных устройств имеют также стандартные порты USB 2.0 и могут использоваться для зарядки других мобильных устройств.

Параметры зарядных устройств

Когда-то каждый производитель телефонов использовал решения, подходящие только для его устройств. Позже, по общему соглашению производителей, большинство перешло к стандарту micro-USB, чтобы ограничить образование электронных отходов . Благодаря единому стандарту, теоретически зарядным устройством от одного смартфона можно зарядить любой другой. Вы можете также использовать его для пополнения энергии в устройстве чтения электронных книг или фотокамере.

На практике стоит обратить внимание на характеристики зарядного устройства, такие как зарядное напряжение , выраженное в вольтах (V) и сила тока , выраженное в амперах (А). Как правило, параметры эти подобраны так, чтобы эффективно и безопасно заряжать устройство, с которым в комплекте шел зарядник. Само то, что зарядное устройство имеет идентичные разъем micro USB не даёт гарантии, что оно надежно зарядит телефон или ридер другой марки.

Да, Вы быстрее зарядите смартфон с помощью зарядного устройства с силой тока 2А и напряжением 5В, чем зарядным устройством с силой тока 1А и напряжением 5В. Однако, помните, что высокая интенсивность зарядки уменьшает срок службы батареи .

В большинстве случаев более оптимальна медленная зарядка. Мы говорим, конечно, об аккумуляторах Li-Ion, которые используются в большинстве современных устройств. Мы знаем, однако, что иногда нам не хватает времени на подключение телефона к зарядному устройству на два часа. Спорадические использование мощного зарядника не должно навредить.

Как долго длится зарядка различных устройств

Каждое зарядное устройство поддерживает свои уровни силы тока и напряжения , что приводит к более длительному или более короткому времени зарядки устройств. Многое зависит от типа зарядного устройства – будь то сетевое зарядное устройство, автомобильный зарядник или кабель, подключаемый к разъему USB ноутбука. Ещё одна переменная – это емкость батареи в заряжаемом устройстве. Если сложить вместе все эти элементы, можно даже предсказать приблизительное время зарядки вашего устройства.

Большинство сетевых зарядных устройств для мобильных гаджетов имеет напряжение на уровне 5В. Разница заключается в силе тока, а значения колеблется в диапазоне от 1 до 2,1 А. Быстрее будет заряжать устройство с наиболее высокой силой тока. Помните, однако, что высокая интенсивность может привести к перегреву аккумулятора. Как правило, как мобильные устройства, так и сами зарядные устройства имеют защиту, которая отключает ток после полной зарядки аккумулятора, однако, стоит помнить также об отключении телефона после восстановления уровня запаса энергии.

В случае автомобильных зарядных устройств диапазон, безусловно, шире: напряжение от 3.6 до 20 Вольт и ток от 0,7А до 4,8А. Помните, однако, что более высокими значениями характеризуются зарядники, предназначенные для одновременной зарядки нескольких устройств. Таким образом, как напряжение тока, так и сила тока «разделяется» на несколько портов – от 2 до 5. Что, однако, позволяет осуществлять довольно быструю зарядку.

Индукционные зарядные устройства позволяют использовать напряжение 5-9 Вольт и ток 1-2А. Словом: также обеспечивают сравнительно быструю зарядку устройств.

Зарядка через USB (кабель подключенный напрямую к компьютеру), – это медленный вариант, но и самый безопасный для вашего устройства. Конечно, много зависит от стандарта USB: 2.0 обеспечивает напряжение величиной 5 Вольт и силу тока в 0,5 А. В случае USB 3.0 и 3.1 – это уже 0.9 А. Новейший стандарт USB-C обеспечивает ток от 0,5А до 3А.

Технологии быстрой зарядки устройств

Всё чаще в характеристиках смартфонов можно найти информацию о поддержке технологии быстрой зарядки . Чаще всего они касаются моделей, которые имеют аккумуляторы большой емкости и их зарядка стандартным способом была бы слишком долгой. Эти технологии позволяют быстро «подзарядить» батарею в течение нескольких или десятков минут, чтобы её хватило ещё на несколько часов работы.

