Параллельное соединение — урок. Физика, 8 класс.

При параллельном соединении все потребители подключены к источнику тока независимо друг от друга и образуют разветвлённую цепь.

 

Рис. \(1\). Параллельное соединение

При параллельном соединении все потребители подключены к одному источнику тока, между клеммами которого имеется определённое напряжение.

Каждый потребитель получает полное напряжение цепи.
 

U=U1=U2=U3=…

 

Рис. \(2\). Параллельное соединение, токи в различных потребителях

При параллельном соединении общий ток является суммой токов, протекающих через отдельные потребители.

 

I=I1+I2+I3+…

 

Общее сопротивление потребителей, находящихся в параллельном соединении, будет наименьшим (меньше, чем наименьшее из сопротивлений параллельно подключённых потребителей).
Если параллельно соединены \(n\) потребителей, а сопротивление каждого из них одинаково и равно \(R\), тогда общее сопротивление цепи будет равно \(R : n\).

Можно сделать вывод о том, что при увеличении числа потребителей общая сила тока неограниченно возрастает, что может привести к пожару.

 

Обрати внимание!

В одну розетку нельзя включать несколько мощных потребителей, так как перенагруженные провода нагреваются и могут загореться.

В квартире потребители включены в параллельное соединение. Подводка электричества, входящего в квартиру, состоит из нескольких проводов, которые проходят через счётчик, измеряющий потребление электроэнергии. Электрический ток течёт через предохранители, которые подключены последовательно и предусмотрены для определённой силы тока в цепи. Они размыкают цепь в случае опасной перегрузки.

Электрический кабель, который используется в электрической цепи квартиры, имеет три провода. Третий провод является заземлением.

Преимуществом параллельного соединения является то, что при отключении одного из потребителей, остальные продолжают работать.

Источники:

 

Рис. 1. Параллельное соединение. © ЯКласс.
Рис. 2. Параллельное соединение, токи в различных потребителях. © ЯКласс.

Параллельное и последовательное соединение проводников. — Объяснение нового материала.

Комментарии преподавателя

Последовательное соединение проводников

Электрические цепи, с которыми приходится иметь дело на практике, обычно состоят не из одного приёмника электрического тока, а из нескольких различных, которые могут быть соединены между собой по-разному. Зная сопротивление каждого и способ их соединения, можно рассчитать общее сопротивление цепи.

На рисунке а изображена цепь последовательного соединения двух электрических ламп, а на рисунке б — схема такого соединения. Если выключать одну лампу, то цепь разомкнётся и другая лампа погаснет.

Рис. Последовательное включение лампочек и источников питания

Мы уже знаем, что при последовательном соединении сила тока в любых частях цепи одна и та же, т. е.

I = I1 = I2

А чему равно сопротивление последовательно соединённых проводников?

Соединяя проводники последовательно, мы как бы увеличиваем длину проводника. Поэтому сопротивление цепи становится больше сопротивления одного проводника.

Последовательное соединение проводников

Общее сопротивление цепи при последовательном соединении равно сумме сопротивлений отдельных проводников (или отдельных участков цепи):

R = R1 + R2

Напряжение на концах отдельных участков цепи рассчитывается на основе закона Ома:

U1 = IR1, U2 = IR2.

Из приведённых равенств видно, что напряжение будет большим на проводнике с наибольшим сопротивлением, так как сила тока везде одинакова.

Полное напряжение в цепи при последовательном соединении, или напряжение на полюсах источника тока, равно сумме напряжений на отдельных участках цепи:

U = U1 + U2.

Это равенство вытекает из закона сохранения энергии. Электрическое напряжение на участке цепи измеряется работой электрического тока, совершающейся при прохождении по участку цепи электрического заряда в 1 Кл. Эта работа совершается за счёт энергии электрического поля, и энергия, израсходованная на всём участке цепи, равна сумме энергий, которые расходуются на отдельных проводниках, составляющих участок этой цепи.

Все приведённые закономерности справедливы для любого числа последовательно соединённых проводников.

Пример 1. Два проводника сопротивлением R1 = 2 Ом, R2 = 3 Ом соединены последовательно. Сила тока в цепи I = 1 А. Определить сопротивление цепи, напряжение на каждом проводнике и полное напряжение всего участка цепи.

Запишем условие задачи и решим её.

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

 

Расчет параметров электрической цепи
при параллельном соединении сопротивлений:

1. сила тока в неразветвленном участке цепи равна сумме сил токов
во всех параллельно соединенных участках

2. напряжение на всех параллельно соединенных участках цепи одинаково

3. при параллельном соединении сопротивлений складываются величины, обратные сопротивлению :

( R — сопротивление проводника,
1/R — электрическая проводимость проводника)

Если в цепь включены параллельно только два сопротивления, то:

( при параллельном соединении общее сопротивление цепи меньше меньшего из включенных сопротивлений )

4. работа электрического тока в цепи, состоящей из параллельно соединенных участков,
равна сумме работ на отдельных участках:

A=A1+A2

5. мощность электрического тока в цепи, состоящей из параллельно соединенных участков,
равна сумме мощностей на отдельных участках:

P=P1+P2

Для двух сопротивлений:

т.е. чем больше сопротивление, тем меньше в нём сила тока.

 

Использованные источники:

• http://www.tepka.ru/fizika_8, http://class-fizika.narod.ru
• https://www.youtube.com/watch?v=AW3n2XP4CQE
• https://www.youtube.com/watch?v=Bo1UwoBicew

 

Файлы

Нет дополнительных материалов для этого занятия.

Напряжение — цепь — управление

Напряжение — цепь — управление

Cтраница 1

Напряжение цепей управления и автоматики должно быть не выше 400 В переменного и 440 В постоянного тока. На кранах, предназначенных для предприятий с электрической сетью 500 В, допускается применение напряжения 500 В.  [1]

Напряжение цепей управления, освещения и сигнализации, а также цепей питания электродвигателей, установленных на кабине и в шахте, не должно превышать 220 В, напряжение цепей питания переносных ламп — 36 В.  [2]

Напряжение цепей управления и автоматики должно быть не выше 400 В переменного и 440 В постоянного тока. На кранах, предназначенных для предприятий с электрической сетью 500 В, допускается применение напряжения 500 В.  [3]

Напряжение цепи управления ( рис. 59) через контакты главного барабана ( на позиции 1) подается на контакты реверсивного барабана. На схеме катушка контактора ЛК получает питание от провода / или от провода 2 через блок-контакт реверсора. Блок-контакт Вп замыкается после поворота реверсора в положение Вперед, а блок-контакт Наз — после поворота в положение Назад. Так блокируют линейные контакторы, замыкающие силовую цепь. Аналогично осуществляют блокирование тормозных переключателей. Токоприемниками управляет машинист из кабины управления. Схемой соединения цепей предусмотрены следующие зависимости.  [4]

Напряжение цепи управления ( рис. 59) через контакты главного вала контроллера подается на контакты реверсивного барабана. При постановке реверсивной рукоятки в положение Вперед замыкается провод 1 и получает питание вентиль реверсора Вп ( если положение Назад, то через провод 2 получает питание вентиль Наз. На схеме катушка контактора Л / С получает питание от провода / или от провода 2 через блок-контакт реверсора. Блок-контакт Вп замыкается после поворота реверсора в положение Вперед, а блок-контакт Наз. Так блокируют линейные контакторы, замыкающие силовую цепь. Аналогично осуществляют блокирование тормозных переключателей.  [5]

Напряжение цепей управления и автоматики должно быть не выше 400 В переменного и 440 В постоянного тока. На кранах, предназначенных для предприятий с электрической сетью 500 В, допускается применение напряжения 500 В.  [6]

Напряжение цепей управления электродвигателями в сложных разветвленных схемах, питающихся от постороннего источника, не должно, как правило, превышать 220 В. Защита электродвигателей при питании цепей управления от постороннего источника должна также осуществляться трехполюс-ными автоматами.  [7]

Напряжение цепей управления электродвигателями в сложных разветвленных схемах, питающихся от посторонних источников, не должно, как правило, превышать 220 В; защита электродвигателей должна осуществляться трехполюсными автоматами, устанавливаемыми в соответствии с требованиями, указанными ранее.  [8]

Напряжение цепей управления, освещения и сигнализации, а также цепей питания электродвигателей, установленных на кабине и в шахте, не должно превышать 220 в, напряжение цепей питания переносных ламп — 36 в. Корпусы электрооборудования заземляют для защиты обслуживающего персонала и пассажиров от поражения электрическим током.  [9]

Напряжение цепей управления и автоматики должно быть не выше 400 В переменного и 440 В постоянного тока. На кранах, предназначенных для предприятий с электрической сетью 500 В, допускается применение напряжения 500 В.  [10]

Напряжение цепей управления обычно 220 В. Если питание цепей управления выполняется независимым, то, рекомендуется производить его от двух независимых источников с установкой АВР. На пульте управления размещаются выключатели, кнопки или ключи управления и сигнальные лампы контроля наличия напряжения на источниках питания и контроля исполнения команд.  [11]

ПЛе Напряжение цепи управления ПО или 220 в постоянного тока, причем четкое включение автомата получается при напряжении не ниже 90 0 номинального напряжения катушки.  [13]

Номинальные мощность, напряжение цепи управления и число отходящих линий составляют 1250 кВА, 220 В и 8 линий соотвегственно.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Включение rLC-цепи на постоянное напряжение

Условимся называть последовательный контур (рис. 14.21) апериодическим, если каждая из составляющих его свободной тока изменяется по экспоненциальному закону.
Сравнивая включение апериодического контура на постоянное напряжение U с апериодической разрядкой конденсатора (см. раздел), заключаем, что установившийся ток по-прежнему равен нулю, а установившееся напряжение на емкостном элементе теперь равно не нулю, a U. Поэтому в отличие от апериодической разрядки конденсатора теперь , т. е. знаки коэффициентов изменяются на обратные. Переходные напряжения и ток

Кривые даны на рис. 14.22. Напряжение монотонно возрастает от нуля до напряжения источника U,причем точка перегиба кривой при получается в момент, когда ток достигает максимального значения. Касательная к кривой в начальный момент t=0 горизонтальна, так как ток в начальный момент равен нулю. Кривые тока i и напряжения по характеру такие же, как и в разделе.

Рис. 14.21

Рис. 14.22

Включение rLC-цепи на постоянное напряжение при исследуется аналогично рассмотренному в разделе.
Сравнивая включение колебательного контура с колебательной разрядкой конденсатора, заключаем, что свободные напряжения и ток в рассматриваемом случае изменяются так же, как и при колебательной разрядке, только теперь и знак коэффициента А изменяется на обратный. Поэтому, как было показано выше, знаки свободных напряжений на емкостном (14.54) и на индуктивном (14.56) элементах и тока (14.55) тоже изменяются на обратные:

Рис. 14.23

Кривые даны на рис. 14.23. Ток совершает затухающие колебания относительного нулевого значения. Напряжение колеблется около своего установившегося значения U и не может превзойти 2U. Оно достигает наибольшего значения примерно через половину периода после включения цепи. Этим пользуются в импульсной технике для получения напряжения на конденсаторе, равного двойному значению напряжения источника питания.
Так же как и при колебательной разрядке конденсатора, заслуживает внимания случай включения на постоянное напряжение идеального колебательного контура (r = 0). В этом случае выполняются равенства (14.58). Поэтому из (14.62) — (14.64) для тока и напряжений на емкости и индуктивности имеем

Ток и напряжения изменяются гармонически с частотой свободных колебаний , при этом напряжение колеблется в пределах от 0 до 2U.
С энергетической точки зрения процесс включения rLC-цепи на постоянное напряжение интересен тем, что при любых r, L, С половина энергии, полученной от источника за время переходного процесса, перейдет в тепло, а другая половина запасется в электрическом поле конденсатора.

