Zdroje elektromotorického napätia

Prácu neelektrostatických síl získavame z rozličných zdrojov napätia:
1. Elektrochemický zdroj - napätie vzniká chemickou reakciou elektród s elektrolytom, napr. galvanický článok a akumulátor.
2. Fotoelektrický zdroj – napätie vzniká vzájomným pôsobením svetla s elektrónmi v kovoch alebo polovodičoch, napr. fotočlánok.
3. Termoelektrický zdroj – napätie vzniká na spoji dvoch rozličných kovov s rôznou teplotou, napr. termočlánok.
4. Elektrodynamický zdroj – napätie vzniká pohybom vodiča v magnetickom poli pri elektromagnetickej indukcii, napr. dynamo, alternátory.
5. Mechanický zdroj – napr. van de Graafov generátor, v ktorom sa náboje oddeľujú trením pásu a prenášajú sa jeho pohybom.

Akumulátor
Akumulátor je zdroj jednosmerného napätia, ktorý je založený na elektrolýze. Stáva sa zdrojom elektromotorického napätia po prechode elektrického prúdu elektrolytom akumulátora alebo nabíjaním.

Najznámejší je olovený akumulátor:
Funkcia: Je založený na polarizačnom jave, pri ktorom sa na elektródach galvanického článku usadzujú časti rozloženého elektrolytu, ktoré tvoria nový článok s polarizačným napätím pôsobiacim proti pôvodnému napätiu. Keď do olovených elektród jednoduchého akumulátora zavedieme jednosmerný prúd, t. j. akumulátor nabíjame, elektrická energia sa mení na chemickú, t. j. časti rozloženej kyseliny sírovej sa chemicky viažu s hmotou akumulátorových elektród. Vybitý akumulátor má povrch elektród z inej hmoty ako nabitý akumulátor. Akumulátor sa nazýva sekundárny článok preto, že ním musí najskôr pretekať elektrický prúd, aby sa elektródy chemicky zmenili, a tým sa stal primárnym článkom, ktorý takto môže elektrický prúd vrátiť.
Spotrebičom pripojeným k nabitému akumulátoru prechádza prúd a akumulátor sa vybíja. Pri vybíjaní akumulátora prechádza prúd opačne než pri nabíjaní a elektródy sa menia späť na pôvodné látky. Chemická energia nazhromaždená pri nabíjaní mení sa pri vybíjaní akumulátora na elektrickú energiu. Hovoríme, že v akumulátoroch zhromažďujeme (akumulujeme) elektrickú energiu. Oproti galvanickému článku má akumulátor tú výhodu, že po vybití ho možno opäť nabiť a použiť. Galvanický článok sa opotrebuje a suchý článok sa po vybití nedá použiť.
Elektrochemické procesy: Chemické zmeny na jednoduchom akumulátore s dvoma elektródami s olova v zriedenej kyseline sírovej sú znázornené na obr.:

Olovené elektródy sa v H2SO4 nerozpúšťajú, ale priťahujú rozštiepené záporné ióny SO4 a zlučujú sa s olovom na síran olovnatý PbSO4. Ak pripojíme jednosmerný zdroj na elektródy akumulátora s povrchom PbSO4, nastane prúd iónov v elektrolyte. Záporný ión SO4 so záporným nábojom pôjde k anóde, kladný H2 ide na katódu. Pritom sa ióny zlúčia s PbSO4 na elektródach akumulátora a takto jednoduchý olovený akumulátor nabíjame.
Postup elektrochemického procesu pri nabíjaní je:
na anóde: PbSO4 + SO4 + 2H2O = PbO2 + 2H2SO4
a na katóde: PbSO4 + H2 = Pb + H2SO4.
Na kladnej elektróde sa teda pri nabíjaní vytvorí tmavohnedý oxid olovičitý (PbO2) a na zápornej elektróde sa vylúči čisté olovo Pb. Súčasne sa elektrolyt zhusťuje.

