Izvor struje

Strujni električni izvor je svaka naprava ili sustav koji stvaraju tzv. elektromotornu silu na svojim izlaznim priključnicama. U elektrotehnici, elektronici i drugdje stvarne električke izvore prikazujemo nadomjesnim pojednostavljenim naponskim ili strujnim izvorima.

Elektromagnetizam

Ključne stavke

Elektricitet • Magnetizam

Elektrostatika

Električni naboj • Coulombov zakon • Električno polje • Električni fluks • Gaussov zakon • Električni potencijal • Elektrostatična indukcija • Električni dipolni moment

Magnetostatika

Ampèreov zakon • Električna struja • Magnetno polje • Magnetni fluks • Biot–Savartov zakon • Magnetni dipolni moment • Gaussov zakon za magnetizam

Elektrodinamika

Vakuum • Lorentzova sila • EMS • Elektromagnetska indukcija • Faradayjev zakon • Lenzov zakon • Struja pomaka • Maxwellove jednačine • EM polje • Elektromagnetna radijacija • Liénard-Wiechertov potencijal • Maxwellov tenzor • Vrtložne struje

Električna mreža

Električna provodljivost • Električni otpor • Kapacitivnost • Induktivnost • Impedanca • Resonantne šupljine • Talasovod

Kovarijantna formulacija

Elektromagnetni tenzor • EM tenzor napon-energija • Četiri-tok • Elektromagnetni četiri-potencijal

Naučnici Ampère • Coulomb • Faraday • Heaviside • Henry • Hertz • Lorentz • Maxwell • Tesla • Weber · Ostali

Električne izvore možemo prema načinu nastanka električne energije podijeliti na električne generatore, kemijske izvore električne energije te na neke druge električne izvore koji tek trebaju ući u širu primjenu, a koje ne možemo smatrati niti električnim generatorima niti kemijskim izvorima.

Električni generator

Nezavisno o načinu dobivanja primarne energije (hidroelektrana, termoelektrana, nuklearna elektrana, geotermalna elektrana, solarna elektrana ili vjetroelektrana) u proizvodnji energije se dobivena kinetička, odn. toplinska energija najčešće pomoću električnog generatora pretvara u električnu energiju.

Električni generatori općenito pokrivaju velik raspon nazivnih snaga, od onih vrlo velikih koji se ugrađuju u velike elektrane i opskrbljuju električnom energijom cijele gradove ili dijelove država, manjih koji se ugrađuju u vjetroelektrane, male hidroelektrane ili različite električne agregate za proizvodnju električne energije pa sve do onih najmanjih, koji mehaničku energiju okretanja kotača na biciklu pretvaraju u električnu energiju za svjetlo.

Izlazni napon električnog generatora na izvjestan način prati izlaznu snagu. Električni generator ugrađen na bicikl daje vrlo malu snagu i svega nekoliko volti napona, dostatno za priključak male žarulje za osvjetljenje. Stacionarni i mobilni agregati proizvode najčešće električnu energiju u obliku spremnom za neposrednu upotrebu (jednofazna struja napona 220 V ili trofazna struja linijskog napona 380 V). Električni generatori ugrađeni u vjetroelektrane i manje hidroelektrane proizvode električnu struju podobnog napona za odgovarajuće uključenje neposredno u električnu mrežu ili nešto višeg napona koji se nakon toga transformira u još viši napon kako bi se izbjegli gubitci u prijenosu energije. Električni generatori velike snage u velikim elektranama proizvode, međutim, električnu energiju i znatno višeg napona kako bi se u što većoj mjeri smanjili gubitci energije u namotajima generatora.

Kemijski izvori električne energije

Kemijski izvori električne energije koriste u osnovi različite kemijske procese tijekom kojih dolazi do razdvajanja nosilaca električnog naboja te stvaranja odgovarajuće razlike električnog potencijala koji se na izlaznim priključnicama pojavljuje kao napon. U osnovi su to električni izvori vrlo male ili male električne energije, dostatni za višesatni rad baterijske lampe za osvjetljenje, višesatni rad nekog manjeg uređaja poput radiokazetofona, pokretanje elektropokretača automobila ili, u novije vrijeme, za pokretanje automobila na električni pogon na putu od kojih stotinjak ili nešto više kilometara.

Električna baterija

Klasična električna baterija predstavlja električni izvor vrlo male energije. Leclanshe-ov članak AA formata ima kapacitet od kojih 500 mAh uz nazivni napon od 1,5 V što je tek dostatno za rad baterijske svjetiljke tijekom kraćeg vremena. Suvremenije izvedbe sličnih baterija u standardnim formatima koriste drukčije elektrode i drukčije kemijske procese te osim jednokratnih postoje i obnovljive baterije s mogućnošću punjenja, a sa znatno boljim električnim karakteristikama.