Действительно, энергия, поступающая от источника,

или

Как частный случай, из доказанного следует, что те же самые энергетические соотношения будут иметь место и при L=0, т. е. при включении rC-цепи на постоянное напряжение.
Аналогично рассматриваются явления, возникающие при включении апериодического и колебательного контуров на синусоидальное напряжение .

100 ballov.kz образовательный портал для подготовки к ЕНТ и КТА

Код и классификация направлений подготовки	Код группы образовательной программы	Наименование групп образовательных программ	Количество мест
8D01 Педагогические науки
8D011 Педагогика и психология	D001	Педагогика и психология	45
8D012 Педагогика дошкольного воспитания и обучения	D002	Дошкольное обучение и воспитание	5
8D013 Подготовка педагогов без предметной специализации	D003	Подготовка педагогов без предметной специализации	22
8D014 Подготовка педагогов с предметной специализацией общего развития	D005	Подготовка педагогов физической культуры	7
8D015 Подготовка педагогов по естественнонаучным предметам	D010	Подготовка педагогов математики	30
	D011	Подготовка педагогов физики (казахский, русский, английский языки)	23
	D012	Подготовка педагогов информатики (казахский, русский, английский языки)	35
	D013	Подготовка педагогов химии (казахский, русский, английский языки)	22
	D014	Подготовка педагогов биологии (казахский, русский, английский языки)	18
	D015	Подготовка педагогов географии	18
8D016 Подготовка педагогов по гуманитарным предметам	D016	Подготовка педагогов истории	17
8D017 Подготовка педагогов по языкам и литературе	D017	Подготовка педагогов казахского языка и литературы	37
	D018	Подготовка педагогов русского языка и литературы	24
	D019	Подготовка педагогов иностранного языка	37
8D018 Подготовка специалистов по социальной педагогике и самопознанию	D020	Подготовка кадров по социальной педагогике и самопознанию	10
8D019 Cпециальная педагогика	D021	Cпециальная педагогика	20
		Всего	370
8D02 Искусство и гуманитарные науки
8D022 Гуманитарные науки	D050	Философия и этика	20
	D051	Религия и теология	11
	D052	Исламоведение	6
	D053	История и археология	33
	D054	Тюркология	7
	D055	Востоковедение	10
8D023 Языки и литература	D056	Переводческое дело, синхронный перевод	16
	D057	Лингвистика	15
	D058	Литература	26
	D059	Иностранная филология	19
	D060	Филология	42
		Всего	205
8D03 Социальные науки, журналистика и информация
8D031 Социальные науки	D061	Социология	20
	D062	Культурология	12
	D063	Политология и конфликтология	25
	D064	Международные отношения	13
	D065	Регионоведение	16
	D066	Психология	17
8D032 Журналистика и информация	D067	Журналистика и репортерское дело	12
	D069	Библиотечное дело, обработка информации и архивное дело	3
		Всего	118
8D04 Бизнес, управление и право
8D041 Бизнес и управление	D070	Экономика	39
	D071	Государственное и местное управление	28
	D072	Менеджмент и управление	12
	D073	Аудит и налогообложение	8
	D074	Финансы, банковское и страховое дело	21
	D075	Маркетинг и реклама	7
8D042 Право	D078	Право	30
		Всего	145
8D05 Естественные науки, математика и статистика
8D051 Биологические и смежные науки	D080	Биология	40
	D081	Генетика	4
	D082	Биотехнология	19
	D083	Геоботаника	10
8D052 Окружающая среда	D084	География	10
	D085	Гидрология	8
	D086	Метеорология	5
	D087	Технология охраны окружающей среды	15
	D088	Гидрогеология и инженерная геология	7
8D053 Физические и химические науки	D089	Химия	50
	D090	Физика	70
8D054 Математика и статистика	D092	Математика и статистика	50
	D093	Механика	4
		Всего	292
8D06 Информационно-коммуникационные технологии
8D061 Информационно-коммуникационные технологии	D094	Информационные технологии	80
8D062 Телекоммуникации	D096	Коммуникации и коммуникационные технологии	14
8D063 Информационная безопасность	D095	Информационная безопасность	26
		Всего	120
8D07 Инженерные, обрабатывающие и строительные отрасли
8D071 Инженерия и инженерное дело	D097	Химическая инженерия и процессы	46
	D098	Теплоэнергетика	22
	D099	Энергетика и электротехника	28
	D100	Автоматизация и управление	32
	D101	Материаловедение и технология новых материалов	10
	D102	Робототехника и мехатроника	13
	D103	Механика и металлообработка	35
	D104	Транспорт, транспортная техника и технологии	18
	D105	Авиационная техника и технологии	3
	D107	Космическая инженерия	6
	D108	Наноматериалы и нанотехнологии	21
	D109	Нефтяная и рудная геофизика	6
8D072 Производственные и обрабатывающие отрасли	D111	Производство продуктов питания	20
	D114	Текстиль: одежда, обувь и кожаные изделия	9
	D115	Нефтяная инженерия	15
	D116	Горная инженерия	19
	D117	Металлургическая инженерия	20
	D119	Технология фармацевтического производства	13
	D121	Геология	24
8D073 Архитектура и строительство	D122	Архитектура	15
	D123	Геодезия	16
	D124	Строительство	12
	D125	Производство строительных материалов, изделий и конструкций	13
	D128	Землеустройство	14
8D074 Водное хозяйство	D129	Гидротехническое строительство	5
8D075 Стандартизация, сертификация и метрология (по отраслям)	D130	Стандартизация, сертификация и метрология (по отраслям)	11
		Всего	446
8D08 Сельское хозяйство и биоресурсы
8D081 Агрономия	D131	Растениеводство	22
8D082 Животноводство	D132	Животноводство	12
8D083 Лесное хозяйство	D133	Лесное хозяйство	6
8D084 Рыбное хозяйство	D134	Рыбное хозяйство	4
8D087 Агроинженерия	D135	Энергообеспечение сельского хозяйства	5
	D136	Автотранспортные средства	3
8D086 Водные ресурсы и водопользование	D137	Водные ресурсы и водопользования	11
		Всего	63
8D09 Ветеринария
8D091 Ветеринария	D138	Ветеринария	21
		Всего	21
8D11 Услуги
8D111 Сфера обслуживания	D143	Туризм	11
8D112 Гигиена и охрана труда на производстве	D146	Санитарно-профилактические мероприятия	5
8D113 Транспортные услуги	D147	Транспортные услуги	5
	D148	Логистика (по отраслям)	4
8D114 Социальное обеспечение	D142	Социальная работа	10
		Всего	35
		Итого	1815
		АОО «Назарбаев Университет»	65
		Стипендиальная программа на обучение иностранных граждан, в том числе лиц казахской национальности, не являющихся гражданами Республики Казахстан	10
		Всего	1890

Цепь переменного тока с ёмкостью

Поскольку после того, как конденсатор зарядился полностью, он не пропускает через себя электрический ток, и поэтому идеальный конденсатор (ёмкость), установленный в цепи постоянного тока, обладает бесконечно большим сопротивлением.

Цепь переменного тока с ёмкостью

 

 

Если же произвести подключение конденсатора к источнику переменного тока, то процесс его заряда и разряда будет осуществляться непрерывно. Это означает, что через ёмкость будет проходить переменный электрический ток.

Ток i при условии включения в цепь переменного тока некоторой ёмкости будет определяется количеством электричества q, протекающего по этой цепи в единицу времени. Из этого следует, что:

где Δq – это изменение заряда q (то есть количества электричества) в течение времени Δt.

Что касается заряда q, который накоплен при изменениях напряжения u в конденсаторе, то он также подвержен непрерывному изменению, которое выражается формулой:

где Δu – это изменение напряжения u в течение промежутка времени Δt.

Та скорость, с которой изменяется напряжение (она выражается отношением Δu/Δt) будет иметь свои наибольшие значения тогда, когда угол ωt равняется 360°, 180° и 0°. Из этого следует, что значение тока i принимает свои наибольшие величины именно в эти моменты времени. Если же угол ωt равняется 270° и 90°, то i = 0, поскольку скорость изменения напряжения Δu/Δt = 0.

Ток и напряжение в цепи переменного тока с ёмкостью

Ток заряда, который принято считать положительным, в цепи течет тогда, когда происходит заряд конденсатора, то есть на протяжение первой четверти периода. По мере того, как разница потенциалов на электродах ёмкости растет вследствие накопления ею электрического заряда, значение тока i падает. Когда ωt = 90°, наступает полный заряд емкости, значение i = 0, а разность потенциалов между электродами конденсатора обретает то же самое значение, что и напряжение источника тока.

Значение тока i становится отрицательным тогда, когда он меняет свое направление. Это происходит тогда, когда ёмкость начинает разряжаться, то есть во второй четверти периода. Тогда, когда u = 0 а ωt = 180°, значение тока i становится максимальным. В этот же самый момент ток i начинает течь в обратном направлении (его принято считать отрицательным), начинается процесс перезарядки емкости, а полярность напряжения u источника также меняется на противоположную. Когда ωt = 270° значение тока i становится равным нулю, и поэтому процесс заряда прекращается. После чего начинается разряд при первоначальном (то есть положительном) направлении тока.

Получается, что ёмкость и заряжается, и разряжается два раза на протяжении одного периода изменения напряжения. Из этого следует, что переменный ток i протекает в цепи непрерывно. Когда ёмкость включается в цепь переменного тока, то ток i опережает напряжение u по фазе на угол, равный 90°. Можно также сказать, что напряжение u отстает по фазе от тока i на угол, равный 90°.

Емкостное сопротивление

Сопротивление, которое проявляет ёмкость к переменному току, носит название емкостного. Единицей измерения этой величины является Ом, а обозначается оно Х_с. Физическая природа емкостного сопротивления заключается в том, что оно обусловлено возникающей в конденсаторе ЭДС ес. Направление этой электродвижущей силы противоположно приложенному напряжению u, поскольку заряженная ёмкость рассматривается в качестве источника, у которого между пластинами действует некоторая ЭДС ес. Именно она препятствует тому, чтобы под действием напряжения u происходило изменение тока, то есть оказывает определенное сопротивление его прохождению.

Закон Ома

На рисунке показана схема знакомой вам простейшей электрической цепи. Эта замкнутая цепь состоит из трех элементов:

• источника напряжения – батареи GB;
• потребителя тока – нагрузки R, которой может быть, например, нить накала электрической лампы или резистор;
• проводников, соединяющих источник напряжения с нагрузкой.

Схема простейшей электрической цепи.

Между прочим, если эту цепь дополнить выключателем, получится полная схема карманного электрического фонаря. Нагрузка R, обладающая определенным сопротивлением, является участком цепи.

Значение тока на этом участке цепи зависит от действующего на нем напряжения и его сопротивления: чем больше напряжение и меньше сопротивление, тем большим ток будет идти по участку цепи.

Эта зависимость тока от напряжения и сопротивления выражается следующей формулой:

I = U/R, где

• I – ток, выраженный в амперах, А;
• U – напряжение в вольтах, В;
• R – сопротивление в омах, Ом.

Зависимость силы тока от напряжения.