Преимущества технологии быстрой зарядки :

• возможность зарядки устройства в течение короткого времени
• адаптация для оборудования с большой емкостью аккумулятора

Недостатки технологии быстрой зарядки :

• быстрее изнашиваются батареи, которые «не любят» зарядки током высокой интенсивности
• возможность чрезмерного нагрева смартфона и аккумулятора

QuickCharge – это технология, разработанная компанией Qualcomm. Для работы требуется как зарядное устройство, поддерживающее этот стандарт, так и совместимое с ним устройство. Все версии технологии QuickCharge обратно совместимы. Устройства, совместимые с технологией, не должны быть оснащены процессором Qualcomm, потому что за поддержку этого решения отвечает не процессор, а, прежде всего, внешний контроллер.

Решение основано на подаче на устройство питания большого напряжения и силы тока, что увеличивает мощность зарядки – например, зарядное устройство с напряжением 5В и силой тока 1А обеспечивает лишь 5Вт (ватт) мощности во время зарядки. Зарядное устройство с напряжением 5В и силой тока 2А обеспечивает уже в два раза больше мощности – вплоть до 10 Ватт.

В процессе развития технологий дошло до того, что напряжение может изменяться от 3,6 до 20 Вольт, а максимальная мощность была увеличена до 18 Ватт.

Технология Quick Charge учитывает также характерные особенности литиевых аккумуляторов. Этот тип батареи хорошо работает, когда быстро заряжается в начале, а потом постепенно снижается ток зарядки.

Adaptive Fast Charging работает по аналогичному принципу, как Quick Charge. Зарядное устройство обеспечивает устройству ток с более высоким напряжением и силой. Благодаря этому, аккумулятор заряжается в более короткие сроки.

Основная идея этой технологии заключается в предоставлении как можно большей мощности аккумулятору в кратчайшие сроки. Это делает достаточным подключения зарядного устройства на 10 минут, чтобы пополнить энергию на последующие несколько часов.

Зарядное устройство регулирует параметры к потребностям устройства и времени зарядки и с течением времени уменьшает мощность. Благодаря этому, зарядка может длиться меньше или дольше, но в каждой из этих ситуаций обеспечивается безопасность.

SuperCharge – это технология, появившаяся в некоторых устройствах марки Huawei. Заключается в том, что процессом зарядки управляет зарядное устройство, – благодаря этому, контроллер в телефоне может быть гораздо проще.

Зарядное устройство обеспечивает смартфону ток стандартного напряжения 5В и очень высокой силы – до 4,5А. Благодаря тому, что зарядкой управляет зарядное устройство, телефон не производит чрезмерного количества тепла.

В процессе эксплуатации аккумулятор приходит в неисправность, причиной чего служит разрядка батареи. Для восстановления емкости АКБ применяются зарядные устройства, которые должны быть в арсенале каждого автолюбителя, равно как и провода для прикуривания. Широкий диапазон таких устройств предлагает магазин автозапчастей Карвильшоп, на сайте которого можно ознакомится как с характеристиками конкретных устройств, так и с актуальными ценами. Чтобы подобрать наиболее подходящую модель зарядки, необходимо знать особенности и характеристики всех видов, представленных на современном рынке.

Виды АКБ.

Распространенными принято считать свинцовые (кислотные) АКБ для легковых авто. Подобные источники тока нуждаются в систематической и регулярной подзарядке. Гораздо реже можно встретить батареи щелочного типа, в их основу заложены никель-кадмиевые (Ni-Cd), литий-ионные (Li-On) или никель-металлические (Ni-Mh) пластины.

В основном зарядники функционируют по единому принципу. Их основное назначение – снижение напряжения сети в 220 В до показателя в 12 В.

Типы зарядных устройств для АКБ.

Принято разделять два основных типа описываемых приборов:

1. Зарядно-пусковые, зарядные агрегаты, которые восстанавливают емкость аккумуляторов. Посредством длинных проводов они присоединяются к батарее, могут использоваться прямо в автомобиле.
2. Зарядки, функционирующие поэтапно. Изначально происходит восстановление емкости, как в описанном выше примере. Далее производится запуск двигателя, при этом АКБ полностью разряжена.

Сегодня рынок предлагает всевозможные модификации устройств, которые предназначены для зарядки аккумуляторов. При выборе оптимальной модели специалисты рекомендуют учитывать квалификацию и опыт водителя.