Akumulator

Pod pojmom akumulatora primarno podrazumijevamo klasični olovni akumulator s mogućnošću ponovnog punjenja što omogućava odgovarajući reverzibilni kemijski proces. Standardni akumulator za pokretanje elektropokretača automobila ima kapacitet od kojih 50 Ah uz napon od 12 V (šest ćelija po 2 V), no za pokretanje elektropokretača većih vozila koriste se akumulatori sa znatno većim kapacitetom. Uz olovne akumulatore, u novije vrijeme rade se i izvedbe alkalnih akumulatora s nešto nižim naponom po ćeliji, a nešto povoljnijih karakteristika.

Litij-ionski akumulator

Litij-ionski akumulator je električni izvor koji tek ulazi u širu upotrebu, koristi pozitivnu elektrodu koja sadrži litij i negativnu elektrodu od poroznog ugljika. Gustoća energije je u litij-ionskih akumulatora višestruko veća u usporedbi s olovnim akumulatorima i iznosi otprilike 150 Wh/kg uz nešto veći nominalni napon ćelije (oko 3.7 V). Relativno brzim razvojem tehnologije litij-ionskih akumulatora u posljednjih desetak ili nešto više godina, otvorile su se mogućnosti šireg iskorištavanja električne energije za pogon različitih motornih vozila. Uz nove materijale i tehnologije, litij-ionski akumulatori postižu iz godine u godinu sve bolja električna svojstva i dulji vijek trajanja.

Ostali izvori električne energije

Posebnim električnim izvorima u smislu iznijete podjele smatraju se elektični izvori koje ne možemo smatrati niti električnim generatorima niti kemijskim izvorima.

Aktivni električni izvori

Pod pojmom aktivnih električnih izvora podrazumijevamo sklopove, uređaje i naprave koji stvaraju električni napon, odn. struju posredstvom aktivnih elektroničkih komponenata kao što su (elektronske cijevi, tranzistori ili operaciona pojačala. U takve električne izvore ubrajamo, na primjer, različite vrste niskofrekventnih i visokofrekventnih pojačala, različite oscilatore, generatore valnih funkcija, stabilizatore napona i mnoge druge.

Magnetohidrodinamički generator

Magnetohidrodinamički generator proizvodi električnu energiju neposredno iz mlaza usijanih plinova koji se kreću kroz magnetsko polje vrlo jakog magneta. Prvi takav MHD generator razvijen je još 1965. godine nakon čega su u Sjedinjenim Američkim Državama, bivšem Sovjetskom Savezu i drugdje konstruirane i efikasnije izvedbe ovakvog električnog izvora energije.

Goriva ćelija

Gorive ćelije koriste katalizator u svrhu odvajanja pozitivnog i negativnog električnog naboja u reaktantnom gorivu uz dobivanje toplinske energije kao usputnog produkta. Premda je princip na kojem je zasnovan rad gorivih ćelija otkriven još prije više od 150 godina, razvoj gorivih ćelija je značajno ubrzan tek razvojem programa istraživanja svemira. Gorive ćelije znatno proširuju mogućnosti dobivanja i iskorištavanja električne energije u različitim pa i nepovoljnim okolnostima (podmorska i svemirska istraživanja itd.).

Fotonaponska ćelija

Premda je fotoefekt otkriven prije više od stotinu godina, intenzivnim razvojem poluvodičke tehnologije ostvareni su preduvjeti za razvoj i proizvodnju sve efikasnijih fotoosjetljivih modula tzv. fotopanela (fotonaponske ili solarne ćelije) za proizvodnju električne energije neposredno iz sunčeve svjetlosti. U svijetu već postoji niz elektrana koje zasnivaju svoj rad na velikom broju ovakvih modula, spojenih paralelno i serijski u odgovarajuću električnu mrežu u namjeri da se postigne odgovarajući izlazni napon i opteretivost. Ovakvi izvori su jednostavni i pouzdani jer nemaju pokretnih dijelova, lagani su i relativno jednostavni za postavljanje te se lako mogu spajati u veće sustave. Uz odgovarajuće akumulatore mogu osigurati električnu energiju na inače nedostupnim mjestima i tijekom 24 sata na dan.

Kondenzator kao električni izvor

Premda kondenzator kao elektronička komponenta ima svojstvo i mogućnost očuvanja energije na svojim oblogama, o njemu se vrlo dugo nije razmišljalo kao o nekom potencijalnom izvoru električne energije. Međutim, intenzivnim razvojem tehnologije izrade kondenzatora ostvarene su mogućnosti proizvodnje kondenzatora s ekstremno velikim vrijednostima kapaciteta. U svega nešto više od dvadesetak godina ostvarena je proizvodnja kondenzatora s kapacitetom koji se mjeri u tisućama farada (F). Daljnjim tehnološkim inovacijama, a prije svega razvojem nanotehnologije ostvaruju se mogućnosti da kondenzator posluži kao izvor električne energije s gustoćom energije usporedivom ili većom od gustoće energije koju susrećemo u litij-ionskim baterijama.