Читается это математическое выражение так: ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению на нем и обратно пропорционален его сопротивлению. Это основной закон электротехники, именуемый законом Ома (по фамилии Г. Ома) для участка электрической цепи. Используя закон Ома, можно по двум известным электрическим величинам узнать неизвестную третью. Вот несколько примеров практического применения закона Ома:

1. Первый пример. На участке цепи, обладающем сопротивлением 5 Ом, действует напряжение 25 В. Надо узнать значение тока на этом участке цепи. Решение: I = U/R = 25 / 5 = 5 А.
2. Второй пример. На участке цепи действует напряжение 12 В, создавая в нем ток, равный 20 мА. Каково сопротивление этого участка цепи? Прежде всего ток 20 мА нужно выразить в амперах. Это будет 0,02 А. Тогда R = 12 / 0,02 = 600 Ом.
3. Третий пример. Через участок цепи сопротивлением 10 кОм течет ток 20 мА. Каково напряжение, действующее на этом участке цепи? Здесь, как и в предыдущем примере, ток должен быть выражен в амперах (20 мА = 0,02 А), сопротивление в омах (10 кОм = 10000 Ом). Следовательно, U = IR = 0,02×10000 = 200 В.

На цоколе лампы накаливания плоского карманного фонаря выштамповано: 0,28 А и 3,5 В. О чем говорят эти сведения? О том, что лампочка будет нормально светиться при токе 0,28 А, который обусловливается напряжением 3,5 В. Пользуясь законом Ома, нетрудно подсчитать, что накаленная нить лампочки имеет сопротивление R = 3,5 / 0,28 = 12,5 Ом.

Это сопротивление именно накаленной нити лампочки, сопротивление остывшей нити значительно меньше. Закон Ома справедлив не только для участка, но и для всей электрической цепи. В этом случае в значение R подставляется суммарное сопротивление всех элементов цепи, в том числе и внутреннее сопротивление источника тока. Однако при простейших расчетах цепей обычно пренебрегают сопротивлением соединительных проводников и внутренним сопротивлением источника тока.

В связи с этим нужно привести еще один пример: напряжение электроосветительной сети 220 В. Какой ток потечет в цепи, если сопротивление нагрузки равно 1000 Ом? Решение: I = U/R = 220 / 1000 = 0,22 А. Примерно такой ток потребляет электрический паяльник.

Закон Ома для участка цепи.

Всеми этими формулами, вытекающими из закона Ома, можно пользоваться и для расчета цепей переменного тока, но при условии, если в цепях нет катушек индуктивности и конденсаторов.

Закон Ома и производные от него расчетные формулы достаточно легко запомнить, если пользоваться вот этой графической схемой, это так называемый треугольник закона Ома.

Пользоваться этим треугольником легко, достаточно четко запомнить, что горизонтальная линия в нем означает знак деления (по аналогии дробной черты), а вертикальная линия означает знак умножения.

Теперь следует рассмотреть такой вопрос: как влияет на ток резистор, включаемый в цепь последовательно с нагрузкой или параллельно ей? Лучше разобрать это на примере. Имеется лампочка от круглого электрического, фонаря, рассчитанная на напряжение 2,5 В и ток 0,075 А. Можно ли питать эту лампочку от батареи 3336Л, начальное напряжение которой 4,5 В?

Нетрудно подсчитать, что накаленная нить этой лампочки имеет сопротивление немногим больше 30 Ом. Если же питать ее от свежей батареи 3336Л, то через нить накала лампочки, по закону Ома, пойдет ток, почти вдвое превышающий тот ток, на который она рассчитана. Такой перегрузки нить не выдержит, она перекалится и разрушится. Но эту лампочку все же можно питать от батареи 336Л, если последовательно в цепь включить добавочный резистор сопротивлением 25 Ом.

В этом случае общее сопротивление внешней цепи будет равно примерно 55 Ом, то есть 30 Ом – сопротивление нити лампочки Н плюс 25 Ом – сопротивление добавочного резистора R. В цепи, следовательно, потечет ток, равный примерно 0,08 А, то есть почти такой же, на который рассчитана нить накала лампочки.

Закон Ома для полной цепи.

Эту лампочку можно питать от батареи и с более высоким напряжением и даже от электроосветительной сети, если подобрать резистор соответствующего сопротивления. В этом примере добавочный резистор ограничивает ток в цепи до нужного нам значения. Чем больше будет его сопротивление, тем меньше будет и ток в цепи. В данном случае в цепь было включено последовательно два сопротивления: сопротивление нити лампочки и сопротивление резистора. А при последовательном соединении сопротивлений ток одинаков во всех точках цепи.

Можно включать амперметр в любую точку, и всюду он будет показывать одно значение. Это явление можно сравнить с потоком воды в реке. Русло реки на различных участках может быть широким или узким, глубоким или мелким. Однако за определенный промежуток времени через поперечное сечение любого участка русла реки всегда проходит одинаковое количество воды.

Добавочный резистор, включаемый в цепь последовательно с нагрузкой, можно рассматривать как резистор, «гасящий» часть напряжения, действующего в цепи. Напряжение, которое гасится добавочным резистором или, как говорят, падает на нем, будет тем большим, чем больше сопротивление этого резистора. Зная ток и сопротивление добавочного резистора, падение напряжения на нем легко подсчитать все по той же знакомой вам формуле U = IR, здесь:

• U – падение напряжения, В;
• I – ток в цепи, A;
• R – сопротивление добавочного резистора, Ом.

Применительно к примеру резистор R (см. рис.) погасил избыток напряжения: U = IR = 0,08×25 = 2 В. Остальное напряжение батареи, равное приблизительно 2,5 В, упало на нити лампочки. Необходимое сопротивление резистора можно найти по другой знакомой вам формуле R = U/I, где:

• R – искомое сопротивление добавочного резистора, Ом;
• U – напряжение, которое необходимо погасить, В;
• I – ток в цепи, А.

Для рассматриваемого примера сопротивление добавочного резистора равно: R = U/I = 2/0,075, 27 Ом. Изменяя сопротивление, можно уменьшать или увеличивать напряжение, которое падает на добавочном резисторе, таким образом регулируя ток в цепи. Но добавочный резистор R в такой цепи может быть переменным, то есть резистором, сопротивление которого можно изменять (см. рис. ниже).

Регулирование тока в цепи с помощью переменного резистора.

В этом случае с помощью движка резистора можно плавно изменять напряжение, подводимое к нагрузке Н, а значит, плавно регулировать ток, протекающий через эту нагрузку. Включенный таким образом переменный резистор называют реостатом. С помощью реостатов регулируют токи в цепях приемников, телевизоров и усилителей. Во многих кинотеатрах реостаты использовали для плавного гашения света в зрительном зале. Есть и другой способ подключения нагрузки к источнику тока с избыточным напряжением – тоже с помощью переменного резистора, но включенного потенциометром, то есть делителем напряжения, как показано на рисунке ниже.

Регулирование напряжения на нагрузке R2 с помощью переменного резистора включенного в электрическую цепь потенциометром.

Здесь R1 – резистор, включенный потенциометром, a R2 – нагрузка, которой может быть та же лампочка накаливания или какой-то другой прибор. На резисторе R1 происходит падение напряжения источника тока, которое частично или полностью может быть подано к нагрузке R2. Когда движок резистора находится в крайнем нижнем положении, к нагрузке напряжение вообще не подается (если это лампочка, она гореть не будет).

Закон Ома: схема и теория.

По мере перемещения движка резистора вверх мы будем подавать все большее напряжение к нагрузке R2 (если это лампочка, ее нить будет накаливаться). Когда же движок резистора R1 окажется в крайнем верхнем положении, к нагрузке R2 будет подано все напряжение источника тока (если R2 – лампочка карманного фонаря, а напряжение источника тока большое, нить лампочки перегорит). Можно опытным путем найти такое положение движка переменного резистора, при котором к нагрузке будет подано необходимое ей напряжение.

Переменные резисторы, включаемые потенциометрами, широко используют для регулирования громкости в приемниках и усилителях. Резистор может быть непосредственно подключен параллельно нагрузке. В таком случае ток на этом участке цепи разветвляется и идет двумя параллельными путями: через добавочный резистор и основную нагрузку. Наибольший ток будет в ветви с наименьшим сопротивлением.

Сумма же токов обеих ветвей будет равна току, расходуемому на питание внешней цепи. К параллельному соединению прибегают в тех cлучаях, когда надо ограничить ток не во всей цепи, как при последовательном включении добавочного резистора, а только на каком-то участке. Добавочные резисторы подключают, например, параллельно миллиамперметрам, чтобы ими можно было измерять большие токи. Такие резисторы называют шунтирующими или шунтами. Слово шунт означает ответвление.

Напряжение | carlingtech.com

Электричество — это движение электронов от одного атома к другому. Поток электронов через электрический проводник называется электрическим током. Электрическое давление, необходимое для того, чтобы вызвать это движение, составляет напряжение . Само по себе напряжение не течет по проводникам, а является силой, заставляющей течь ток (измеряемый в амперах). Напряжение также называют электрическим потенциалом, потому что, если в проводнике присутствует напряжение, существует потенциал для протекания тока.

Номинальное напряжение зависит от способности автоматического выключателя подавлять внутреннюю дугу, возникающую при размыкании контактов автоматического выключателя. Напряжение Номинальное напряжение , указанное для автоматических выключателей Carling Technologies, представляет собой максимальное напряжение , допустимое для правильной работы выключателя при номинальном токе. Carling предлагает номиналы как переменного (переменного тока), так и постоянного (постоянного тока) напряжения.

AC / DC

Переменный или переменный ток — это электрический ток или напряжение, которое меняет направление потока через равные промежутки времени и имеет попеременно положительные и отрицательные значения, среднее значение которых за период времени равно нулю.Количество изменений (или циклов) этого значения в секунду составляет , частота . Частота измеряется в герцах (Гц). Чем больше циклов в секунду, тем выше частота. Электрическая «сеть» в Северной Америке основана на очень стабильной частоте 60 Гц. В большинстве европейских стран используется частота 50 Гц. Все номинальные значения переменного напряжения Carling Technologies указаны как 50/60 Гц.

Постоянный или постоянный ток — это электрический ток или напряжение, которое может иметь пульсирующие характеристики, но не меняет направление на противоположное.

Каждый автоматический выключатель Carling Technologies должен иметь максимальное номинальное напряжение переменного и / или постоянного тока, указанное на этикетке. Этот рейтинг основан на сочетании конфигурации цепи, номинального тока катушки, частоты, количества полюсов (или фазы) и требований применимых регулирующих органов. В случае многофазных / многополюсных автоматических выключателей этот номинал будет представлять максимальное линейное напряжение.

Доступны электрические столы

Кроме того, для каждой серии автоматических выключателей Carling Technologies мы предлагаем интерактивные PDF-файлы, которые содержат электрические таблицы, в которых подробно описывается взаимосвязь между всеми этими элементами.Ниже приведен пример такого электрического стола. В этом случае в таблице представлен автоматический выключатель с ручкой серии A в качестве дополнительного устройства защиты.

Используя эту таблицу, можно рассчитать:

• Максимальный номинальный ток для автоматического выключателя с последовательной цепью отключения, номинальным током 25 А, однофазным напряжением 50/0 Гц переменного тока будет 277 В переменного тока .
• Максимальный номинал для автоматического выключателя с последовательной цепью отключения, номинальный ток 25 А, трехфазный Напряжение переменного тока 50/0 Гц будет 250 В переменного тока
• Максимальный номинал для автоматического выключателя с последовательной цепью отключения, номинальным током 25 А, напряжением постоянного тока будет 80 В постоянного тока

Файлы PDF, содержащие электрические таблицы, а также другие спецификации, можно найти на странице продукта конкретной серии на этом веб-сайте.