Для начинающих в автомобильном деле лучше подбирать автоматические зарядки, цикл работы которых регулируется автоматически. Такие агрегаты самостоятельно отключаются, когда батарея полностью восстанавливается.

Если говорить о пятиэтапном зарядном устройстве, оно производит следующие манипуляции. Происходит зарядка до 80%, после чего осуществляется полный дозаряд до 100% при помощи понижающего тока. Впоследствии уровень зарядки поддерживается в рамках 95-100%, выполняется диагностика, а импульсный режим предотвращает сульфатацию АКБ.

Восьмиэтапные устройства обладают еще большим функционалом. Наблюдается зарядка батареи до показателя в 80%, до полного дозаряда используется уменьшающий ток. Производится проверка батареи на способность удерживать заданный заряд, диагностируется ее работоспособность, устраняется сульфатация. Профилактическая зарядка при показателях в 95-100%, предотвращение расслоения электролита, когда батарея максимально заряжена.

Существуют стационарные преобразователи многофункционального типа. Они предназначены для зарядки АКБ всех типов.

Зарядное устройство предназначено для зарядки никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металгидридных (NiMH) аккумуляторов типоразмера АА и ААА.Оно не пртендует на оригинальность или новизну. Схема зарядного устройства отличается простотой и надежностью. За время эксплуатации более 10 лет отказов в работе не было. В схеме нет каких-либо регулирующих элементов, зарядный ток устанавливается автоматически. Зарядное устройство позволяет заряжать, как один аккумулятор, так и батарею из нескольких аккумуляторов. При этом зарядный ток изменяется незначительно.

Особенность схемы является гальваническая связь с электрической сетью 220 В, что требует соблюдения мер электробезопасности. В качестве диодов D1 - D7 используются диоды КД 105 или им подобные. Светодиод D8 - АЛ307 или ему подобный, желаемого цвета свечения. Диоды D1 - D4 могут быть заменены на диодную сборку КЦ405А.Резистором R3 можно подобрать необходимую яркость свечения светодиода.

Конденсатор С1 задает необходимый зарядный ток. Емкость конденсатора рассчитывается по следующей эмпирической формуле:

В = (220 - Uедс) / J

где: C1 в мкФ; Uедс - напряжение на аккумуляторной батареи в В; J - необходимый зарядный ток в А.

Пример - необходимо расчитать емкость конденсатора для зарядки батареи из 8 никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 700 mAh. Зарядный ток (J) будет составлять 0.1 емкости аккумулятора - 0.07 А. Uедс 1.2 х 8 =9.6 В.Следовательно В = (220 - 9.6) / 0.07 = 3005.7.Далее А = 3005.7 - 200 = 2805.7.Емкость конденсатора составит С1 = 3128 / 2805.7 = 1.115 мкФ. Принимается ближайший по номиналу - 1мкФ. Рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 400 В.Конденсатор должен быть только бумажный, использование электролитических конденсаторов не допускается. Рассеиваемая мощность резистора R2 определяется величиной зарядного тока. Для зарядного тока 0.07 А она будет 0.98 Вт (P= JxJxR). Выбирается резистор с рассеиваемой мощность 2 Вт. Конденсатор может быть составлен из нескольких конденсаторов по параллельной, последовательной или смешанной схемам. Зарядное устройство не боится коротких замыканий. После сборки зарядного устройства можно проверить заряный ток, подключив вместо аккумуляторной батарей амперметр. Перед включением зарядного устройства в электрическую сеть необходими подключит к нему аккумуляторню батарею. Если аккумуляторная батарея подключена с нарушением полярности, то будет светиться светодиод D8 (до подключения зарядного устройства к электрической сети). При правильном подключении аккумуляторной батареи и подключении заряного устройства к электрической сети светодиод сигнализирует о прохождении зарядного тока через аккумуляторную батарею.

Зарядное устройство - устройство для заряда электрических аккумуляторов энергией внешнего источника; как правило, - от сети переменного тока напряжением 220 Вольт.

Зарядное устройство состоит из:
— преобразователя напряжения (трансформатор, импульсный блок питания);
— выпрямителя;
— стабилизатора напряжения;
— устройства контроля силы тока или процесса заряда;
— амперметр или светодиодные индикаторы.