Teraz máme vlastne primárny článok: dve rozličné elektródy v kyseline sírovej. Kladný pól je PbO2 a záporný pól sivé olovo. Tým sme využili polarizáciu elektród a dostali sme elektrický náboj, z ktorého možno odoberať prúd dovtedy, kým sa elektródy Pb a PbO2 nepremenia naspäť na PbSO4. Keď na nabitý akumulátor pripojíme žiarovku, bude sa vybíjať. Pri vybíjaní ide prúd v elektrolyte opačným smerom, a preto na anóde vznikne vodík, ktorý sa hneď zlučuje s kyslíkom z anódy na vodu:
na anóde: PbO2 + H2 + H2SO4 = PbSO4 + 2H2O
na katóde: Pb + SO4 = PbSO4
Po vybití akumulátora je povrch elektród zas zo síranu olovnatého a v elektrolyte vzniká voda, čím sa kyselina zriedila.
Konštrukcia: Olovený akumulátor má v zásade dva druhy dosiek (elektród), ktoré sú zhotovené zo špeciálne spracovaného olova. Jedna doska – kladná, má hnedastú farbu, druhá – záporná, je farby sivej. Dosky sú od seba oddelené a ponorené do zriedenej kyseliny sírovej. Zriedená kyselina sa nazýva elektrolyt a je v nádobe z kyselinovzdorného materiálu (sklo alebo tvrdá guma). Na prenosných akumulátoroch je krycia doska z izolačného materiálu zaliata smolou. V doske sú otvory na dolievanie odpareného elektrolytu. Od olovených dosák sú cez povrchovú dosku pripojené olovené svorníky na odoberanie prúdu.
Aby akumulátor dodával viac prúdu, musia mať dosky väčší povrch, čo sa dosiahne tým, že sa do jednej nádoby vloží niekoľko dosák, striedavo kladná a záporná. Dosky rovnakej polarity (všetky plus a všetky mínus) sa spoja paralelne, a tým sa dosiahne, že akumulátor má väčšiu prúdovú kapacitu.

Prúdová kapacita: Prúdová kapacita akumulátorov sa udáva v ampérhodinách (Ah) a pri prenosných akumulátoroch je 10 až 60 Ah. Prúdová kapacita udáva, koľko prúdu možno z dobitého akumulátoru odobrať. Z praxe vieme, že z akumulátora dostaneme viac energie vtedy, keď sa odoberá menší prúd za dlhší čas, ako keď sa odoberá väčší prúd za kratší čas. Údaje o tom sú napísané na štítku akumulátora.

Okrem oloveného akumulátora sa často používa aj alkalický (oceľový) akumulátor:
Tento akumulátor má kladnú elektródu železnú, záporná elektróda je niklová. Obe sa spracúvajú špeciálnym spôsobom. Ako elektrolyt sa používa rozriedený hydroxid draselný (KOH). Alkalické akumulátory majú zvyčajne kovovú nádobu (železnú). Ich napätie je asi 1,35 V, teda nižšie než pri olovených akumulátoroch. Výhodou alkalických akumulátorov je, že sú ľahšie a znášajú aj menej opatrné zaobchádzanie než olovené akumulátory. Môžu sa nechať aj dlhší čas nenabité. Nevýhodou je menšie napätie a vyššia cena.
Menej známe druhy akumulátorov:
Kadmiovoniklový akumulátor má kladnú elektródu NiO2, zápornú Cd, elektrolyt KOH a prevádzkové napätie 1,2 V.
Striebro-zinkový akumulátor má kladnú elektródu AgO, zápornú Zn, elektrolyt KOH a prevádzkové napätie 1,3 V.
Striebro-kadmiový akumulátor má elektródy AgO (plus), Cd (mínus), elektrolyt KOH a stredné napätie 1,2 V.
Pokročilé elektrochemické akumulátory sú oproti rovnako ťažkým oloveným akumulátorom niekoľkonásobne výkonnejšie, znášajú vyšší počet nabíjacích cyklom a nabíja sa podstatne rýchlejšie. Medzi nedostatky patrí pamäťový efekt u niektorých z nich a vysoká cena z dôvodu použitia vzácnych kovov.
Najvyšší počet nabíjacích cyklov (až tri tisíc) a ultrarýchle nabíjanie (pod jednu hodinu) majú nikel-kadmiové akumulátory.

Akumulátorová batéria: Keď treba z akumulátorov odobrať väčšie napätie, ako má jeden článok, spája sa niekoľko článkov do série, a tak vzniká akumulátorová batéria. Takéto akumulátorové batérie sa používajú napríklad v motorových vozidlách. Napríklad batéria motocykla, ktorá má napätie 6V, je zostavená z troch akumulátorových článkov, spojených sériovo. V automobiloch sú batérie zostavené z 3, 6, niekedy aj 12 článkov spojených sériovo. Akumulátory sú v každom automobile. Počas jazdy sa akumulátor dobíja z malého dynama, ktoré je poháňané motorom automobilu. Nabitý akumulátor je zdrojom napätia pre elektrické zariadenie automobilu vtedy, keď motor nepracuje.

Použitie: Akumulátor sa používa v elektrických vozidlách, v automobiloch a motocykloch, na zapaľovanie a osvetľovanie, v elektrárňach, ďalej na núdzové osvetlenie v nemocniciach, v divadlách a kinách a ako zdroj prúdu v telegrafii, v laboratóriách a tak ďalej.
Akumulátory a galvanické články sú pomerne drahé zdroje napätia. Používame ich obyčajne tam, kde nemáme sieť.