ПРИМЕЧАНИЕ. Номинальное напряжение автоматического выключателя должно быть равно или превышать напряжение цепи. Номинальное напряжение автоматического выключателя может быть выше, чем напряжение в цепи, но никогда не может быть ниже. Например, автоматический выключатель на 277 В переменного тока можно использовать в цепи 125 В переменного тока. Автоматический выключатель 125 В переменного тока нельзя использовать в цепи 277 В переменного тока.

Рейтинги

Максимальное номинальное напряжение постоянного тока автоматического выключателя

Carling Technologies варьируется от 65 В постоянного тока (серия M, серия D) до 80 В постоянного тока (серия A, серия B, серия C) до 125 В постоянного тока (серия C UL489, серия E, F-серия).Максимальное номинальное напряжение переменного тока варьируется от 240 В переменного тока (серия C UL489) ​​до 250 В переменного тока (серия M) до 277 В переменного тока (серия A, серия B) до 480 В переменного тока (серия C, серия D) до 600 В переменного тока (серия E, F -Серии).

Напряжение холостого хода в органических солнечных элементах

Напряжение холостого хода ( В _OC ) — это максимальное напряжение, которое солнечный элемент может подавать на внешнюю цепь, которое получается в результате расщепления дырочных и электронных квазиуровней Ферми.В солнечных элементах из кристаллического кремния эффективная плотность состояний внизу (вверху) зоны проводимости (валентной) постоянна, и квазиуровень Ферми может быть непосредственно вычислен с помощью распределения Ферми – Дирака. Однако в органических материалах, как и в аморфном Si, беспорядок вызывает состояния щелевого хвоста. Релаксация носителей в эти состояния хвоста понижает электронный квазиуровень Ферми и дырочный квазиуровень Ферми, и, следовательно, уменьшает V _OC .Кроме того, рекомбинация носителей различного типа может вызвать дополнительные потери В _OC . В этой статье рассматривается прогресс исследований в понимании происхождения V _OC в органических солнечных элементах. В частности, на основе модели плотности состояний обсуждается зависимость V _OC от четырех важных факторов, а именно температуры, интенсивности света, работы выхода электрода и микроструктуры материала.Также кратко представлены методы улучшения V _OC и проанализированы их механизмы.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Что такое напряжение? — Основы схемотехники

В статье «Что такое электричество?» Мы обсуждали, что электричество можно определить как поток заряда.Но чтобы понять электричество более подробно, нам нужно обсудить концепции напряжения , тока и сопротивления . Эти три свойства являются строительными блоками того, как мы моделируем и описываем электричество. В этой статье мы сосредоточимся на концепции напряжения .

Напряжение — это сила, которая заставляет заряды течь. Напряжение также известно как электродвижущая сила или ЭДС. Это разность потенциалов между двумя выводами, при которых на одном выводе собрано больше электронов, чем на другом.

Напряжение измеряется в вольтах (В), которые являются производной единицей измерения электрического потенциала. Он назван в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который в 1799 году изобрел первую химическую батарею, известную как вольтовую батарею :

Гальваническая куча Гальваническая свая

Гальваническая свая состоит из трех различных типов дисков: один из цинка, другой из меди и другой из кожи, пропитанной кислотой. Кислота в коже лишает атомы цинка двух валентных электронов.У атомов цинка теперь отсутствуют два электрона, поэтому они «крадут» два валентных электрона у меди.

В результате на цинковых пластинах остается много дополнительных электронов, а на медных пластинах остается много пропавших электронов. Это пример запасенной электрической потенциальной энергии. Разница в электрической потенциальной энергии между цинковыми и медными пластинами называется напряжением.

Если два конца башни соединены, электроны могут течь от цинковых пластин к медным пластинам, что создает явление электричества, поток заряда.

Определение напряжения

Напряжение определяется как потенциальная энергия на заряд:

Где V — напряжение, E — разность потенциальной энергии в джоулях, а Q — заряд в кулонах.

Через это уравнение напряжение связано с зарядом и потенциальной энергией. Следовательно, 1 вольт эквивалентен 1 джоуля на кулон заряда.

Серия

и параллельные схемы

Существует два типа цепей, в которых напряжение ведет себя по-разному — последовательные цепи и параллельные цепи.Это схема последовательной цепи:

Последовательная цепь

Последовательная цепь состоит из компонентов, соединенных одним путем, что дает электричеству только один путь. В этой цепи напряжение рассеивается пропорционально сопротивлению каждой нагрузки / компонента. Сопротивление компонентов складывается, и общее падение напряжения должно быть эквивалентно ЭДС источника питания.

Это схема параллельной цепи:

Параллельная цепь

Параллельная цепь состоит из компонентов, соединенных несколькими путями.В этой схеме напряжение постоянно на каждом пути, а сопротивление рассчитывается по следующему уравнению:

Мы предполагаем, что полное падение напряжения в цепи эквивалентно ЭДС источника питания. Разность потенциалов между положительной и отрицательной клеммами всегда должна быть равна разности потенциалов аккумулятора, поскольку предполагается, что отрицательная клемма находится под напряжением 0 В, иначе известная как земля (GND).

Батареи

делятся на две категории — по выходному напряжению и по емкости.Емкость аккумулятора обычно измеряется в ампер-часов (Ач). Ампер-час — это максимальное количество тока, которое батарея может обеспечить за один час. Например, аккумулятор на 12 Ач может обеспечивать ток 12 А в течение 1 часа.

Большинство маленьких батарей имеют небольшую емкость, поэтому их ампер-часы указываются в миллиампер-часах (мАч). Один ампер-час равен 1000 миллиампер-часам.

Конфигурации батарей

Батареи можно подключать последовательно или параллельно, их напряжение и емкость будут разными в зависимости от того, как они подключены.

В последовательной конфигурации емкость остается той же, но напряжения двух батарей складываются. Согласно уравнению E = QV, полная потенциальная энергия системы удвоилась. Но поскольку емкость батарей остается прежней, эта конфигурация может обеспечивать вдвое больше энергии, но при тех же ампер-часах.

В параллельной конфигурации напряжение остается прежним, но емкости батарей складываются. Однако мы знаем, что энергия этой системы вдвое больше, чем у одной батареи.Таким образом, такая конфигурация позволяет батарее обеспечивать удвоенный ток в течение того же времени.

Измерение напряжения

Падение напряжения — это уменьшение электрического потенциала на пути тока, протекающего в электрической цепи. Чем больше сопротивление компонента, тем больше падение напряжения на его выводах. Когда ток встречает сопротивление, электрическая потенциальная энергия теряется, поскольку она преобразуется в другую форму энергии для выполнения работы.Например, в резисторах потенциальная электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Мы можем измерить эту разницу потенциалов, подключив вольтметр или мультиметр в параллельной конфигурации, например:

Для измерения напряжения в более сложных схемах мы можем использовать правило делителя напряжения. Это правило применяется только к последовательным цепям, имеющим более одной нагрузки / компонента. Подключите вольтметр или мультиметр к отдельному компоненту цепи, как показано ниже.

Выходное напряжение (Vout) пропорционально отношению сопротивления нагрузки к общему сопротивлению цепи. В этом случае выходное напряжение рассчитывается следующим образом:

Интересные приложения напряжения

Электричество необходимо в нашей повседневной жизни, и многие из нас знакомы с его использованием. Однако, чтобы проиллюстрировать концепцию напряжения, есть два применения электричества, о которых вы, возможно, не слышали.

Плитка Пельтье

Плитки Пельтье — это плитки, которые работают с эффектом Пельтье. Когда напряжение подается на анод и катод плитки, на одной стороне плитки можно наблюдать эффект нагрева, а на другой — эффект охлаждения. Разница потенциалов в электричестве способна создать аналогичную разность потенциалов в температуре. Чем больше напряжение, тем больше разница температур между двумя сторонами плитки.

Еще одна интересная особенность плиток Пельтье — это то, что эффект обратимый. Если одна сторона плитки подвергается воздействию источника горячей температуры, а другая — источнику низкой температуры, будет создаваться напряжение. Напряжение будет зависеть от величины разницы температур.

Пьезоэлектрические диски

Пьезоэлектрические диски — это небольшие датчики, работающие на пьезоэлектрическом эффекте. Когда к диску прикладывается механическое напряжение, деформация двух разных материалов может создавать небольшое напряжение, которое может приводить в действие небольшие компоненты.

Напряжение холостого хода и ток короткого замыкания — Интернет

Часто продаются многочисленные виды генераторов и генераторов, которые могут вообще не подходить для использования в ветряных генераторах. Чаще всего реальная мощность генератора скрывается из-за диких заявлений о напряжении холостого хода (OCV) и токе короткого замыкания (SCC). Перестань дурачиться! В этой статье будет описано, что такое напряжение холостого хода и ток короткого замыкания, и объяснено, почему они важны для проектирования ветряной турбины, которая производит оптимальную мощность при реальных скоростях ветра.

Трехфазный генератор вырабатывает «дикий» переменный ток (AC), который преобразуется в постоянный ток (DC) трехфазным мостовым выпрямителем, как показано на схеме ниже. Результирующее выпрямленное напряжение постоянного тока можно использовать для зарядки аккумулятора, питания сетевого инвертора (GTI) или может использоваться с нагревательным элементом постоянного тока для нагрева воздуха или воды. В большинстве случаев небольшие ветряные генераторы используются для зарядки одной или нескольких батарей, которые обычно называют аккумуляторными батареями.

Рисунок 1: Блок-схема ветряного генератора, заряжающего 12-вольтовую батарею.

Есть две основные характеристики генератора, которые необходимо знать, чтобы определить, будет ли он подходящим кандидатом в качестве части ветряной турбины. Первый — это напряжение холостого хода, а второй — ток короткого замыкания.

Напряжение холостого хода для ветряных турбин

Генераторы, вращающиеся без нагрузки (к выпрямителю ничего не подключено), генерируют напряжение холостого хода (OCV). Это напряжение пропорционально оборотам генератора и является довольно линейным, что означает фиксированное количество оборотов на вольт.По мере увеличения частоты вращения генератора напряжение увеличивается.

Например, если OCV генератора составляет 12 В постоянного тока при 100 об / мин, то при 200 об / мин OCV генератора будет примерно 24 В постоянного тока. Это говорит о том, что когда вы удваиваете число оборотов в минуту, вы удваиваете напряжение.

При проектировании ветряной турбины важно согласовать производительность генератора с частотой вращения лопастей ротора, охватывающую нормальный диапазон скорости ветра 8–30 миль в час.

В качестве примера давайте спроектируем хороший OCV для ветрогенератора, который будет использоваться для зарядки 12-вольтовой аккумуляторной батареи.Вы хотите, чтобы OCV генератора выдавал около 12 В постоянного тока при ветре примерно 7-8 миль в час, чтобы ветряная турбина начала заряжать аккумуляторную батарею на 12 В.

К сожалению, многие генераторы или двигатели постоянного тока, которые на первый взгляд выглядят хорошо, для достижения 12 В постоянного тока требуют гораздо более высоких оборотов в минуту, чем то, что можно получить в хорошем комплекте лопастей ветряных турбин. В качестве примера предположим, что вы используете 35-дюймовые лезвия (например, нашу серию лезвий WindGrabber Blade Series) и развиваете скорость 250 об / мин при ветре 7-8 миль в час. Если 35-дюймовые лопасти могут развивать скорость 250 об / мин при ветре 7–8 миль в час, то мы знаем, что наш генератор должен выдавать OCV 12 В постоянного тока при примерно 250 об / мин.Если мы спроектируем генератор для выработки 12 В постоянного тока при примерно 250 об / мин и будем использовать 35-дюймовые лопасти, тогда у нас будет ветряная турбина, которая производит правильный OCV для правильной зарядки 12-вольтовой аккумуляторной батареи!