Виды зарядных устройств:
— встроенные;
— внешние.

Типы зарядных устройств для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей:
1. Зарядные устройства нормального (медленного) заряда
2. Зарядные устройства быстрого заряда
3. Зарядные устройства скоростного заряда

Зарядные устройства нормального (медленного) заряда .

Используют для зарядки только никель-кадмиевых батарей. Зарядные устройства этого типа, иногда называют ночными, они самые дешевые из всех видов батарей Ток нормального заряда составляет 0,1 с, время заряда – 14 — 16 ч., при таком малом токе и длительном времени заряда трудно определить время окончания заряда По этой причине индикатор готовности батареи в зарядных устройствах для нормального заряда обычно отсутствует.

Если зарядный ток установлен правильно, полностью заряженная батарея становится чуть теплой на ощупь, и нет необходимости немедленно отключать ее от зарядного устройства. В нем батарея может оставаться более чем на один день. Но лучше всего отключать зарядное устройство сразу после окончания заряда.

Не следует использовать зарядные устройства медленного заряда для зарядки батарей малой емкости, так как они рассчитаны на работу с более мощными батареями. В таком случае аккумуляторная батарея станет нагреваться уже по достижении 70% своей емкости.

А в случае, если для зарядки мощной аккумуляторной батареи используется недостаточно мощное зарядное устройство, батарея в процессе заряда будет оставаться холодной и никогда не будет заряжена до конца. Тогда она потеряет часть своей емкости.

Зарядные устройства быстрого заряда.

Используют для зарядки как никель-кадмиевых, так и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей. Они характеризуются как зарядные устройства среднего класса как по скорости заряда, так и по цене. Заряд аккумуляторов в них происходит в течение 3 — 6 часов током около 0,ЗС. В качестве необходимого элемента эти зарядные устройства имеют схему контроля достижения аккумуляторами определенного напряжения в конце заряда и их отключения в этот момент. Зарядные устройства быстрого заряда обеспечивают лучшее по сравнению с устройствами медленного заряда обслуживание аккумуляторов. В настоящее время они уступили свое место зарядным устройствам скоростного заряда.

Зарядные устройства скоростного заряда .

Используют для зарядки как никель-кадмиевых, так и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей. Основное преимущество зарядных устройств скоростного заряда — меньшее время заряда. Хотя из-за большей мощности источника напряжения и необходимости использования специальных узлов контроля и управления такие зарядные устройства имеют наиболее высокие цены. Время заряда в зарядных устройствах такого типа зависит от тока заряда, степени разряда аккумуляторов, их емкости и типа. При токе заряда 1С разряженная никель-кадмиевая батарея заряжается в среднем менее чем за один час. Если же аккумуляторная батарея полностью заряжена, некоторые зарядные устройства переходят в режим подзарядки пониженным током заряда и с отключением по сигналу таймера.

Правила эксплуатации зарядных устройств
— перед включением зарядного устройства поставьте его на ровную поверхность;
— защитите зарядное устройство от воздействия пыли, грязи, продуктов питания, жидкости, перегрева и переохлаждения, а также от прямых солнечных лучей;
— при изменении условий хранения зарядного устройства, которые сопровождаются резким перепадом температуры и влажности, снаружи или внутри него может образоваться конденсат. Прежде чем начать работать с устройством, дайте влаге испариться. Это поможет избежать выхода зарядного устройства из строя.
— при переносе зарядного устройства из холодной среды в более теплую или из теплой в холодную не включайте питание, пока температура устройства не придет в соответствие с температурой среды;
— при отключении кабеля от сети беритесь за специальную петлю на вилке. Не тяните за кабель. Разъединяя разъемы, держите их прямо, чтобы не погнуть контакты. Аналогично, перед подключением кабеля убедитесь в правильной ориентации и соответствии частей разъемов.

Хранение зарядного устройства

Зарядное устройство в заводской упаковке должно храниться в проветриваемых помещениях при температуре воздуха от + 1° до +40° С, относительной влажности до 80%, при отсутствии в воздухе газов и щелочей, паров кислот, вызывающих коррозию.