Idealni strujni električni izvor

Idealnim strujnim električkim izvorom (u daljnjem tekstu: strujni izvor, struja, napon, otpor) podrazumijevamo takav električni izvor gdje struja koja protiče kroz izvor ne ovisi o padu napona na njemu, odnosno ne ovisi o opterećenju. Idealni strujni izvor uvijek će davati jednaku nazivnu struju I, bez obzira na vrijednost opteretnog otpora R i pad napona na njemu V (slika lijevo). Idealni strujni izvor ima beskonačno velik unutarnji otpor, gdje je napon na izlazu idealnog strujnog izvora uz datu struju izvora ovisan isključivo o priključenom otporu. Idealne strujne izvore često nazivamo i izvorima konstantne struje. Idealni strujni izvor možemo kratko spojiti bez ikakvih posljedica, a ako nije priključeno opterećenje napon na priključnicama idealnog strujnog izvora bio bi beskonačno velik.

Realni strujni izvor

U stvarnim prilikama strujni izvor možemo predstaviti idealnim strujnim izvorom beskonačno velikog unutarnjeg otpora i nazivne struje I te paralelno mu spojenim unutarnjim otporom $R_{I}$. Na izlaznim priključnicama takvog neopterećenog strujnog izvora pojavljuje se izlazni napon U jednak $U=IR_{I}$. Smanjenjem unutarnjeg otpora strujnog izvora, strujni izvor sve više gubi svoja obilježja i njegova struja na izlazu postaje sve ovisnija o priključenom opterećenju.

Strujni izvori u pravilu se nikada ne koriste u elektroenergetici. Zbog velikog unutarnjeg otpora praktički se sva snaga gubi u samom izvoru što je s energetskog stanovišta neprihvatljivo. Međutim, u elektronici se razmjerno često javlja potreba za strujnim izvorom kao dijelom složenijeg elektroničkog sklopa (generator pilastog napona, pojedini dijelovi pojačala i sl.). Takvi strujni izvori izvedeni su aktivnim elektroničkim komponentama i sklopovima te ih kao takve možemo smatrati i strujnim aktivnim električnim izvorima.

Strujni izvor s otpornikom

Premda su u svakodnevnom životu prisutni isključivo naponski izvori (električni generatori, baterije ili na primjer akumulatori) jednostavan primjer strujnog izvora može biti izveden naponskim izvorom gdje je u seriju s opterećenjem stavljen otpor čiji je otpor znatno veći (desetak i više puta) od otpora opterećenja. Električni izvor u takvom slučaju poprima osnovne karakteristike strujnog izvora.

Strujni i naponski električni izvori

U rješavanju različitih električnih mreža i elektroničkih krugova često je praktično zadane strujne izvore pretvarati u naponske električne izvore.

Ako je realni strujni izvor opisan, na primjer, nazivnom konstantnom istosmjernom strujom I= 10 A te njemu paralelno spojenom unutarnjem otporu Ri= 1 Ohm, tada će nadomjesni naponski izvor imati onaj nazivni napon elektromotorne sile koji je jednak padu napona na unutarnjem otporu strujnog izvora za slučaj praznog hoda, odn. slučaj kada nema opterećenja, dakle EMS= 10 V. U nadomjesnom naponskom izvoru unutarnji otpor će imati nepromijenjenu vrijednost Ri i bit će postavljen u seriju s naponskim izvorom.

Pretvorba strujnih izvora u naponske može se na isti način izvesti i za izmjenični i bilo koji drugi oblik napona i struje, ali uz preduvjet da se u slučaju električnih mreža i izvora s kompleksnim opterećenjima, odn. kompleksnim unutarnjim otporima pretvorba izvede sukladno pravilima kompleksnog računa.

Literatura

• Langdon Crane, Magnetohydrodynamic (MHD) Power Generator: More Energy from Less Fuel, Issue Brief Number IB74057, Library of Congress, Congressional Research Service, 1981, posredstvom http://digital.library.unt.edu/govdocs/crs/permalink/meta-crs-8402
• "Batteries, Supercapacitors, and Fuel Cells: Scope". Science Reference Services. 20 Aug 2007. http://www.loc.gov/rr/scitech/tracer-bullets/batteriestb.html#scope
• "Current Sources & Voltage Izvori" Linden T. Harrison; Publ. Elsevier-Newnes 2005; 608-pages; ISBN 0-7506-7752-X