В качестве примечания, обычно небольшие ветряные турбины мощностью ~ 1000 Вт работают в диапазоне 200-800 об / мин. Да, можно добавить зубчатую передачу, но, как и на велосипеде с зубчатой ​​передачей, лопасти становится труднее поворачивать, и требуется более высокая скорость ветра, чтобы заставить их вращаться и поддерживать их вращение. Бесплатных обедов нет. Как правило, лучше выбрать генератор, который может генерировать 12 В постоянного тока при довольно низких оборотах, и не использовать зубчатую передачу.

Прежде чем вы начнете читать, вот видео, которое показывает напряжение холостого хода в зависимости от частоты вращения нашего генератора Windtura 750:

И прежде чем мы начнем говорить о токе короткого замыкания, посмотрите это видео о токе короткого замыкания. по сравнению с частотой вращения нашего генератора Windtura 750:

Ток короткого замыкания, приложенный к ветряным турбинам

Итак, предположим, мы нашли или спроектировали генератор, который может производить OCV 12 В постоянного тока при правильных оборотах для нашего набора лопастей.Следующий вопрос: «Может ли он производить достаточный ток (в амперах) при увеличении числа оборотов?» Здесь и вступает в игру ток короткого замыкания (SCC). В этом случае положительный и отрицательный выходы постоянного тока мостового выпрямителя связаны вместе (закорочены), а амперметр используется для измерения тока при увеличении частоты вращения. Проверка до 800 об / мин на мощном стенде двигателя в большинстве случаев достаточна, чтобы определить, какова кривая SCC генератора. Как и в случае с напряжением, есть некоторые генераторы, которые просто не производят большого тока при 800 об / мин, чтобы их можно было считать хорошими кандидатами для использования в небольшой ветряной турбине мощностью ~ 1000 Вт.(Если вы забыли, почему мы используем число 800 об / мин, это связано с тем, что это примерно максимальная частота вращения, с которой небольшая ветряная турбина мощностью 1000 Вт может ударить при сильном ветре. Нас не заботит SCC генератора на 5000 об / мин, потому что ветряная турбина никогда не достигнет таких высоких оборотов)

Важно отметить, что МАКСИМАЛЬНЫЙ ток, который может развить генератор, возникает при коротком замыкании. После добавления батареи или какой-либо другой нагрузки в цепи увеличивается сопротивление, и, следовательно, ток, который может протекать, будет меньше.На практике самая последняя информация, которую вы когда-либо видели от генератора в реальном приложении, составляет около 50-70% от SCC в хорошо спроектированной системе.

Ниже приведены OCV и SSC для текущей модели Windtura 750 (2012 г.). Некоторые улучшения могут произойти в будущем, поэтому не считайте эту диаграмму ничем иным, как снимком текущего состояния нашего PMA. Для получения этих данных использовался газовый испытательный стенд, показанный на двух видео выше.

Рисунок 2: OCV по сравнению с RPM и SSC по сравнению сОбороты генератора Windtura 750

Вы можете видеть, что OCV достигало 12 В при 140 об / мин и росло с постоянной скоростью относительно об / мин (приблизительно 10,4 об / мин / вольт или около 0,1 вольт / об / мин). SCC составлял около 18 ампер при 140 об / мин и достигал максимума выше 50 ампер при более высоких оборотах. Именно так выглядит хороший кандидат на генератор для небольшой ветряной турбины: OCV Windtura 750 примерно удваивается, когда удваиваются обороты генератора. И SCC продолжает быстро расти в диапазоне 200-800 об / мин!

На практике, в сочетании с набором наших лопастей WindGrabber, генератор Windtura 750 может производить 35-40 ампер при сильном ветре (27-30 миль в час).В аккумуляторной системе на 12 В это означает, что на аккумуляторную батарею подается около 500 Вт, а для системы на 24 В — более 1000 Вт.

Совет: не обманывайтесь недобросовестными продавцами

ВНИМАНИЕ. Некоторые поставщики используют один трюк, чтобы рекламировать фантастические уровни ватт, взяв OCV и умножив его на SCC! Это неверно. Не поддавайтесь на это!

Из того, что вы читали выше, вы знаете, что тест OCV проводился без нагрузки, а тест SCC проводился с закороченной турбиной.Вы не можете делать и то, и другое одновременно, но эти поставщики надеются, что вы этого не понимаете. В настоящей аккумуляторной системе напряжение будет поддерживаться в диапазоне 12-14,5 В с блоком батарей 12 В и 24-29 В с блоком батарей 24 В.

Пока напряжение, создаваемое ветрогенератором, немного выше, чем напряжение батареи, ток может течь, и вы хотите, чтобы протекал как можно больше тока. Истинная передаваемая мощность (Вт) — это напряжение (напряжение аккумуляторной батареи), умноженное на измеренный ток.

Это напряжение НЕ является OCV, а измеренный ток НЕ является SSC! На данный момент нас больше не интересуют OCV и SCC, поскольку эти тесты просто использовались, чтобы определить, будет ли потенциальный генератор хорошим выбором для использования в небольшой ветряной турбине.

A Заключительное примечание. Потери в статоре

Потери в статоре: Мощность (ватты) рассчитывается как квадрат тока (в амперах), умноженный на сопротивление статора (Ом). Если у статора высокое сопротивление, даже, скажем, 3 Ом, при 10 А он будет потреблять 10 А x 10 А x 3 Ом = 300 Вт! Это 300 Вт, которых не хватит ни на батарею, ни на GTI, а статор тоже сильно нагреется! Совершенно очевидно, что очень важно использовать статор с низким сопротивлением и использовать провода большого сечения во всей системе.Низкое сопротивление позволит протекать наибольшему току и подавать наибольшее количество Вт на вашу нагрузку (аккумуляторную батарею, GTI, нагревательный элемент и т. Д.).

WindyNation содержит массу полезных статей по выбору калибра провода и размера самосвальной нагрузки. Нажмите на ссылки ниже, чтобы узнать больше!

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Напряжение холостого хода

Определение напряжения холостого хода Напряжение холостого хода — это общий термин в приложениях солнечных батарей. В _OC — это напряжение холостого хода, которое является максимальным напряжением, которое доступно для снятия с солнечного элемента , и возникает при нулевом токе .Напряжение холостого хода напоминает величину прямого смещения на солнечном элементе в результате смещения соединения солнечного элемента с током , генерируемым светом. A V _oc Уравнение может быть определено путем приведения чистого тока к нулю в уравнении солнечного элемента:

Влияние различных факторов на ток холостого хода Из приведенного выше уравнения может показаться, что V _OC линейно увеличивается с температурой.Тем не менее, это не так, поскольку I ₀ быстро увеличивается с температурой, главным образом в результате изменений в n _i , которая представляет собой собственную концентрацию носителей. Температурный эффект сложен и меняется в зависимости от технологии ячеек. В _OC уменьшается с понижением температуры. При изменении температуры изменяется также I ₀ . В то время как I _sc обычно имеет небольшие отклонения, основным эффектом является ток насыщения , так как он может меняться на несколько порядков.Ток насыщения I ₀ зависит от рекомбинации солнечного элемента. Напряжение холостого хода затем измеряет количество рекомбинации в устройстве. Напряжение холостого хода кремниевых солнечных элементов из высококачественного монокристаллического материала составляет почти до 764 мВ под одним солнцем и AM1,5 в условиях, в то время как коммерческие устройства обычно имеют напряжение холостого хода около 600 мВ . V _OC также можно определить по концентрации носителей, и уравнение показано ниже: Где: кТ / q: тепловое напряжение N _A : концентрация легирования Δn: избыточная концентрация носителей n _i: — собственная концентрация носителей. V _OC определяет концентрацию носителей

Voc как функция ширины запрещенной зоны, E _G Ток короткого замыкания I _SC уменьшается при увеличении запрещенной зоны, напряжение холостого хода увеличивается при увеличении запрещенной зоны. В идеальном устройстве пределы излучательной рекомбинации В _OC , и анализ использует принцип детального баланса для определения минимально возможного значения Дж ₀ .Минимальное значение тока насыщения диода составляет: Где условия q: определяет электронный заряд σ: определяет постоянную Стефана Больцмана k: постоянная Больцмана T: температура И u = E _G / kT Вычисление вышеуказанного интеграла в уравнении довольно сложно. Вычисленное выше значение Дж ₀ может быть включено непосредственно в стандартное уравнение солнечного элемента, которое ранее использовалось для определения В _OC , пока напряжение остается меньше ширины запрещенной зоны, как и нормальный случай и условия, известные при одном солнечном освещении.

Напряжение холостого хода происходит из неравновесной термодинамики

Первоначально полученное Вальтером Нернстом более века назад уравнение Нернста для напряжения холостого хода является краеугольным камнем в анализе электрохимических систем. К сожалению, предположения, лежащие в основе его вывода, часто упускаются из виду в литературе, что приводит к неправильным формам уравнения при применении к сложным системам (например, с ионообменными мембранами или со смешанными потенциалами).Таких недостатков можно избежать, применяя правильный термодинамический вывод независимо от формы, в которой записаны электрохимические реакции. Правильный вывод уравнения Нернста становится важным, например, при моделировании проточных батарей окислительно-восстановительного потенциала ванадия или воздушно-цинковых батарей. Строгий путь к выводу уравнения Нернста начинается с неравновесной термодинамики.

3 Примеры

Начнем с простого электрода Ag / AgCl, соединенного со стандартным водородным электродом.В этом простом случае оба вычисления уравнения Нернста совпадают, и мы обсуждаем его для педагогической ясности. Затем мы рассмотрим воздушно-цинковую батарею, в которой термодинамический подход преодолевает недостатки формул, представленных в литературе. Наконец, преимущества термодинамического подхода продемонстрированы на батареях с окислительно-восстановительным потоком ванадия, показывая, как формула для OCV зависит от выбора мембраны (и частиц, переносимых через нее).

3.1 Простой пример: электрод серебро-хлорид серебра

Давайте сначала вспомним простой случай ячейки Ag / AgCl со стандартным водородным электродом (SHE).Материал положительного электрода — это Ag, покрытый тонкой пленкой пористого AgCl, основным растворенным веществом в электролите является HCl, и мы предполагаем, что идеальный водородный электрод служит отрицательным электродом. Более того, мы предполагаем, что идеально селективная катионообменная мембрана, которая допускает только перенос протонов, разделяет положительные и отрицательные отсеки, и что электролит хорошо перемешивается в каждом отсеке. Реакции, происходящие на положительной полуячейке, следующие:

(9a) Ag + Cl − ⇌AgCl + e−

а также

(9b) AgCl⇌Ag ++ Cl-,

в то время как с отрицательной стороны у нас есть

(9c) H ++ e − ⇌12h3.

Во время разряда электроны движутся от анода (отрицательного) по внешней цепи к катоду (положительному), где они принимают участие в реакции восстановления. Точно так же катионы водорода должны переноситься от анода, где они образуются, к катоду через электролит и мембрану.

Если предположить, что элемент находится в установившемся состоянии и что ток не проходит через внешнюю цепь (состояние разомкнутой цепи), электрохимические реакции не протекают (имеют нулевое электрохимическое сродство) и отсутствует ионный транспорт через электролит или мембрана (нулевой градиент электрохимического потенциала).Равновесие в положительном электроде, P , показывает

(10) 0 = μAgClP + μ˜e − P − μAgP − μ˜Cl − P.

Это соотношение можно расширить с помощью (1) и (2). Химический потенциал твердых тел обычно близок к стандартному значению, а поскольку стандартный химический потенциал элементов равен нулю, химический потенциал серебра равен примерно нулю, μAgP≈0 (см. Приложение A) вблизи стандартных значений температуры и давления. Точно так же, предполагая, что раствор насыщен AgCl, мы можем вывести μAgClP≈μAgCl∘.Результирующий положительный потенциал полуячейки равен

(11) ΦP = 1FμAgClP − μAgP − μ˜Cl − P = 1FμAgCl∘ − μCl − ∘ − RTlnaCl − P + FφP.

Электрохимическое равновесие в отрицательном электроде, N , выражается как

(12a) 0 = 12μh3N − μ˜H + N − μ˜e − N,

который можно переписать как

(12b) ΦN = −1F12μh3N − μ˜H + N = −1FRTlnah3N − RTlnaH + N − FφN,

где использовалось разделение (1), а также соглашение, согласно которому стандартный химический потенциал ионов водорода равен нулю (в водном растворе), μH + ∘ = 0 и μh3∘ = 0.

Наконец, если предположить, что H + является единственным видом, транспортируемым между компартментами (идеальная катионообменная мембрана), равновесие транспорта через мембрану выражается как

(13) µ˜H + P = µ˜H + N.

Напряжение, измеренное потенциометром, равно

(14) E = ΦP − ΦN = 1FμAgCl∘ − μCl − ∘︸ = E∘ − RTFlnaCl − PaH + Nah3N + φP − φN.

Первый член справа представляет стандартный потенциал и будет оценен с использованием термодинамических данных из Приложения A.Второй член представляет собой вклад деятельности вида. С другой стороны, третий член необходимо заменить активностями (и стандартными химическими потенциалами в случае неизотермических систем). Для этого равновесие переноса H + через мембрану (13) можно переписать, используя разложение (1), как

(15) φP − φN = RTFlnaH + NaH + P.

Использование этого соотношения для упрощения (14) приводит к формуле, описывающей OCV ячейки AgCl, соединенной с SHE,

(16) E = E∘ − RTFlnaCl − PaH + Pah3N.

Отметим, что приведенная выше формула напрямую включает мембранный вклад, так как все необходимые члены, описывающие систему, уже были учтены в (14). Кроме того, поскольку раствор насыщен AgCl, формула не зависит от активности Ag +, которая остается постоянной. Предположение о насыщении, конечно, можно отменить (как обсуждается ниже на примере коррозии), но мы предпочитаем оставить его здесь для простоты.

Стандартный потенциал ячейки тогда становится E∘ = μAgCl∘ − μCl − ∘ / F = 0.223V. Предполагая разбавленные электролиты, ионную активность можно приблизительно оценить по их молярности,

(17) aH + P = bH + Pb∘andaCl − P = bCl − Pb∘.

Наконец, активность водорода может быть приблизительно выражена отношением его парциального давления к стандартному давлению, ah3N = ph3N / p∘. Формула для OCV тогда становится

(18) E = E∘ − RTFlnbH + PbCl − P (b∘) 2ph3Np∘,

что совместимо с обычной формулой [17]. Мы включили этот пример, чтобы продемонстрировать термодинамическое происхождение OCV на простом примере, где он совпадает с обычной формулой из литературы.

3.2 Zn-воздушная батарея с окислительно-восстановительным потоком

Различные уравнения для OCV появляются в литературе по Zn-воздушной батарее [18], [19], [20]. Хотя некоторые авторы явно не представляют формулу OCV, они формулируют потенциалы полуячейки и / или используют их в формулировке уравнения Батлера – Фольмера. Здесь мы показываем правильный термодинамический вывод формулы OCV для воздушно-цинковой батареи с анионообменной мембраной [21], [22], [23], [24] и обсуждаем некоторые недостатки уравнений, найденных в литературе.

Рисунок 1

Упрощенная схема воздушно-цинковой батареи.

3.2.1 Электрохимические процессы

(19a) Zn + 4OH − ⇌Zn (OH) 42− + 2e−,

и сопровождается осаждением оксида цинка,

(19b) Zn (OH) 42 − ⇌ZnO + 2OH− + h3O.

На положительной полуячейке происходит следующая электрохимическая реакция:

(19c) 12O2 + h3O + 2e − ⇌2OH−.

Обратите внимание, что вода и ионы гидроксида производятся с одной стороны и расходуются с другой.Если предположить идеальную анионообменную мембрану, OH− — единственный ион, переносимый через мембрану.

3.2.2 Условия равновесия

Как и в предыдущем примере, мы должны определить условия равновесия как на электродах, так и на мембране. Равновесие реакции отрицательного электрода определяется выражением

(20) 0 = µ˜ZnN + 4µ˜OH − N − µ˜Zn (OH) 42 − N − 2µ˜e − N,

который можно переписать как

(21) 0 = μZn∘ + 4μOH − ∘ + 4RTlnaOH − N − 4FφN − μZn (OH) 42 − ∘ − RTlnaZn (OH) 42 − N + 2FφN + 2FΦN.

Аналогично равновесие полуреакции положительного электрода

(22) 0 = 12μO2P + μh3OP + 2μ˜e − P − 2μ˜OH − P = 12μO2∘ + 12RTlnaO2P + μh3O∘ + RTlnah3OP − 2FΦP − 2μOH − ∘ − 2RTlnaOH − P + 2FφP.

Равновесие мембранного транспорта выражается

(23) µ˜OH-N = µ˜OH-P.

3.2.3 Напряжение холостого хода

Объединение (21) и (22) OCV батареи тогда дает

(24) E = ΦP − ΦN

(25) = 12FμZn∘ + 2μOH − ∘− μZn (OH) 42 − ∘ + 12μO2∘ + μh3O∘ + RT2FlnaO2Pah3OP (aOH − N) 4 (aOH − P) 2aZn (OH) 42 − N + φP − φN.

Термин, включающий потенциалы электролита, можно заменить, используя равновесие переноса ОН- через мембрану (23) таким образом, что

(26) φP − φN = RT2FlnaOH − PaOH − N2.

Вставляя это отношение обратно в ур. (24) дает окончательный вид общей формулы для OCV:

(27) E = E∘ + RT2FlnaO2Pah3OP (aOH − N) 2aZn (OH) 42 − N,

куда

(28) E∘ = 12FμZn∘ + 2μOH − ∘ − μZn (OH) 42 − ∘ + 12μO2∘ + μh3O∘ = 1,60 В,

используя стандартные значения химического потенциала, приведенные в Приложении А.

3.2.4 Сравнение с обычным OCV

Наиболее часто используемая формула для OCV Zn-воздушных батарей в литературе (например, [18]):

(29) Eusual = EP − EN = E∘ + RT2FlnaO2Pah3OP (cOH − N) 4cZn (OH) 42 − N (cOH − P) 2.

Формула (27) отличается от обычной формулы (29) членами, вытекающими из равновесия транспорта OH− через мембрану (26). Эти термины можно назвать мембранным (или доннановским) потенциалом. Благодаря их включению формула (27) становится более точной, чем обычная формула.Поэтому важно вернуться к термодинамическим корням уравнения Нернста в случае воздушно-цинковых батарей.

Однако обратите внимание, что при использовании пористого сепаратора в батарее вместо ионообменной мембраны практически любые частицы, достаточно мелкие, чтобы проходить через поры, могут перемещаться между положительным и отрицательным отсеками. Чтобы получить соотношение для φP-φN, необходимо определить электрохимический процесс, который сначала уравновешивается в сепараторе. Например, различные заряженные частицы могут быть первыми, которые уравновешиваются, и уравнение.(23) необходимо заменить аналогичным уравнением равновесия для частиц. В некоторых ситуациях также можно предположить, что электролит идеально перемешан во всей системе, что, используя (7), приводит к

(30) φP − φN = 0.

Хотя в большинстве работ по моделированию систем Zn-воздух изучаются ячейки с пористыми сепараторами вместо мембран, некоторые формулы, представленные в литературе [18], [19], [20], имеют недостатки, которые можно было бы предотвратить с помощью термодинамических методов. вывод описан здесь.Например, в [20] представлена ​​формула, в которой термин действия имеет противоположный знак. В [18] вместо их активностей используются концентрации O2 и h3O. Для чистых жидкостей (или в данном случае растворителей) и растворенных газов соотношение между активностями и концентрациями требует другого подхода к эталонной концентрации. Правильный подход к концентрации растворенного газа был определен в [19], где исходное состояние при стандартных условиях дается законом Генри.

Более того, в самых последних работах [25], [19], [20] также используются неправильные значения стандартного потенциала цинкового электрода.Используемое значение EZn0, ∗ = — 1,286 В (по сравнению с SHE) — это значение, представленное в [26], [27], которое основано на энергии Гиббса образования Zn (OH) 42-, сообщенной в [28 ]. Тем не менее, измерения, выполненные в [28], подверглись критике в нескольких обзорах [29], [30], [31] из-за неадекватных измерений pH. В этой работе мы использовали значение ΔfGZn (OH) 42 − ∘, рекомендованное [31], которое совместимо с приведенными в [29] и [32], что приводит к EZn0 = −1.20V (vs.SHE) , что хорошо согласуется с экспериментальными потенциометрическими измерениями [33], [34].Использование неточного стандартного потенциала приводит к ошибкам в оценке OCV и кинетических констант реакции цинка. Использование надлежащего термодинамического вывода уравнения Нернста, представленного здесь, могло бы помочь критически оценить стандартные потенциалы путем определения отдельных соединений, для которых значения ΔfG∘ недостаточно стабилизированы (в данном случае Zn (OH) 42−).

3.2.5 Потенциал полуэлемента цинкового электрода

В связи с отсутствием в литературе данных о потенциале воздушно-цинковой батареи как функции концентрации компонентов, мы сравниваем наш термодинамический вывод с экспериментальными данными и уравнение Нернста, представленное в [20] для цинкового электрода относительно эталона Hg / HgO.Чтобы сравнить данные, мы сначала вычисляем потенциал полуячейки цинкового электрода с эталоном Hg / HgO.

Обычно электроды сравнения калибруются по SHE. Для электрода сравнения Hg / HgO с 1 M KOH, использованного в [20], потенциал относительно SHE, как сообщают те же авторы, составляет

(31) EHg / HgOSHE = ΦHg / HgO − ΦSHE = 0,1157V.

Такое измеренное значение уже включает эффекты условий активности и потенциалов перехода. Это значение можно использовать для определения ОСР цинкового электрода относительно вышеупомянутого эталона Hg / HgO.OCP цинкового электрода против гипотетического SHE может быть определено по формулам. (12b) и (20). Использование определения SHE и допущения об удельной активности твердых частиц (т.е. ah3SHE = aH + SHE = aZn = 1) приводит к

(32) EZnSHE = ΦZn − ΦSHE = EZn∘ − RT2Fln (aOH − Zn) 4aZn (OH) 42 − Zn + (φZn − φSHE).

Следовательно, используя (31) и (32), мы можем построить теоретический потенциал цинкового электрода с эталоном Hg / HgO. Предполагая незначительную разницу в потенциалах Максвелла (φZn − φSHE≈0), это приводит к

(33) EZnHg / HgO = ΦZn − ΦHg / HgO = (EZn∘ − EHg / HgOSHE) −RT2Fln (aOH − Zn) 4aZn (OH) 42 − Zn.

На рисунке 2 можно увидеть, что упрощенный подход к уравнению Нернста привел к расхождению между формулой и экспериментом. И наоборот, при использовании термодинамического вывода уравнения Нернста с собственным значением EZn0 теоретическая кривая лучше описывает экспериментальные данные.

Рисунок 2

Сравнение термодинамического вывода уравнения Нернста (33) с экспериментальными и расчетными данными, приведенными в [20].

3.2.6 Влияние смешанных потенциалов

Схема реакции (19a) и (19c) не учитывает побочные реакции, происходящие на электродах. В действительности, при равновесном потенциале цинкового электрода также может иметь место реакция выделения водорода (HER):

(34) 2h3O + 2e − ⇌h3 + 2OH−.

Это процесс коррозии, при котором расходуется активный материал (цинк) и изменяется OCV системы. Потенциал полуячейки в этой ситуации обычно называют смешанным потенциалом.Следовательно, этот случай необходимо оценивать с точки зрения неравновесной термодинамики, поскольку система больше не находится в равновесии.

Быстрое равновесие пары коррозии (19a) и (34) характеризуется равенством их токов (нет чистого тока). Скорости реакций обычно выражаются уравнением Батлера – Фольмера

(35) j = j0eαA˜ / RT − e− (1 − α) A˜ / RT;

см., д. g., [7] для термодинамического происхождения этого уравнения (основанного на концепции возможно асимметричных диссипативных потенциалов) или [17] для кинетического происхождения.Коэффициент переноса заряда α описывает, находится ли переходное состояние ближе к окисленным или восстановленным частицам; обычно предполагается, что он равен 1/2 [17]. Предварительный фактор тока обмена j0 может быть либо постоянным, либо зависеть от концентраций реагентов и продуктов (см. [35] или [5] для уравнения Больцмана), и он положителен в направлении окисления.

В общем, смешанный потенциал может быть определен численными методами расчета потенциала, при котором сумма токов анодной и катодной реакций в электроде (в данном случае растворение цинка и выделение водорода соответственно) равна нулю.Тем не менее, при определенных условиях уравнение Батлера – Фольмера можно упростить, что приведет к аналитическим решениям смешанного потенциала. В случае больших | A˜ | уравнение Батлера – Фольмера (35) сводится к уравнению Тафеля

(36) j = j0e (1 − α) A˜ / RT,

а для малых | A˜ | в случае превращается в линейную зависимость,

(37) j = j0A˜RT,

между током и перенапряжением. Обратите внимание, что коэффициент переноса заряда α исчезает в слаботочном пределе.

Наиболее частый случай, представленный в литературе по коррозии [36], [37], — это тот, в котором обе реакции протекают в режиме Тафеля (высокий | A˜ |). Однако такой режим не применяется в случае электродов цинковых батарей (которые содержат ингибиторы коррозии), поскольку, как сообщается, они обладают быстрой кинетикой и относительно высокими перенапряжениями водорода [38], [39], [40]. Следовательно, в системах батарей на основе цинка в условиях OCV HER обычно находится в режиме Тафеля, в то время как растворение цинка находится в линейном режиме.Численный вывод такого примера обсуждается в Приложении B.

3.3 Полностью ванадиевая проточная ячейка

Проточная батарея окислительно-восстановительного потенциала ванадия (VRFB) была проанализирована в [7] и [41]. Напомним вкратце расчет в сжатом виде и покажем, чем он отличается от обычной формулы из [42],

(38) Eusual ∗ = E∘ + RTFlncVO2 + PcV2 + NcH + P2cVO2 + PcV3 + N.

Рассмотрим два случая: VRFB с катионообменной (катексной) мембраной и VRFB с анионообменной (anex) мембраной.Формула OCV будет отличаться в двух случаях.

Основные электрохимические реакции, происходящие в VRFB, можно резюмировать следующим образом:

(39a) VO2 ++ e− + 2H + ⇌VO2 ++ h3O

с положительной стороны и

(39b) V2 + ⇌V3 ++ e−

с отрицательной стороны. Кроме того, мы должны также учитывать перенос ионов через мембрану, H + в случае катекса и HSO4- в случае anex. Давайте теперь обсудим эти два случая по отдельности.

3.3.1 Катионообменная мембрана

Уравнения, выражающие равновесие электрохимических реакций, имеют следующий вид:

(40a) μ˜VO2 + P − FΦP + 2μ˜H + P = μ˜VO2 + P + μh3OP

а также

(40b) µ˜V2 + N = µ˜V3 + N-FΦN.

Равновесие ионного транспорта через мембрану означает, что

(41) µ˜H + N = µ˜H + P,

который можно переписать как

(42) φP − φN = RTFlnaH + NaH + P,

где φP, N — потенциалы Максвелла в положительном и отрицательном электролитах соответственно.

Тогда OCV можно выразить как

(43) E = ΦP − ΦN = 1Fμ˜VO2 + P + 2μ˜H + P − μ˜VO2 + P − μh3OP + 1Fμ˜V2 + N − μ˜V3 + N = 1FμVO2 + ∘ − μVO2 + ∘ − μh3O ∘ + мкВ2 + ∘ − мкВ3 + ∘ + RTFlnaVO2 + P (aH + P) 2aV2 + NaVO2 + Pah3OPaV3 + N + φP − φN,

где использовался split (1).Обратите внимание на последнюю строку, где сохраняется разница электростатических потенциалов Максвелла. Это происходит из формы уравнения. (39), где заряд слева равен заряду справа, но не равен нулю. Чтобы избавиться от максвелловской разности потенциалов, необходимо использовать уравнение равновесия мембраны (42), что приводит к

(44) E = E∘ + RTFlnaVO2 + PaV2 + NaH + PaH + NaVO2 + Pah3OPaV3 + N,

где стандартный потенциал ячейки

(45) E∘ = 1FμVO2 + ∘ − μVO2 + ∘ − μh3O∘ + μV2 + ∘ − μV3 + ∘ = 1.256 В,

взяв значения стандартных энергий Гиббса образования из Приложения A. Формула (44) является формулой для OCV в случае катекса. Для сравнения с экспериментальными данными, которые обычно выражаются в единицах SOC, активности должны быть выражены в единицах моляльности.

3.3.2 Анионообменная мембрана

Теперь мы обсудим VRFB с anex мембранами, через которые транспортируются ионы HSO4−. Уравнения равновесия (40) такие же, как и в случае anex.Разница заключается в переносе ионов как ур. (42) изменяется на

(46) µ˜HSO4-N = µ˜HSO4-P,

который можно переписать как

(47) φP − φN = RTFlnaHSO4 − PaHSO4 − N.

OCV (43) затем превращается в

(48) E = E∘ + RTFlnaVO2 + PaV2 + N (aH + P) 2aHSO4 − PaVO2 + Pah3OPaV3 + NaHSO4 − N.

Опять же, чтобы точно сравнить это с экспериментальной зависимостью OCV от SOC, необходимо выразить активности, эксплуатирующие, например. г., [43], по моляльности. Предполагая единичные коэффициенты активности, сравнение показано на рисунке 3, где данные взяты из [7].

Обратите внимание, в частности, что формулы для OCV различаются в случаях anex и catex. Такого различия нельзя увидеть в упрощенном построении уравнения Нернста.

Рис. 3

Сравнение простой формулы (38) и формул катекса и анекса ((44) и (48), соответственно) с экспериментальными данными для анексной мембраны (данные повторно использованы из [7]). Формулы наивности и катекса, близкие к обычному уравнению Нернста для VRFB, явно недостаточны. Сравнение формулы для катексных мембран с экспериментальными данными см. В [7].

Термодинамическая формула для OCV отличается от обычной, доступной в литературе [42], [6]. Более того, формула OCV зависит от выбора мембраны, точнее, от видов, которые переносятся через мембрану [7]. Хотя электрохимические уравнения одинаковы, уравнение равновесия для переноса через мембрану другое, как и результирующее уравнение Нернста.

3.4 Другие системы

Как подчеркивалось в предыдущем разделе, термодинамический вывод уравнения Нернста особенно важен в системах, где могут использоваться катионообменные или анионообменные мембраны, такие как VRFB или железо-хромовые (Fe / Cr) проточные окислительно-восстановительные батареи [44], [45], [46].В последнее время системы проточных батарей с органическим окислительно-восстановительным процессом, такие как пара хинон / гидрохинон, также были протестированы как с катексными, так и с анексными мембранами [47], [48], [49]. Кроме того, в системах VRFB это актуально не только для отдельных ячеек, но и для стеков. Например, термодинамическое происхождение необходимо учитывать для стеков VRFB с использованием ячеек, чередующих катексные и анексные мембраны, которые были предложены в качестве решения для компенсации снижения емкости VRFB из-за электроосмоса [50].

Наконец, текущие разработки проточных окислительно-восстановительных батарей также рассматривают системы с тремя отсеками для электролита, которые объединяют анионообменную и катионообменную мембраны в одном устройстве [51], [52].Например, в системе цинк-железо, представленной [52], отрицательный и средний электролиты разделены катексной мембраной (транспортирующей ионы Na +), в то время как положительный и средний электролиты разделены анексной мембраной (транспортирующей ионы Cl–). Термодинамическое уравнение Нернста также необходимо будет учитывать при описании таких систем, поскольку различные виды переносятся между отсеками.

Ссылки

[1] Мария Скиллас-Казакос и Майкл Казакос, Методы мониторинга состояния заряда для управления потоком окислительно-восстановительных батарей ванадия, J.Источники энергии 196 (2011), вып. 20, 8822–8827. Искать в Google Scholar

[2] Цзянлу Чжан, Янхуа Тан, Чаоджи Сун, Цзюцзюнь Чжан и Хайцзян Ван, напряжение холостого хода топливного элемента PEM (OCV) в диапазоне температур от 23 ° C до 120 ° C, Journal of Power Источники 163 (2006), вып. 1 СПЕЦ. ISS., 532–537. Искать в Google Scholar

[3] В. Нернст и Х. Т. Тизард, Теоретическая химия с точки зрения правила Авогадро и термодинамики , Macmillan and Company, Ltd., 1916. Поиск в Google Scholar

[4] Л. Д. Ландау и Э. М. Лифшиц, Статистическая физика , Number pt. 1 в курсе теоретической физики, Pergamon Press, 1969. Поиск в Google Scholar

[5] Михал Павелка, Вацлав Клика и Мирослав Грмела, Multiscale Thermo-Dynamics , de Gruyter, Berlin, 2018. Искать в Google Scholar

[6] К. В. Кнер и Э. К. Кумбур, Напряжение холостого хода ванадиевых проточных окислительно-восстановительных батарей: несоответствие между моделями и экспериментами, Electrochem.Commun. 13 (апрель 2011 г.), нет. 4, 342–345. Искать в Google Scholar

[7] Михал Павелка, Петр Мазур и Франк Вандшнайдер, Термодинамическое определение напряжения холостого хода в ванадиевых проточных батареях с окислительно-восстановительным потенциалом, J. Power Sources (2015). Поданный. Искать в Google Scholar

[8] Петр Вагнер, Роман Кодым и Карел Бузек, Термодинамический анализ систем высокотемпературного пара и углекислого газа в твердооксидных ячейках, Sustain. Energy Fuels 3 (2019), 2076–2086.Искать в Google Scholar

[9] I. N. Levine, Physical Chemistry , McGraw-Hill, 2008. Искать в Google Scholar

[10] S. Kjelstrup and D. Bedeaux, Неравновесная термодинамика гетерогенных Системы , Серия по достижениям в статистической механике, World Scientific, 2008. Поиск в Google Scholar

[11] Михал Павелка, Вацлав Клика, Петр Вагнер и Франтишек Маршик, Обобщение эксергетического анализа, Appl. Энергетика 137 (2015), вып.0, 158–172. Искать в Google Scholar

[12] Вольфганг Драйер, Клеменс Гулке и Рюдигер Мюллер, Новый взгляд на перенос электрона: восстановление уравнения Батлера-Фольмера в неравновесной термодинамике, Phys. Chem. Chem. Phys. 18 (2016), 24966–24983. Ищите в Google Scholar

[13] Э. А. Гуггенхайм, Термодинамика: передовые методы лечения химиков и физиков , Монографии по теоретической и прикладной физике, North-Holland Pub.Co., 1949. Поиск в Google Scholar

[14] С. Р. де Гроот и П. Мазур, Неравновесная термодинамика , Dover Publications, Нью-Йорк, 1984. Искать в Google Scholar

[15] J Фурманн, К. Гулке, А. Линке, К. Мердон и Р. Мюллер, Электроосмотический поток с индуцированным зарядом с конечным размером иона и эффектами сольватации, Electrochim. Acta 317 (2019), 778–785. Искать в Google Scholar

[16] Петр Вагнер, Клеменс Гулке, Войтех Милош, Рюдигер Мюллер и Юрген Фурманн, Континуальная модель оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, включающая тройную фазовую границу, структуру решетки и неподвижные оксидные ионы, Дж.Электрохимия твердого тела. 23 (2019), вып. 10, 2907–2926. Поиск в Google Scholar

[17] П. В. Аткинс и Дж. Де Паула, Atkins ‘Physical Chemistry , Oxford University Press, 2002. Поиск в Google Scholar

[18] Даниэль Шредер и Ульрике Круер, на основе модели количественная оценка воздействия состава воздуха на вторичные воздушно-цинковые батареи, Электрохим. Acta 117 (2014), 541–553. Искать в Google Scholar

[19] Йоханнес Штамм, Альберто Варци, Арнульф Латц и Биргер Хорстманн, Моделирование зародышеобразования и роста оксида цинка при разряде первичных воздушно-цинковых батарей, Дж.Источники энергии 360 (2017), 136–149. Искать в Google Scholar

[20] Кристиан Зельгер, Михаэль Сюссенбахер, Андреас Ласкос и Бернхард Голлас, Индикаторы состояния заряда щелочных цинково-воздушных проточных окислительно-восстановительных батарей, J. Power Sources 424 (2019), 76–81 . Искать в Google Scholar

[21] Али Аббаси, Сорая Хоссейни, Анонгнат Сомвангтанародж, Ахмад Азмин Мохамад и Суратеп Кхеаухом. Гидроксидообменные разделительные мембраны на основе поли (2,6-диметил-1,4-фениленоксида) для цинково-воздушной батареи, Int.J. Mol. Sci. 20 (2019), вып. 15, 3678. Поиск в Google Scholar

[22] Деви Эния Листиани, Кеничи Ояйдзу, Хироюки Нисиде и Эйшун Цучида. Катионная полисульфониевая мембрана в качестве сепаратора в воздушно-цинковой ячейке, J. Power Sources 115 (2003), нет. 1, 149–152. Искать в Google Scholar

[23] Наоко Фудзивара, Масару Яо, Зюн Сирома, Хироши Сено, Цутому Иори и Кадзуаки Ясуда, Реверсивные воздушные электроды, интегрированные с анионообменной мембраной для вторичных воздушных батарей, Дж.Источники энергии 196 (2011), вып. 2, 808–813. Искать в Google Scholar

[24] Мисгина Тилахун Цехай, Fannie Alloin и Cristina Iojoiu, Перспективы анионообменных мембран в щелочно-металлических батареях, Energies 12 (2019), 24. Искать в Google Scholar

[25] Эрих Дайсс, Ф. Хольцер и О. Хаас, Моделирование электрически перезаряжаемой щелочной Zn-воздушной батареи, Electrochim. Acta 47 (2002), нет. 25, 3995–4010.Искать в Google Scholar

[26] А. Дж. Бард, Р. Парсонс и Дж. Джордан, Стандартные потенциалы в водном растворе , Монографии по электроаналитической химии и электрохимии, Taylor & Francis, 1985. Искать в Google Scholar

[27] John Aurie Dean, Lange’s Handbook of Chemistry , McGraw-Hill, Inc., Нью-Йорк, Лондон, 1999. Поиск в Google Scholar

[28] А. О. Губели и Дж. Ст-Мари, Stabilité комплексные гидроксиды и продукты растворения гидроксидов метоидов.I. Argent et zinc, Can. J. Chem. 45 (1967), нет. 8, 827–832. Искать в Google Scholar

[29] К. Ф. Баес и Р. Э. Месмер, Гидролиз катионов , Wiley, 1976. Искать в Google Scholar

[30] Дж. Пауэлл Киптон, Пол Л. Браун , Роберт Х. Бирн, Тамас Гайда, Гленн Хефтер, Энн Катрин Леуз и др., Химическое определение экологически значимых металлов с неорганическими лигандами. Часть 5: Системы Zn2 ++ OH-, Cl-, CO32-, SO42- и PO43- (Технический отчет IUPAC), Pure Appl.Chem. 85 (2013), вып. 12, 2249–2311. Искать в Google Scholar

[31] Ю Чжан и Мамун Мухаммед, Критическая оценка термодинамики комплексообразования ионов металлов в водных растворах, Hydrometallurgy 60 (май 2001 г.), нет. 3, 215–236. Искать в Google Scholar

[32] Д. Д. Вагман, В. Х. Эванс, В. Б. Паркер, Р. Х. Шумм, И. Халоу, С. М. Бейли и др., Таблицы NBS химических термодинамических свойств — выбранные значения для неорганических и органических веществ C-1 и C-2 в единицах СИ, Дж.Phys. Chem. Ref. Данные 11 (1982), вып. 2, 1. Поиск в Google Scholar

[33] Д. П. Боден, Р. Б. Уайли и В. Дж. Спера, Электродный потенциал амальгамы цинка в щелочных растворах цинката, J. Electrochem. Soc. 118 (1971), нет. 8, 1298. Поиск в Google Scholar

[34] Марк Дж. Исааксон, Фрэнк Р. Макларнон и Элтон Дж. Кэрнс, Потенциалы покоя цинкового электрода в концентрированных электролитах KOH-K2Zn (OH) 4, J. Electrochem. Soc. 137 (1990), нет.8, 2361–2364. Искать в Google Scholar

[35] Дж. Ньюман и К. Э. Томас-Алие, Electrochemical Systems , Electrochemical Society Series, Wiley, 2004. Искать в Google Scholar

[36] Н. Перес, Электрохимия и Наука о коррозии , Информационные технологии: передача, обработка и хранение, Springer, США, 2004 г. Поиск в Google Scholar

[37] Сяогэ Грегори Чжан, Коррозия и электрохимия цинка , 1996. Поиск в Google Scholar

[38] С.Каше, У. Стредер и Р. Виарт, Кинетика цинкового электрода в щелочных цинкатных электролитах, Electrochim. Acta 27 (1982), нет. 7, 903–908. Искать в Google Scholar

[39] Линлин Чен и Анджей Ласиа, Исследование кинетики реакции выделения водорода на электродах из сплава никель-цинк, J. Electrochem. Soc. 138 (1991), нет. 11, 3321–3328. Искать в Google Scholar

[40] Ян Дундалек, Иво Шнайдр, Ондржей Либанский, Йиржи Врана, Яромир Поцедич, Петр Мазур и др., Электроосаждение цинка из проточных щелочных растворов цинката: роль реакции выделения водорода, J. Источники энергии 372 (2017), вып. 221–226 октября. Искать в Google Scholar

[41] К. А. Пино Муньос, Х. Хева Девадж, В. Юфит и Н. П. Брэндон, Модель элементарной ячейки регенеративного водородно-ванадиевого топливного элемента, J. Electrochem. Soc. 164 (2017), вып. 14, F1717 – F1732. Искать в Google Scholar

[42] Т. Суккар и М. Скиллас-Казакос, Поведение переноса воды через катионообменные мембраны в окислительно-восстановительной батарее ванадия, J.Membr. Sci. 222 (сентябрь 2003 г.), нет. 1-2, 235–247. Искать в Google Scholar

[43] Кэтрин Ленихан, Даниэла Оборочану, Натан Куилл, Дейдре Ни Эйдхин, Андреа Бурк, Роберт Линч и др., Сродство ванадиевых электролитов к воде, ECS Trans. 85 (2018), вып. 13, 175–189. Искать в Google Scholar

[44] Р. А. Ассинк, Механизм засорения разделительных мембран для окислительно-восстановительной батареи железо / хром, J. Membr. Sci. 17 (1984), нет.2, 205–217. Искать в Google Scholar

[45] М. Лопес-Аталайя, Г. Кодина, Дж. Р. Перес, Дж. Л. Васкес и А. Альдаз, Оптимизационные исследования проточной батареи окислительно-восстановительного потенциала Fe / Cr, J. Power Источники 39 (1992), вып. 2, 147–154. Искать в Google Scholar

[46] Хелен Прифти, Айшвария Парасураман, Суминто Винарди, Тути Мариана Лим и Мария Скиллас-Казакос, Мембраны для проточных батарей с окислительно-восстановительным потенциалом, Мембраны 2 (2012), no. 2, 275–306. Искать в Google Scholar

[47] P.Леунг, А. А. Шах, Л. Санс, К. Флокс, Дж. Р. Моранте, К. Сюй и др., Последние разработки в области проточных батарей с органическим окислительно-восстановительным потенциалом: критический обзор, J. Power Sources 360 (2017), 243–283. Искать в Google Scholar

[48] Кайсян Линь, Цин Чен, Майкл Р. Герхардт, Лючуан Тонг, Санг Бок Ким, Луиза Эйзенах и др., Щелочная батарея потока хинона, Science 349 (2015), нет. . 6255, 1529–1532. Искать в Google Scholar

[49] Викрам Сингх, Соён Ким, Кан Джунгтэк и Хе Рён Бён, проточные водно-органические окислительно-восстановительные батареи, Nano Res. 12 (1988–2001), вып. 9, 2019. Поиск в Google Scholar

[50] Арджун Бхаттарай, Пурна К. Гимире, Адам Уайтхед, Рюдигер Швейсс, Гюнтер Г. Шерер, Ньюнт Вай и др., Новые подходы к решению проблемы снижения мощности во время работы проточная ванадиевая окислительно-восстановительная батарея, Батареи 4 (2018), no. 4, 1–9. Искать в Google Scholar

[51] Шуанг Гу, Ке Гонг, Эмили З. Ян и Юшань Ян, Конструкция с множеством ионообменных мембран для проточных батарей с окислительно-восстановительным потенциалом, Energy Environ.Sci. 7 (2014), вып. 9, 2986–2998. Искать в Google Scholar

[52] Ке Гонг, Сяоя Ма, Камерон М. Конфорти, Кевин Дж. Каттлер, Джонатан Б. Грюневальд, Келси Л. Йегер и др., Цинк-железо-окислительно-восстановительные батареи стоимостью менее 100 долларов за штуку. кВтч капитальных затрат системы, Energy Environ. Sci. 8 (2015), вып. 10, 2941–2945. Искать в Google Scholar

[53] К. Чжан, Дж. М. Ван, Л. Чжан, Дж. К. Чжан и К. Н. Цао, Поведение амальгамированного цинкового электрода в перенасыщенных щелочных растворах цинката, Дж. .Электрохим. Soc. 148 (2001), нет. 7, 310–312. Искать в Google Scholar

[54] Дж. О. Хилл, И. Г. Уорсли и Л. Г. Хеплер, Термохимия и потенциалы окисления ванадия, ниобия и тантала, Chem. Ред. 71 (1971), нет.